Анализ причин неисправности клапанов поршневых компрессоров и пути улучшения их конструкции

Сжатый воздух используется в горной промышленности при буровых работах, вентиляции, обработке сырья и других работах, что вызвано более высокой безопасностью пневматического оборудования. Это актуально для взрывои пожароопасных производств, где использование электрооборудования нежелательно. В связи с этим необходимо применять надежные машины, использующие пневматическую энергию. тепловой режим, производительность и удельный расход электроэнергии поршневых компрессоров определяют в основном клапаны. Клапаны компрессоров должны функционировать надежно, несмотря на большую частоту срабатывания, высокую температуру и возможное загрязнение газа инородными частицами. В случае отказа клапана компрессор теряет свою работоспособность. нагрузки, действующие на пластину при работе компрессора (изгиб в закрытом состоянии, удар в момент встречи с седлом или ограничителем), приводят к отказу клапана. На долговечность клапанов также влияют структура и свойства материала, из которого изготовлены детали клапана. Из практики использования клапанов с консольно закрепленной пластиной видно, что они имеют ряд важных недостатков, вызванных по большей части конструкцией клапана. в процессе работы компрессора такая схема установки пластины в клапане подвергается циклическим нагрузкам, что приводит к возникновению усталостных трещин, являющихся основной причиной поломок. Указанные недостатки были устранены в конструкциях клапанов, разработанных в Уральском государственном горном университете. клапаны предложенной конструкции отличаются отсутствием крепления пластин с пружинами к седлу клапана, что уменьшило величину ударных нагрузок и повысило срок службы клапана в 2−3 раза. Такое решение позволило исключить воздействие изгибающего момента на пластину в процессе работы компрессора, что позволило применить пружинно-рессорную сталь (65Г или 55С2) или высокоуглеродистую сталь после закалки и среднего отпуска вместо более дорогих импортных сталей.

Хазин М.Л., Волегов С. А., Сокерина О.В. Анализ причин неисправности клапанов поршневых компрессоров и пути улучшения их конструкции // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 1-1. — С. 21—33. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_011_0_21.

Хазин Марк Леонтьевич — докт. техн. наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация горного оборудования», ORCID ID: 0000−0002−6081−4474, Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, Россия, 620144, e-mail: Khasin@ursmu.ru;
Волегов Сергей Александрович — канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация горного оборудования», ORCID ID: 0009−0000−2871−6826, Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, Россия, 620144, e-mail: sevolegov2015@yandex.ru;
Сокерина Ольга Владимировна — преподаватель кафедры «Эксплуатация горного оборудования», ORCID ID: 0009-0003-6663-4719, Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, Россия, 620144, e-mail: olga_vc@mail.ru.

Хазин Марк Леонтьевич e-mail: Khasin@ursmu.ru. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Humphreys D. Mining productivity and the fourth industrial revolution // Mineral Economics. 2019, no. 1, pp. 1–11. DOI: 10.1007/sl 3563−019−00172−9.

2. Мастепанов А. М. Водородная энергетика России: состояние и перспективы // Энергетическая политика. — 2020. — № 12(154). — С. 54–64. DOI: 10.46920/2409−55 16_2020_12154_54.

3. Хазин М. Л., Апакашев Р. А. Карьерные самосвалы на водородном топливе // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 1. — С. 47–59. DOI: 10. 25018/0236_1493_2022_1_0_47.

4. Guo F-Y., Zhang Y-C., Wang Y., Ren P-J., Wang P. Fault Diagnosis of Reciprocating Compressor Valve Based on Transfer Learning Convolutional Neural Network // Mathematical Problems in Engineering. 2021, vol. 2021, article 8891424, 13 p. https://doi. org/10.1155/2021/8891424.

5. Jarang H. G., Deshpande R. S. The Survey on Reciprocating Gas Compressor — A Review // International Journal of Science and Research (IJSR). 2022, vol. 11, no. 6, pp. 389–393. DOI: 10.21275/SR22521125538.

6. Michal V., Roman G. Modeling reciprocating compressor valve dynamics // AIP Conference Proceedings. 2017, vol. 1889(1), 020049. https://doi.org/10.1063/1.5004383.

7. Алфёрова Т. В., Широков О. Г., Горох И. А. Автоматизация расчётов и выбора энергоэффективного компрессорного оборудования для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности // Агротехника и энергообеспечение. — 2019. — № 3 (24). — С. 81–94.

8. Степанов С. И., Митрофанова И. В. Повышение энергетической эффективности систем снабжения промышленных предприятий сжатым воздухом // Известия Петербургского университета путей сообщения. — 2019. — Т. 16. — № 3. — С. 515–522. DOI: 10.20295/1815−588X-2019−3-515−522.

9. Амарандо Г. Г., Мельник А. В., Сторожик С. О., Шулекин П. Б. Бустерные поршневые компрессоры Краснодарского компрессорного завода — эффективное сочетание надежности и инноваций // Нефть. Газ. Новации. — 2022. — № 6 (259). — С. 77–80.

10. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. — 3-е изд., доп. — М.: КолосС, 2013. — 456 с.

11. Guo F-Y., Zhang Y-C., Wang Y., Wang P., Ren P-J., Guo R., Wang X-Y. Fault Detection of Reciprocating Compressor Valve Based on One-Dimensional Convolutional Neural Network // Mathematical Problems in Engineering. 2020, vol. 2020, article 8058723. https:// doi.org/10.1155/2020/8058723.

12. Han L., Jiang K., Wang Q., Wang X., Zhou Y. Quantitative Evaluation on Valve Leakage of Reciprocating Compressor Using System Characteristic Diagnosis Method // Applied sciences. 2020, vol. 10, pp. 1946–1966. DOI: 10.3390/app10061946.

13. Клименко Н. П., Кулиш О. В., Болдецкая А. М., Непряхин Е. Д. Прогнозирование надежности судовых поршневых компрессоров // Морские технологии: проблемы и решения: Научно-практическая конференция ФГБОУ ВО «КГМТУ». — Керчь, 2018. — С. 121–128.

14. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. — Л.: Машиностроение, 1983. — 158 с.

15. Сеидахмедов Н. С. Исследования основных эксплуатационных характеристик работы клапанов поршневых компрессоров // Sciences of Europe. 2021, no. 79−1 (79), pp. 52–55. DOI: 10.24412/3162−2364−2021−79−1-52−55.

16. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. — Л.: Машиностроение, 1969. — 744 с.

17. Ляйтнер К. Клапаны для поршневых воздушных компрессоров, имеющие наилучшee соотношение цены и качества // Химическая техника. — 2014. — № 9. — С. 25–27.

18. Samuel K. J., Raj R. T. K., Edison G. An Overview of Parameters Influencing the Performance of Hermetic Reciprocating Compressor for Domestic Applications // International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration. 2018, vol. 26, no. 04, 1830003. https://doi.org/10.1142/S2010132518300033.

19. Wang Y., Xue C., Jia X., Peng X. Fault diagnosis of reciprocating compressor valve with the method integrating acoustic emission signal and simulated valve motion // Mechanical Systems and Signal Processing. 2015, ,vol. 56–57, pр. 197–212. https://doi. org/10.1016/j.ymssp.2014.11.002.

20. Li X., Ren P., Zhang Z., Jia X., Peng X. A p−V Diagram Based Fault Identification for Compressor Valve by Means of Linear Discrimination Analysis // Machines. 2022, vol. 10, no. 1, р. 53. https://doi.org/10.3390/machines10010053.

21. Berladir K., Hatala M., Hovorun T., Pavlenko I., Ivanov V., Botko F., Gusak O. Impact of Nitrocarburizing on Hardening of Reciprocating Compressor’s Valves // Coatings. 2022, vol. 12, no. 5, pp. 574–586. https://doi.org/10.3390/coatings12050574.

22. Veiga A., Luno-Bilbao C., Sainz S., Castro F. Effect of low-pressure carburizing and plasma nitriding on mechanical properties and fatigue endurance limits of low alloy sintered steels // Powder Metall. 2020, vol. 63, pp. 75–79. https://doi.org/10.1080/00325899.2020.1 758883.

23. Shu Y., Xiao J., Liu Z., Li F. Research on transient dynamic behavior and stress of reciprocating compressor valve under air volume regulation // J. Phys.: Conf. Ser. 2022, vol. 2254(1), 012050. DOI:10.1088/1742−6596/2254/1/012050.

24. Wu W., Guo T., Peng C., Li X., Li X., Zhang Z., Xu L., He Z. FSI simulation of the suction valve on the piston for reciprocating compressors // International Journal of Refrigeration. 2022, vol. 137, pр. 14–21. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2022.01.028.

25. Ваняшов А. Д., Крупников А. В. Применение метода анализа «Компрессор-сеть» для системы с поршневым компрессором и линией рециркуляции // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». — 2020. — Т. 4. — № 2. — С. 56–63. DOI: 10.25206/2588−0373−2020−4-2−56−63.

26. Хиникадзе И. Т., Кожемяченко А. В. Разработка компрессора повышенной производительности и надежности // Colloquium-journal. — 2022. — № 8−1 (131). — С. 8–11. DOI: 10.24412/2520−6990−2022−8131−8-11.

27. Hu Y. S., Wei H. Y., Xu Y., Kwan P., Wu F., Luo F. Y., Ren L. P. A theoretical study on the novel structure of vane compressor for high efficiency // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019, vol. 604, 012067. DOI: 10.1088/1757−899X/604/1/012067.

28. Хазин М. Л., Волегов С. А. Повышение надежности клапана поршневого компрессора // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 9. — С. 191–194.