往復(fù)式壓縮機(jī)閥片材質(zhì)選擇的變革

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往復(fù)式(活塞式)壓縮機(jī)對(duì)工業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，特別是在制冷領(lǐng)域的設(shè)備中。其中壓縮機(jī)核心的零件是氣閥，閥片作為氣閥的重要組成部分，由于承擔(dān)著反復(fù)的載荷、腐蝕性環(huán)境、高壓和高溫等因素的影響，它的壽命決定壓縮機(jī)的故障維修時(shí)間。所以，閥片材質(zhì)的選擇是影響到氣閥可靠性的關(guān)鍵因素之一。

往復(fù)式壓縮機(jī)閥片材質(zhì)選擇的變革

圖1：氣閥的結(jié)構(gòu)圖

壓縮機(jī)閥片對(duì)材料的要求

n  高韌性：閥片需要具有較高的韌性，當(dāng)承受到?jīng)_擊力量時(shí)，能夠吸收一定的熱量，或者當(dāng)有裂紋產(chǎn)生，能夠阻止裂紋繼續(xù)拓展。

n 抗疲勞：閥片需要承受高頻率的往復(fù)沖擊，所以閥片需要具有優(yōu)異的抗疲勞性能。

n 耐磨：閥片需要具有較好的耐磨性能，在運(yùn)動(dòng)過程中，堅(jiān)守閥片與升程限制器導(dǎo)向凸臺(tái)接觸的摩擦損耗。

n 耐腐蝕：能夠承受多種腐蝕環(huán)境，避免因?yàn)楦g導(dǎo)致材料強(qiáng)度減弱，進(jìn)而發(fā)生脆斷。

n 耐高溫：在高溫下仍能夠保持優(yōu)良性能。

n 尺寸穩(wěn)定性：在高溫下依然能夠保持尺寸穩(wěn)定性，保證氣閥的密閉性。

壓縮機(jī)閥片的材質(zhì)變革

早期，壓縮機(jī)閥片的材質(zhì)為金屬，金屬價(jià)格低廉，能夠承受高溫、高壓，但是在強(qiáng)

腐蝕環(huán)境里，性能降低，或者因?yàn)楦g產(chǎn)生

凹坑，影響到氣密性。氫脆是金屬閥片的有一個(gè)缺點(diǎn)，會(huì)大幅度降低閥片的壽命。在壓縮易燃、易爆氣體時(shí)如果使用金屬閥片，閥片在工作時(shí)容易產(chǎn)生火花，引發(fā)事故。此外，腐蝕后斷裂的閥片的碎屑也會(huì)對(duì)設(shè)備內(nèi)部其他部件產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。

在上個(gè)世紀(jì)60年代，有聚合物被嘗試替代金屬材料應(yīng)用于閥片材料。其中嘗試的聚合物材料有尼龍、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺酰亞胺。他們都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體如下：

由于聚醚醚酮具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐磨性能、耐高溫、耐腐蝕性能，被認(rèn)為是很好的閥片材料。在20世紀(jì)90年代，中國每年需要進(jìn)口閥片材料需要花費(fèi)5000萬元。近年來，隨著聚醚醚酮生產(chǎn)量的逐步提升，銷售價(jià)格的降低，使用量和需求量也逐步增長(zhǎng)。

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為什么聚醚醚酮是適合的閥片材料呢?

兩種物體相撞，撞擊能量全部由撞擊物體吸收，接觸的應(yīng)力公式如下：

σ=v(3Eρ)1/2

其中v為撞擊速度，E為彈性模量，ρ為撞擊物密度。

從公式可以看出，撞擊應(yīng)力與撞擊物的模量以及密度呈現(xiàn)正比關(guān)系。

PEEK的密度小，彈性模量比金屬小，在撞擊速度相同時(shí)，接觸應(yīng)力要比金屬閥片小得多。

此外，聚醚醚酮的機(jī)械性能優(yōu)異，抗沖擊性能優(yōu)良。缺口不敏感，即使產(chǎn)生裂紋，裂紋發(fā)展的速度也較慢。

聚醚醚酮的抗疲勞性能是金屬的2倍以上。

聚醚醚酮表面較難粘附微小異物，所以不會(huì)因?yàn)槲⑿‘愇锂a(chǎn)生斷裂，進(jìn)而影響到系統(tǒng)內(nèi)的其他部件磨損加快。

聚醚醚酮的耐磨性能優(yōu)良。

聚醚醚酮的耐腐蝕性能優(yōu)異，在高溫環(huán)境下依然能夠保持較強(qiáng)的耐腐蝕性能。

適用聚醚醚酮能耗較低，因?yàn)榫勖衙淹拿芏葍H為1.3g/cm3，可以減少因?yàn)樽矒舢a(chǎn)生的功率消耗。同時(shí)也因?yàn)槊芏鹊?，噪音更小?/span>

不能使用聚醚醚酮的工作環(huán)境

當(dāng)氣閥的壓差超過22.5MPa,排氣溫度同時(shí)高于250℃環(huán)境時(shí)，不能使用聚醚醚酮。

不能使用含有氧氣或氯氣的壓縮機(jī)。

聚醚醚酮的熱膨脹系數(shù)較大，對(duì)尺寸精度要求非常高的環(huán)境不能適用聚醚醚酮。

閥片材質(zhì)的型號(hào)選擇

由于閥片的應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)選擇高強(qiáng)度的復(fù)合材料，一般增加聚醚醚酮的強(qiáng)度，可選擇玻璃纖維和碳纖維復(fù)合的聚醚醚酮材料。

在威格斯高性能材料貿(mào)易(上海)有限公司和上海環(huán)天壓縮機(jī)有限公司參加起草，臺(tái)州環(huán)天機(jī)械有限公司起草的《JB/T  12952-2016往復(fù)活塞壓縮機(jī)用聚醚醚酮(PEEK)閥片》標(biāo)準(zhǔn)中閥片采用的原材料為威格斯的450GL30和450GL30black(對(duì)應(yīng)中研股份770GL30和770GL30H)，具體性能如下：

1材料的密度范圍為1.49-1.53

2 拉伸強(qiáng)度應(yīng)大于等于165MPa

3 彎曲強(qiáng)度應(yīng)大于等于245MPa

4彎曲模量應(yīng)大于等于7.6GPa

5 懸臂梁沖擊強(qiáng)度應(yīng)大于7.5kJ/m2

6 結(jié)晶度應(yīng)不低于30%。

最初應(yīng)用到閥片材料的聚醚醚酮為30%玻璃纖維添加的聚醚醚酮，該材料的使用壽命是金屬閥片的12倍。

中研股份的30%添加玻璃纖維(770GL30)和30%碳纖維(770CA30)的性能數(shù)據(jù)對(duì)比如下：

吉林省中研高分子材料股份有限公司從性能上看，兩種型號(hào)各有利弊，但是對(duì)于閥片，耐沖擊性能是很關(guān)鍵的性能，因?yàn)殚y片的壽命主要取決于沖擊斷裂的時(shí)間。所以770GL30應(yīng)比770CA30更適合于閥片專用料。

吉林省中研高分子材料股份有限公司

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