CN108005993A - 一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩机气量调节技术领域，具体公开了一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构，包括电磁阀、设于电磁阀下方的液压缸、设于液压缸下方的氮封装置和设于液压缸上的温度传感器。本发明装置密封性能良好，可实现液压油与压缩机气缸内工艺介质的双向密封，无外泄漏，同时可以有效地隔离压缩机气缸内的危险气体。

Description

一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构

技术领域

本发明属于压缩机气量调节技术领域，具体涉及一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构。

背景技术

往复式压缩机气量无级调节系统由液压系统、电液执行机构和控制系统组成。电液执行机构接受控制系统信号，通过液压传动来控制压缩机进气阀的开启和关闭时间，实现压缩机气量在一定范围内的无级调节，其动态性能的好坏将对压缩机的排气量调节产生很大影响，从而影响压缩机的能量消耗。

目前往复式压缩机气量无级调节系统对电液执行机构的要求主要有以下几点：1)快速响应特性：在压缩机气量无级调节系统中，高速电液执行机构需要在特定时刻驱动进气阀卸荷器动作，使进气阀阀片开启或关闭。一般地，当压缩机主轴转速r＝300r/min时，压缩机活塞的往复工作周期T＝200ms，其中活塞的压缩行程历时约为T/2＝100ms，从实时控制的角度考虑，为了使气阀阀片能够及时开启和关闭从而实现压缩机排气量的无级调节，电液执行机构的响应时间必须限制在20ms以内；2)高可靠性和长寿命特性：在压缩机的正常检修周期内，主机需要不间断连续运行，通常情况下，压缩机年均无故障运行时间为8000h，以转速为300r/min的往复式活塞压缩机为例，高速电液执行机构的年均开关次数约为1.45亿次，该参数对电液执行机构的工作寿命和可靠性都是一个很大的挑战；3)高压气液两相密封：大型往复式压缩机用高速电液执行机构的密封性能要求非常严苛，首先是密封要求高，由于往复式压缩机的工艺介质通常是氢气、甲烷等易燃易爆气体或硫化氢等剧毒气体，当气液两相密封处泄漏后，执行器内部的油液外泄并被带入压缩机气缸，液压油在气缸内的高温高压环境下发生化学变化，会使压缩机气阀处产生积炭，对压缩机的正常运转产生危害。同时，气缸内的气体也会反窜入执行器内，在有毒工况下，工艺介质会随着液压油进入液压系统的油箱，由于油箱的空间是和大气连通的，这会导致工艺介质直接泄漏到外界，被人体吸入后还会引起中毒事故。其次是介质压力高，液压油通常的压力为10MPa，压缩机工艺介质的压力高达15MPa。最后，密封面的寿命要求高，在高频长时间运行的条件下，对密封副密封面以及密封件的耐磨性提出了很高的要求。

针对以上问题，亟需设计一种高响应和高可靠性的电液执行机构，在高频高压工况下可满足调节系统使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构，实现在高频高压工况下对压缩机气量的无级调节。

本发明的技术方案如下：

一种电液执行机构，用于往复式压缩机气量调节系统，包括电磁阀、液压缸、氮封装置和温度传感器；

所述的电磁阀设于液压缸的上方，通过四个紧固螺钉与液压缸固定连接；

在电磁阀上设有通口A、通口P和通口T；

所述的液压缸包括上缸体、下缸体、活塞套、活塞杆、液压杆、密封导向支撑一、密封导向支撑二、密封导向支撑三和刮油环支撑；

所述的上缸体设于下缸体的上方，两者通过内六角圆柱头螺钉固定连接；

在上缸体内部设有无杆腔A和有杆腔B，无杆腔A和有杆腔B同轴；

在上缸体的上端面上设有工作油口，与通口A以及无杆腔A连通；

在上缸体的侧面设有进油口和出油口，其中进油口与通口P连通，出油口与通口T连通；

在上缸体和下缸体中沿轴向设有插装通孔，在插装通孔中安装有螺纹插装式温度传感器；

所述的活塞套设于无杆腔A中，与上缸体通过螺纹连接；

所述的活塞杆的一端设于活塞套内，两者之间存在间隙，活塞杆的另一端位于有杆腔B内；

在所述活塞杆的外侧设有环形平衡槽，油液流经平衡槽时，在槽中形成涡旋，使油液由层流状态转为紊流混合状态并形成阻力屏障；

在下缸体的侧面设有泄油口和泄气口，泄油口可将活塞间隙密封处的泄漏油导回油箱；

在密封导向支撑二的内部设有环形的密封腔C，密封腔C与泄气口连通；

在下缸体内由上至下依次设有密封导向支撑一、密封导向支撑二和密封导向支撑三，三者分别通过三个O型圈二与下缸体内壁形成三道径向静密封；

所述的密封导向支撑一、密封导向支撑二和密封导向支撑三均为中空的圆筒形状，三者同轴；

在所述密封导向支撑一的内壁设有沟槽一和导向槽一，组合密封圈一设于沟槽一内，导向带一设于导向槽一内；

在密封导向支撑二的内壁设有沟槽二和沟槽三，组合密封圈二设于沟槽二内，组合密封圈三设于沟槽三内；

在密封导向支撑三内壁设有沟槽四和导向槽二，组合密封圈四设于沟槽四内，导向带二设于导向槽二内；

在所述密封导向支撑二的侧壁上设有泄气孔，与下缸体侧面的泄气口连通；

所述的刮油环支撑设于下缸体的下方出口处，与下缸体通过螺纹连接；

所述的氮封装置设于下缸体的下方，包括氮封刮油环支撑、氮封装置连接架和氮封密封导向支撑；

所述的氮封刮油环支撑、氮封装置连接架和氮封密封导向支撑均为中空结构，且三者同轴；

在氮封装置连接架与下缸体之间还设有O型圈四，所述的氮封装置连接架通过紧固螺钉与下缸体固定连接，同时压紧O型圈四形成一道轴向静密封，在氮封装置连接架内设有气腔D；

所述的氮封刮油环支撑设于氮封装置连接架的下方，两者通过螺纹连接；

所述的氮封密封导向支撑设于氮封装置连接架的内部；

所述的液压杆的一端位于有杆腔B内，并与活塞杆的一端接触，另一端穿过密封导向支撑一、密封腔C、密封导向支撑二、密封导向支撑三、刮油环支撑、氮封装置连接架、氮封密封导向支撑和氮封刮油环支撑后，位于氮封装置的下方；

所述的组合密封圈一、组合密封圈二、组合密封圈三、组合密封圈四、组合密封圈五、组合密封圈六、组合密封圈七和组合密封圈八均由O型圈和滑环组成。

在所述上缸体和下缸体的连接处设有O型圈一，实现轴向静密封，防止有杆腔B内的油液外泄。

在所述活塞套与上缸体的连接处设有高压密封圈，形成静密封。

在所述氮封密封导向支撑与氮封装置连接架相接处设有O型圈三，形成静密封。

在所述的刮油环支撑与液压杆的配合处设有一道组合密封圈五，在氮封刮油环支撑与液压杆配合处设有组合密封圈八。

在所述的氮封密封导向支撑与液压杆配合处设有组合密封圈六、组合密封圈七33、导向带三和导向带四，用来分隔气腔D内的氮气与往复式压缩机气缸内的工艺介质。

在所述氮封装置连接架的侧壁上设有充气口，用来向气腔D中充入一定压力的氮气。

所述的活塞杆和活塞套的材料为铬钼钢，且两者存在硬度差。

所述的滑环的材料为含有碳纤维的聚四氟乙烯。

当电磁阀内部切换至P‐A通路时，油液从进油口进入，流经电磁阀的P‐A通路，并由工作油口流入无杆腔A，驱动活塞杆与液压杆克服杆端处的外部负载力，完成开启动作；

当电磁阀内部切换至A‐T通路时，在负载反力作用下，活塞杆和液压杆沿反方向直线运动并复位，无杆腔A内的油液从工作油口流经电磁阀的A‐T通路，并由出油口返回油箱。

本发明的显著效果在于：

本发明所述的电液执行机构，在密封结构设计上，液压缸使用多重滑环式组合密封圈外加导向环的密封结构，摩擦系数小，耐磨损，密封性能良好，可实现液压油与压缩机气缸内工艺介质的双向密封，无外泄漏。在以上密封结构基础上，设计了氮封装置，可以有效地隔离压缩机气缸内的危险气体。液压缸活塞密封处没有使用密封圈，而是通过配合面之间的微小间隙实现密封，极大地减小了油缸的摩擦阻力，避免了零件间的相互磨损，使液压缸的响应频率、动摩擦力等动态特性和寿命大大提升。在整体结构设计上，液压缸活塞采用分体式设计，零件拆装更为方便，同时改善了活塞的对中性。执行机构采用独特的电磁阀与液压缸一体式设计，无需连接管道，安装简单，整体结构布局更为紧凑，且不易泄漏，同时，提高了系统响应速度。另外，通过液压缸内安装的温度传感器，还可以实时监控压缩机气缸内气体温度，避免氮封装置以及液压杆端处的密封圈因温度过高产生失效，保证了密封结构的可靠性。经试验验证，液压缸开启和关闭时间均小于15ms，能够满足一年不低于8000小时的连续运行，工作稳定。

附图说明

图1为电液执行机构左侧示意图；

图2为电液执行机构右侧示意图；

图3为液压缸结构示意图；

图4为液压缸下缸体密封结构示意图；

图5为图4中I处放大结构示意图。

图中：1‐电磁阀；2‐液压缸；3‐氮封装置；4‐温度传感器；5‐上缸体；6‐下缸体；7‐活塞套；8‐活塞杆；9‐液压杆；10‐密封导向支撑一；11‐密封导向支撑二；12‐密封导向支撑三；13‐刮油环支撑；14‐进油口；15‐工作油口；16‐出油口；17‐泄油口；18‐内六角圆柱头螺钉；19‐紧固螺钉；20‐高压密封圈；21‐O型圈一；22‐O型圈二；23‐O型圈；24‐滑环；25‐导向带一；26‐组合密封圈一；27‐组合密封圈二；28‐组合密封圈三；29‐组合密封圈四；30‐组合密封圈五；31‐导向带二；32‐组合密封圈六；33‐组合密封圈七；34‐导向带三；35‐导向带四；36‐泄气口；37‐组合密封圈八；38‐氮封刮油环支撑；39‐氮封装置连接架；40‐氮封密封导向支撑；41‐充气口；42‐O型圈三；43‐O型圈四。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示的一种用于往复式压缩机气量调节系统的电液执行机构，包括电磁阀1、液压缸2、氮封装置3和温度传感器4。

所述的电磁阀1设于液压缸2的上方，通过四个紧固螺钉19与液压缸2固定连接。在电磁阀1上设有通口A、通口P和通口T。所述的电磁阀1可以选择满足本发明需求的市售的多种型号的产品。

如图3所示，所述的液压缸2包括上缸体5、下缸体6、活塞套7、活塞杆8、液压杆9、密封导向支撑一10、密封导向支撑二11、密封导向支撑三12和刮油环支撑13。

所述的上缸体5设于下缸体6的上方，两者通过内六角圆柱头螺钉18固定连接。在上缸体5内部设有无杆腔A和有杆腔B，无杆腔A和有杆腔B同轴。在上缸体5和下缸体6的连接处设有O型圈一21，实现轴向静密封，防止有杆腔B内的油液外泄。

在上缸体5的上端面上设有工作油口15，与通口A以及无杆腔A连通。在上缸体5的侧面设有进油口14和出油口16，其中进油口14与通口P连通，出油口16与通口T连通。

在上缸体5和下缸体6中沿轴向设有插装通孔，在插装通孔中安装有螺纹插装式温度传感器4，用于测量三个O型圈二22的温度和压缩机气缸内气体温度。

所述的活塞套7设于无杆腔A中，与上缸体5通过螺纹连接，在活塞套7与上缸体5连接处设有高压密封圈20，形成静密封。所述的活塞杆8的一端设于活塞套7内，两者之间存在间隙，活塞杆8的另一端位于有杆腔B内。在液压缸2动作过程中，活塞套7与活塞杆8之间存在相互运动，通过合理设计间隙的长度、宽度，控制其泄漏量以达到密封的目的。当高压油流过间隙时，形成一层油膜，也可以起到润滑和支承的作用。所述的活塞杆8和活塞套7采用动、静摩擦系数小，硬度大，且存在一定硬度差的材料，例如铬钼钢。

在所述活塞杆8的外侧设有环形平衡槽，油液流经平衡槽时，会在槽中形成涡旋，使油液由层流状态转为紊流混合状态并形成阻力屏障，从而对油液形成节流，并使其产生尽可能大的压力损失，减少泄漏。因为零件本身的几何形状和同轴度存在误差，使工作的高压油在密封间隙中不对称分布而形成液压卡紧力，它增大了动密封副间的摩擦力。通过设置平衡槽，使得作用于活塞杆8外侧的径向油压力趋于平衡，活塞杆8与活塞套7能够自动对中，由于同心环缝的泄漏要远比偏心环缝小，密封副零件的对中还可以减少油液的泄漏量，进一步提高密封性能。

在下缸体6的侧面设有泄油口17和泄气口36，泄油口17可将活塞间隙密封处的泄漏油导回油箱。

在下缸体6内由上至下依次设有密封导向支撑一10、密封导向支撑二11和密封导向支撑三12，三者分别通过三个O型圈二22与下缸体6内壁形成三道径向静密封。所述的密封导向支撑一10、密封导向支撑二11和密封导向支撑三12均为中空的圆筒形状，三者同轴。

在密封导向支撑二11的内部设有环形的密封腔C，密封腔C与泄气口36连通。

如图4和图5所示，在所述密封导向支撑一10的内壁设有沟槽一和导向槽一，组合密封圈一26设于沟槽一内，导向带一25设于导向槽一内。在密封导向支撑二11的内壁设有沟槽二和沟槽三，组合密封圈二27设于沟槽二内，组合密封圈三28设于沟槽三内。在密封导向支撑三12内壁设有沟槽四和导向槽二，组合密封圈四29设于沟槽四内，导向带二31设于导向槽二内。所述的导向带一25和导向带二31用于将液压杆9扶正。

在所述密封导向支撑二11的侧壁上设有泄气孔，与下缸体6侧面的泄气口36连通，可回收从组合密封圈二27、组合密封圈三28和组合密封圈四29泄漏的气体以及从组合密封圈一26泄漏的残余油液。

所述的滑环24的材料为含有碳纤维的聚四氟乙烯，该材料摩擦系数低，抗磨损和抗挤压能力强，密封性能好。所述O型圈23的压缩弹性反力为滑环24的滑动密封表面提供保证密封所必须的附加压应力。

所述的刮油环支撑13设于下缸体6的下方出口处，与下缸体6通过螺纹连接。

所述的氮封装置3设于下缸体6的下方，包括氮封刮油环支撑38、氮封装置连接架39和氮封密封导向支撑40。所述的氮封刮油环支撑38、氮封装置连接架39和氮封密封导向支撑40均为中空结构，且三者同轴。其中，在氮封装置连接架39与下缸体6之间还设有O型圈四43，氮封装置连接架39通过紧固螺钉与下缸体6固定连接，同时压紧O型圈四43形成一道轴向静密封，在氮封装置连接架39内设有气腔D。

所述的氮封刮油环支撑38设于氮封装置连接架39的下方，两者通过螺纹连接。

所述的氮封密封导向支撑40设于氮封装置连接架39的内部，在氮封密封导向支撑40与氮封装置连接架39相接处设有O型圈三42，形成静密封。

所述的液压杆9的一端位于有杆腔B内，并与活塞杆8的一端接触，另一端穿过密封导向支撑一10、密封腔C、密封导向支撑二11、密封导向支撑三12、刮油环支撑13、氮封装置连接架39、氮封密封导向支撑40和氮封刮油环支撑38后，位于氮封装置3的下方。

在刮油环支撑13与液压杆9的配合处设有一道组合密封圈五30，在氮封刮油环支撑38与液压杆9配合处设有组合密封圈八37，既能实现液压缸内高压气体的密封，也可以防止外界环境中的尘土、灰砂等污物杂质进入执行机构内部，降低设备的磨损。

在氮封密封导向支撑40与液压杆9配合处设有组合密封圈六32、组合密封圈七33、导向带三34和导向带四35，用来分隔气腔D内的氮气与往复式压缩机气缸内的工艺介质。

所述的组合密封圈一26、组合密封圈二27、组合密封圈三28、组合密封圈四29、组合密封圈五30、组合密封圈六32、组合密封圈七33和组合密封圈八37均由O型圈23和滑环24组成。

在氮封装置连接架39的侧壁上设有充气口41，用来向气腔D中充入一定压力的氮气。

当电磁阀1内部切换至P‐A通路时，油液从进油口14进入，流经电磁阀1的P‐A通路，并由工作油口15流入无杆腔A，驱动活塞杆8与液压杆9克服杆端处的外部负载力，完成开启动作。当电磁阀1内部切换至A‐T通路时，在负载反力作用下，活塞杆8和液压杆9沿反方向直线运动并复位，无杆腔A内的油液从工作油口15流经电磁阀1的A‐T通路，并由出油口16返回油箱。基于以上，完成液压缸2的循环开启和关闭动作。

本发明液压缸活塞密封处采用非接触式特殊结构设计，液压杆处采用滑环式双向组合密封圈外加导向带的密封结构，可实现杆端两侧气体和油液的双向密封，密封性能优异，摩擦阻力小，响应速度快，高频高压工况下可满足调节系统的使用要求。

Claims (10)

1.一种电液执行机构，用于往复式压缩机气量调节系统，其特征在于：包括电磁阀(1)、液压缸(2)、氮封装置(3)和温度传感器(4)；

所述的电磁阀(1)设于液压缸(2)的上方，通过四个紧固螺钉(19)与液压缸(2)固定连接；

在电磁阀(1)上设有通口A、通口P和通口T；

所述的液压缸(2)包括上缸体(5)、下缸体(6)、活塞套(7)、活塞杆(8)、液压杆(9)、密封导向支撑一(10)、密封导向支撑二(11)、密封导向支撑三(12)和刮油环支撑(13)；

所述的上缸体(5)设于下缸体(6)的上方，两者通过内六角圆柱头螺钉(18)固定连接；

在上缸体(5)内部设有无杆腔A和有杆腔B，无杆腔A和有杆腔B同轴；

在上缸体(5)的上端面上设有工作油口(15)，与通口A以及无杆腔A连通；

在上缸体(5)的侧面设有进油口(14)和出油口(16)，其中进油口(14)与通口P连通，出油口(16)与通口T连通；

在上缸体(5)和下缸体(6)中沿轴向设有插装通孔，在插装通孔中安装有螺纹插装式温度传感器(4)；

所述的活塞套(7)设于无杆腔A中，与上缸体(5)通过螺纹连接；

所述的活塞杆(8)的一端设于活塞套(7)内，两者之间存在间隙，活塞杆(8)的另一端位于有杆腔B内；

在所述活塞杆(8)的外侧设有环形平衡槽，油液流经平衡槽时，在槽中形成涡旋，使油液由层流状态转为紊流混合状态并形成阻力屏障；

在下缸体(6)的侧面设有泄油口(17)和泄气口(36)，泄油口(17)可将活塞间隙密封处的泄漏油导回油箱；

在密封导向支撑二(11)的内部设有环形的密封腔C，密封腔C与泄气口(36)连通；

在下缸体(6)内由上至下依次设有密封导向支撑一(10)、密封导向支撑二(11)和密封导向支撑三(12)，三者分别通过三个O型圈二(22)与下缸体(6)内壁形成三道径向静密封；

所述的密封导向支撑一(10)、密封导向支撑二(11)和密封导向支撑三(12)均为中空的圆筒形状，三者同轴；

在所述密封导向支撑一(10)的内壁设有沟槽一和导向槽一，组合密封圈一(26)设于沟槽一内，导向带一(25)设于导向槽一内；

在密封导向支撑二(11)的内壁设有沟槽二和沟槽三，组合密封圈二(27)设于沟槽二内，组合密封圈三(28)设于沟槽三内；

在密封导向支撑三(12)内壁设有沟槽四和导向槽二，组合密封圈四(29)设于沟槽四内，导向带二(31)设于导向槽二内；

在所述密封导向支撑二(11)的侧壁上设有泄气孔，与下缸体(6)侧面的泄气口(36)连通；

所述的刮油环支撑(13)设于下缸体(6)的下方出口处，与下缸体(6)通过螺纹连接；

所述的氮封装置(3)设于下缸体(6)的下方，包括氮封刮油环支撑(38)、氮封装置连接架(39)和氮封密封导向支撑(40)；

所述的氮封刮油环支撑(38)、氮封装置连接架(39)和氮封密封导向支撑(40)均为中空结构，且三者同轴；

在氮封装置连接架(39)与下缸体(6)之间还设有O型圈四(43)，所述的氮封装置连接架(39)通过紧固螺钉与下缸体(6)固定连接，同时压紧O型圈四(43)形成一道轴向静密封，在氮封装置连接架(39)内设有气腔D；

所述的氮封刮油环支撑(38)设于氮封装置连接架(39)的下方，两者通过螺纹连接；

所述的氮封密封导向支撑(40)设于氮封装置连接架(39)的内部；

所述的液压杆(9)的一端位于有杆腔B内，并与活塞杆(8)的一端接触，另一端穿过密封导向支撑一(10)、密封腔C、密封导向支撑二(11)、密封导向支撑三(12)、刮油环支撑(13)、氮封装置连接架(39)、氮封密封导向支撑(40)和氮封刮油环支撑(38)后，位于氮封装置(3)的下方；

所述的组合密封圈一(26)、组合密封圈二(27)、组合密封圈三(28)、组合密封圈四(29)、组合密封圈五(30)、组合密封圈六(32)、组合密封圈七(33)和组合密封圈八(37)均由O型圈(23)和滑环(24)组成。

2.如权利要求1所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述上缸体(5)和下缸体(6)的连接处设有O型圈一(21)，实现轴向静密封，防止有杆腔B内的油液外泄。

3.如权利要求2所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述活塞套(7)与上缸体(5)的连接处设有高压密封圈(20)，形成静密封。

4.如权利要求3所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述氮封密封导向支撑(40)与氮封装置连接架(39)相接处设有O型圈三(42)，形成静密封。

5.如权利要求4所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述的刮油环支撑(13)与液压杆(9)的配合处设有一道组合密封圈五(30)，在氮封刮油环支撑(38)与液压杆(9)配合处设有组合密封圈八(37)。

6.如权利要求5所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述的氮封密封导向支撑(40)与液压杆(9)配合处设有组合密封圈六(32)、组合密封圈七33、导向带三(34)和导向带四(35)，用来分隔气腔D内的氮气与往复式压缩机气缸内的工艺介质。

7.如权利要求6所述的一种电液执行机构，其特征在于：在所述氮封装置连接架(39)的侧壁上设有充气口(41)，用来向气腔D中充入一定压力的氮气。

8.如权利要求7所述的一种电液执行机构，其特征在于：所述的活塞杆(8)和活塞套(7)的材料为铬钼钢，且两者存在硬度差。

9.如权利要求8所述的一种电液执行机构，其特征在于：所述的滑环(24)的材料为含有碳纤维的聚四氟乙烯。

10.如权利要求9所述的一种电液执行机构，其特征在于：当电磁阀(1)内部切换至P-A通路时，油液从进油口(14)进入，流经电磁阀(1)的P-A通路，并由工作油口(15)流入无杆腔A，驱动活塞杆(8)与液压杆(9)克服杆端处的外部负载力，完成开启动作；

当电磁阀(1)内部切换至A-T通路时，在负载反力作用下，活塞杆(8)和液压杆(9)沿反方向直线运动并复位，无杆腔A内的油液从工作油口(15)流经电磁阀(1)的A-T通路，并由出油口(16)返回油箱。