Выбор материала для пластин клапана поршневого компрессора

Добыча полезных ископаемых играет важную роль в формировании экономики страны, обеспечивая необходимым сырьем многие отрасли промышленности. Сжатый воздух является оптимальным источником энергии для использования в условиях горнодобывающей промышленности как для подземных, так и для открытых горных работ, вследствие значительных преимуществ (надежность, безопасность и эффективность) перед другими источниками энергии. Для производства сжатого воздуха применяются компрессоры различных типов. В горнодобывающей промышленности особенно востребованы поршневые компрессоры из-за их надежности и возможности работы в удаленных районах, где доступ к электричеству ограничен. Основной причиной простоя компрессоров является отказ клапана. Клапанная пластина в поршневом компрессоре играет важную роль в регулировании потока газа, обеспечении надлежащего уплотнения, поддержке компонентов клапана, содействии рассеиванию тепла и гарантировании общей долговечности. Пластины клапанов подвержены высоким циклическим нагрузкам, приводящим к усталостным разрушениям. С целью повышения надежности и эффективности клапанов поршневых компрессоров определены нагрузки, действующие на пластины, и проведена оценка их влияния на прочность. Предложена формула для оценки предела усталостной прочности сталей в широком диапазоне свойств. Разработана математическая модель, связывающая конструкцию клапана, режим работы, и позволяющая обоснованно выбрать материал пластины. Приведены примеры выбора материала для прямоточных индивидуальных клапанов. Составленная номограмма позволяет подобрать материал пластин запорного органа для конкретных условий работы компрессора.

Хазин М. Л., Волегов С. А., Сокерина О. В. Выбор материала для пластин клапана поршневого компрессора // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 12-2. – С. 112–124. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_122_0_112.

Хазин Марк Леонтьевич¹ — д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: Khasin@ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0002-6081-4474,
Волегов Сергей Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: sevolegov2015@yandex.ru, ORCID ID: 0009-0000-2871-6826,
Сокерина Ольга Владимировна¹ — старший преподаватель, e-mail: olga_vc@mail.ru, ORCID ID: 0009-0003-6663-4719,
¹ Уральский государственный горный университет.

Сокерина О.В., e-mail: olga_vc@mail.ru.

1. Rahimdel M. J., Ghodrati B. Reliability analysis of the compressed air supplying system in underground mines // Scientific Reports. 2023, vol. 13, article 6836. DOI: 10.1038/s41598-023-33736-5.

2. 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, no. 5, pp. 1-10, article 8058723. DOI: 10.1155/2020/8058723.

3. 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.

4. 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.

5. 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, article 53. DOI: 10.3390/machines10010053.

6. Сеидахмедов Н. С. Исследования основных эксплуатационных характеристик работы клапанов поршневых компрессоров // Sciences of Europe. — 2021. — № 79-1 (79). — С. 52—55. DOI: 10.24412/3162-2364-2021-79-1-52-55.

7. Sotoodeh K., Gudmestad O. T. Safety and reliability improvement of valves and actuators in the of shore oil and gas industry // Life Cycle Reliability and Safety Engineering. 2022, vol. 11, pp. 293—302. DOI: 10.13140/RG.2.2.11210.08643.

8. Sawant O., Mane P., Verma U. Fatigue modelling of reed valve as a function of crank angle for piston compressor // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2021, vol. 8, no. 8, рр. 1010—1015. 

9. 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. DOI: 10.1155/2021/8891424.

10. 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.

11. Taranović D., Ninković D., Davinić A., Pešić R., Glišović J., Milojević S. Valve dynamics in reciprocating compressors for motor vehicles // Tehnički Vjesnik. 2017, vol. 24, no. 2, pp. 313—319. DOI: 10.17559/TV-20151117130112.

12. Altunlu A. C., Lazoglu I., Oguz E., Kara S. An investigation on the impact fatigue characteristics of valve leaves for small hermetic reciprocating compressors in a new automated test system // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2012, vol. 35, no. 9, pp. 826—841. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2011.01645.x.

13. Tofique M. W., Löf A., Millward C. Experimental analysis of reed valve movement for different reed valve designs tested in an impact fatigue test system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1180, no. 1, article 012020. DOI: 10.1088/1757-899X/1180/1/012020.

14. Barani A. A., Boukhattam M., Haggeney M., Güler S. Stainless steel valves with enhanced performance through microstructure optimization // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, vol. 232, no. 1, article 012033. DOI: 10.1088/1757-899X/232/1/012033.

15. Song W., Xu J., Yang O., Hub Y., Qiand G. Very-high-cycle fatigue responses of stainless steel for compressor valve plates / 2nd Mediterranean Conference on Fracture and Structural Integrity. 2022. Procedia Structural Integrity, vol. 41, pр. 486—491.

16. 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. DOI: 10.3390/coatings12050574.

17. Hareland M., Hoel A., Jonsson S., Liang D., Chai G. Selection of flapper valve steel for high efficient compressor // International Compressor Engineering Conference. 2014. Paper 2330. https://docs.lib.purdue.edu/icec/2330.

18. Geilen M. B., Klein M., Oechsner M. On the influence of ultimate number of cycles on lifetime prediction for compression springs manufactured from VDSiCr class spring wire // Materials. 2020, vol. 13, article 3222. DOI: 10.3390/ma13143222.

19. Chai G. C., Zetterholm G., Walden B. Flapper valve steels with high performance // International Compressor Engineering Conference. 2004. Paper 1702. https://docs.lib.purdue.edu/icec/1702.

20. Павлов В. В., Темлянцев М. В., Бухмиров В. В. Увеличение усталостной прочности сталей высокопрочных марок // Известия вузов. Черная металлургия. — 2023. — № 66(5). — С. 522—528. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-5-522-528.

21. Павлов В. В., Темлянцев М. В., Трошкина А. В. О связи усталостных показателей с прочностными свойствами стали и роли неметаллических включений // Проблемы черной металлургии и материаловедения. — 2020. — № 2. — С. 44—50.

22. Габибов И. О., Сеидахмедов Н. С. Уравнения движения пластин прямоточных клапанов поршневых компрессоров, работающих в системе газлифтной эксплуатации нефтяных скважин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2015. — Т. 4. — № 7 (76). — С. 34—38. DOI: 10.15587/1729-4061.2015.48234.

23. Shu Y., Xiao J., Liu Z., Li F. Research on transient dynamic behavior and stress of reciprocating compressor valve under air volume regulation // Journal of Physics: Conference Series. 2022, vol. 2254, no. 1, article 012050. DOI: 10.1088/1742-6596/2254/1/012050.

24. Прилуцкий И. К., Григорьев А. Ю., Сегеда В. А. Математическое моделирование поперечных колебаний пластины прямоточного клапана // Вестник Международной академии холода. — 2003. — № 3. — С. 18—22.

25. Michal V., Roman G. Modeling reciprocating compressor valve dynamics // AIP Conference Proceedings. 2017, vol. 1889, article 020049. DOI: 10.1063/1.5004383.

26. Wang Y., Guo B., Ma K., Zhou Y. Simulation and experiment study on dynamic characteristic of reed valve of reciprocating compressor based on fluid-structure interaction model // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1180, no. 1, article 012021. DOI: 10.1088/1757-899X/1180/1/012021.

27. Bacak A., Pınarbaşı A., Dalkılıç A. S. A 3-D FSI simulation for the performance prediction and valve dynamic analysis of a hermetic reciprocating compressorSimulation FSI tridimensionnelle pour la prévision des performances et l'analyse dynamique des soupapes d'un compresseur alternatif hermétique // International Journal of Refrigeration. 2023, vol. 150, pр. 135—148. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2023.01.028.

28. Mu G., Wang F., Mi X., Gao G. Dynamic modeling and analysis of compressor reed valve based on movement characteristics // Applied Thermal Engineering. 2019, vol. 150, no. 5, pp. 522—531. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.01.024.