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浅析活塞式二级水冷空压机低压级排气阀漏泄问题

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[LV.8]以坛为家I

发表于 2013-1-6 08:45:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
浅析活塞式二级水冷空压机低压级排气阀漏泄问题
  空气压缩机(简称空压机)主要用于主柴油机的启动和发电柴油机的启动;同时也为其他需要压缩空气的辅助机械设备(如压力水柜、汽笛等)供气;它是船舶重要的辅机设备之一。船舶常用的空压机为活塞式二级水冷空压机,而气阀是空压机重要的易损部件,其良好程度直接影响到空压机的经济性和可靠性,质量差的气阀,其能量损失可大到占空压机轴功率的20%以上,因此,对排气阀的漏泄问题能及时查明故障原因进行维修或更换,使之正常工作显得尤其重要。在此从结构特点和工作特点两方面对活塞式二级水冷空气压缩机低压级排气阀(环状阀)的特点进行阐述,通过环状阀的工作原理分析低压级排气阀发生漏泄的主要原因。从排气量减少和一级(低压级)排气阀阀盖异常烫手且排出压力偏低故障现象,找出空压机发生漏泄故障的可能部位,找到故障源,并排除故障,通过对排气阀的拆卸,检查气阀组件,对故障现象进行的分析,确定对排气阀故障排除的方法。判断故障源要在全面分析所有故障现象的基础上考虑问题;排气阀的损坏不是突然发生的事件,而是逐步酿成的故障。所以在平时维修维护中要善于不断总结经验,通过“观、测、听、摸、闻”判断故障部位。
   
    1 排气阀故障现象
   
    某轮空压机为活塞式立式二级水冷、级差式空压机,其型号为MS-75A型,这种空压机的排气量为12.6m3/h,转速为1000RPM,一级排气压力为0.48MPa,二级额定排气压力为3MPa,其低压级排气阀的构造如图所示,这是一个双环环状阀。某日下午,值班机工给空压机气瓶补气时,原来同样的亏气量(此时气瓶压力为2.5MPa)只要20min左右即可补足,而现在补气时间1h过去了还未补足(此时气瓶压力为2.7MPa),一级排气压力明显偏低(压力为0.34MPa,按压力比计算,现在正常压力应为0.45MPa),并且低压级排气阀阀盖异常烫手。于是,判定该低压级排气阀漏泄严重,轮机长决定停机检修,卸下排气阀,发现阀片磨损不均变形。约40min后换妥新阀,卸载盘车2转后,未发现异常。接通电源,空压机工作正常。

    2 气阀的工作原理
   
    2.1 气阀的工作原理
   
    空压机的低压级吸气阀和排气阀装在气缸盖上,升程为3mm。而高压级的吸气阀和排气阀装在气缸中部的阀室内。气缸及活塞均分成直径上大下小的两段。活塞顶部以上为气缸的低压级工作空间,空气经滤清器吸入气缸。活塞中部的环形空间为高压级工作空间,由低压级排出的气体经级间冷却器冷却送入高压级进一步被压缩。为了保证安全,低压级和高压级分别装有安全阀,它们的安全开启压力分别比额定排出压力约高15%和10%。电动机通过弹性连轴器带动曲轴旋转,再经连杆,活塞销带动活塞在气缸内上下往复运动。当活塞从上止点向下止点移动时,空压机处于吸气过程,此时进气阀弹簧被压缩,阀片向下运动,于是进气阀打开,吸入气体。活塞回行时,即从下止点向上运动时,吸气阀开始关闭,即阀片受其弹簧弹力作用向上运动至与阀座密合位置。当吸、排气阀均处于关闭状态,活塞继续向上运动时,气体在缸内被压缩,压力升高到排出压力时,排气阀阀片向上运动压缩弹簧而开启,压缩过程结束。排气阀开启后,缸内压力即将保持排出压力大小不变直到活塞行至上止点,全部气体被排出,排气过程结束。气阀开启的最大位置受升程限制器的限制。
   
    以上简述了低压级气阀的工作过程,其实高压级气阀与低压级工作过程相类似,只是高压级阀片为单环,这里不再叙述。下面谈谈环状阀的特点。
   
    2.2 气阀的特点
   
    2.2.1 结构特点
   
    (1)优点:结构简单,工艺性好,维修方便;
   
    (2)缺点:阀片运动的导向摩擦较大,阀片稍厚,质量较大,不适合高转速(转速n<1500RPM)。
   
    2.2.2 工作特点
   
    具有关闭严密,阻力小,启闭及时等特点,具体要求如下:
   
    (1)闭阀时阀片与阀座密合不漏泄。工作时要求阀片与阀座及升程限制器的撞击速度不要太快,撞击声要小。
   
    (2)阀片的升程要合适。合理的增加升程,可以降低阀隙气流速度,减小阀的阻力损失。但升程增大,阀片对升程限制器和阀座的撞击速度将随之增大,阀弹簧的变形量和变形速度也将增大,这会导致气阀寿命降低,而且会加重气阀关闭滞后,严重时甚至使空压机不能正常工作。
   
    (3)阀弹簧强弱要适当。弹簧太强则阀的阻力增加,太弱则关闭更加滞后,落座时在反向气流作用下撞击加重,会使阀的寿命减低,两者都会使排气量和功率损失加重。
   
    3 排气阀漏泄故障源的分析与判断
   
    由以上故障现象:空压机排气量明显减少,一级排气阀阀盖异常烫手且一级排出压力偏低,判断出是一级排气阀漏泄故障所致。那么,是如何判断出故障源的呢?下面就来具体分析这个问题:
   
    3.1 从空压机排气量减小考虑
   
    可能的故障原因有:
   
    余隙容积Vc增大而使容积系数λv降低,排气量便会降低。可能的故障部位有:
   
    (1)在使用中,由于连杆两端的轴承磨损,导致活塞位置下降;
   
    (2)换用了较厚的气缸盖垫片,余隙均会增大而使空压机排气量降低。
   
    进、排气阻力增大,压力系数λp降低,排气量减少。可能的故障部位有:
   
    (l)空气滤清器污染后阻力损失会急剧增加;
   
    (2)吸、排气阀不严,受阻,导向摩擦增大,均会使排气量降低。
   
    实际上,气体被压缩后温度升高,使气阀、缸盖、缸壁和活塞的温度都升高,在吸气过程中,气体被热的机械加热,吸入缸内的气体温度升高,比容也增大,如折算到进口的状态,每转排气体积又要损失一部分。当出了故障,缸内气体温度异常升高时,这种预热损失急剧增加,会使温度系数λt减小,从而使空压机排气量减少。可能的故障部位有:
   
    (1)冷却系统故障;
   
    (2)吸、排气阀工作不良,均会造成预热损失增加,空压机排气量减少。
   
    空压机工作时,由于气密性变差发生漏泄,使气密系数λL减小,排气量会大幅度降低。可能的故障部位有:
   
    (1)空压机达不到额定转速,如电机故障或供电电压偏低等;
   
    (2)排气阀故障,如:
   
    a.阀片变形,磨损不均或接触面有污物;
   
    b.阀座与阀孔结合不严密或忘记加垫圈;
   
    c.弹簧未装或断裂,弹簧过软以至关闭过迟。
   
    (3)气缸、活塞环磨损过大,以至活塞环卡死、断裂或搭口转到一起;
   
    (4)缸盖与缸体接触不严密;
   
    (5)实际中,使空压机排气量减少的部位还很多,凡是从气体开始吸入到最后送给气瓶的整个气体通过的路径上出了漏泄故障等均会造成空压机排气量减少。如低压级、级间冷却器与高压级相连接的部位,各段气道损坏,压力表损坏,安全阀损坏等漏泄均会造成空压机排气量下降。
   
    综上所述,只要影响到空压机参数λv、λp、λt和λL降低时即输气系数λ降低时排气量Q(Q=Vt&#8226;λ=Vt&#8226;λv&#8226;λp&#8226;λt&#8226;λL,其中Q为空压机实际排气量;Vt为空压机的理论排气量,当空压机转速恒定时,其值为定值;输气系数λ=λv&#8226;λp&#8226;λt&#8226;λL)都会减少。这样,可能的故障部位有考虑到的,还有许多未考虑到的。单从空压机排气量减少这个角度是很难判断出到底是空压机哪个部位出了故障。
   
    3.2 从其它故障现象考虑
   
    从排气阀阀盖温度升高异常烫手且一级排气压力明显偏低来考虑,是什么原因造成的呢?其实这是排气阀漏气的征兆。排气阀漏泄会使空压机的容积效率下降,而且还会使单位质量排气量所耗功增加,排气温度上升,从而使排气阀阀盖烫手。此时其它方面未发现明显异常,所以是一级排气阀漏泄可能性最大。
   
    综合以上对空压机排气量减少和一级排气阀温度升高,阀盖异常烫手且一级排出压力偏低全面考虑,不难看出,只有当一级排气阀漏泄严重时才会同时出现以上故障现象。通过综合分析最后将故障锁定在一级排气阀漏泄上。
   
    4 排气阀故障的排除
   
    根据故障现象分析判断找到了故障源--一级排气阀漏泄。
   
    4.1 排气阀的拆卸
   
    用扳手卸下排气阀顶杆的帽形螺母,再拧松气阀顶杆。卸下,气阀室盖固定螺母,卸下气阀室盖,取出压阀套和气阀。将气阀紧固螺母的开口销扳直并取下,再用台虎钳垫紫铜皮夹紧气阀,卸下气阀紧固螺母,轻轻打开气阀,取出阀片和弹簧,放在器皿里。
   
    4.2 检查排气阀组件
   
    观察阀片和阀座,发现阀片磨损不均变形,阀座也有磨损。连续三次压缩各弹簧至各圈相互接触,然后释放,与处于自由高度的弹簧相比较,有两根不能恢复自由高度,且手感弹性变小。
   
    4.3 对故障现象的解释
   
    通过检查排气阀组件,排气阀漏泄是由于工作时各弹簧及反向气流的作用对阀片作用力不均,至使阀片导向磨损增大,阻力增加,磨损加剧,同时加长了闭阀时间,而且使阀片与阀座撞击加重,从而导致阀片磨损不均,阀座也有磨损而产生漏泄。这样,使单位质量排气量所耗功增加,排气温度上升,从而使排气阀缸盖烫手。由于漏泄严重,所以缸内压缩气体始终达不到额定排出压力,这就是一级排出压力偏低的原因所在。由于阀片、阀座及弹簧均存在毛病,此阀不能继续使用,所以,决定换新排气阀。
   
    4.4 换阀
   
    将备用的新阀装入排气阀阀室内,装入压阀套,垫好紫铜垫,盖上阀室盖,对角拧紧螺母,轻轻拧动气阀顶杆,顶住气阀,再用扳手拧紧锁紧螺母。转动飞轮盘车实验,发现转动自如,无卡阻,无异常声响,至此排气阀已装妥。
   
    5 结论
   
    MS-75A型空压机一级排气阀故障,从分析其工作原理,得出该故障是由于排气阀漏泄造成的,在实际取下排气阀打开观察时,发现阀片磨损变形,从而造成了其漏泄故障,导致空压机排气量降低。
   
    实际上,排气阀阀片磨损不均变形,使其与阀座密合不严而漏泄并不是突然间造成的,这要经过一段时间,过程是排气阀由不漏到开始漏、由少漏到多漏、由一般漏到显著漏,以致发展到损坏,所以必须及时进行修理或更换,排除故障,以免对空压机本身或对其它需要压缩气体的设备正常工作造成更为严重的不良后果。
   
    综上所述,判断故障部位要根据所有的故障现象全面考虑,冷静思考,科学判断,然后准确无误地找出故障部位。决不能凭想象,更不能主观臆断。当故障部位的可能性在两种以上时,要认真排除可能的故障现象,各个击破,逐步缩小包围圈,直至找到故障部位。 

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