张成彦，谭跃进，李金禄，姜慧君，李小仨

（合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥  230031）

摘要：介绍了吸附式压缩空气干燥器用组合换向阀的主要性能和工作原理，具有自动切换功能，能够替代原有的四阀结构，分析了组合换向阀的结构特点及加工工艺要点。该产品已获得发明专利(专利号: ZL 2015 1 0051965.8)。

关键词：吸附；干燥器；组合换向阀

1 概述

在吸附式压缩空气干燥器、变压吸附制氮机等设备的工作原理中，进气部分一般为四阀结构。该结构占用空间大、笨重，在高压设备中更为明显，针对高压吸附式干燥器的减重要求，发明了组合换向阀，该阀能够代替原有的四阀结构，结构简单、重量轻、可靠性高，传统四阀结构与组合换向阀结构的吸附式干燥器工作原理图见图1。传统四阀结构与组合换向阀结构实物对比见图2，由图2可以看出，组合换向阀结构不仅替代了四个阀，而且减少了四个气动执行装置，体积和重量降低了很多。

图1 传统四阀结构与组合换向阀结构工作原理对比图

图2 传统四阀结构与组合换向阀结构实物对比图

2 基本参数

该组合换向阀设计之初主要针对的是高压空气干燥过滤装置的减重问题，其具体参数包括适用介质：压缩空气；工作压力：15MPa；工作流量：50m³/h；驱动方式：低压压缩空气直接驱动柱塞，压力0.8MPa；主体材料：316SS；主要密封材料：氟橡胶O型圈、四氟垫。后期可以针对不同压力和流量的吸附式压缩空气干燥器和变压吸附制氮机进行重新设计，以满足不同应用场合的需求。

3 工作原理

吸附式压缩空气干燥器在一个完整工作周期中，共有四种状态，即A塔工作，B塔再生；A塔工作，B塔升压；B塔工作，A塔再生；B塔工作，A塔升压。组合换向阀的功能就是要能够实现这四种工作状态，其工作状态的转换则是通过均压阀柱塞和主换向阀柱塞的动作来实现的。如图3所示，此时柱塞状态实现的是A塔工作，B塔升压过程，具体流程为：进气经换向阀导向套2 (9)及与主换向阀柱塞（8）的联通部位进入A塔；此时均压阀柱塞（1、3）处于压紧泄放垫（密封）、脱离均压垫（联通）状态，A塔的高压空气通过换向阀导向套1 (6)及与主换向阀柱塞（8）的联通部位、阀体（10）上的工艺孔、均压阀导向套1（2）、均压阀导向套2（4）、均压阀柱塞（1、3）进行联通，完成均压（即A塔气到B塔）的过程。当A塔工作，B塔再生时，主换向阀柱塞（8）状态不变，均压阀柱塞（1、3）处于脱离泄放垫（联通）、压紧均压垫（密封）状态，使B塔不再与A塔联通，而是与消音器联通，完成泄放并进入再生状态。

B塔工作、A塔再生和B塔工作、A塔升压的状态与之相反，即主换向阀柱塞（8）进行了切换而已。

1.均压阀柱塞1  2.均压阀导向套1  3.均压阀柱塞2 

4.均压阀导向套2  5.均压阀导向套3  6.换向阀导向套1

7.O型圈  8.主换向阀柱塞  9.换向阀导向套2  10.阀体

图3 组合换向阀结构图

4 设计

密封设计：组合换向阀内既有高压气又有低压气，而且在柱塞的运动过程中又分四种状态，所以其内部密封点很多而且要求高。阀体的端面采用橡胶垫和O型圈：具体是柱塞的大头侧孔间隙小，采用O型圈密封；柱塞小头侧有工艺孔，所以使用橡胶垫密封。工艺孔使用密封胶或密封垫密封：具体是柱塞小头侧工艺孔采用螺纹密封胶和堵头密封，密封后一般不再拆卸；连通导向套、阀体空间的工艺孔使用带密封垫的堵头密封。阀体端面和工艺孔是阀体内部气和外部之间的密封，全部为静密封。导向套与阀体的密封也为静密封，全部采用O型圈，但这里的O型圈会承受交变压力，所以O型圈的材质选择尤为重要。柱塞和导向套密封为动密封，使用O型圈密封（O型圈两面加挡圈或采用双O型圈结构，避免或减少在柱塞运动过程中对O型圈造成损伤)。均压和泄放处采用锥面和四氟垫密封，这两处在均压阀柱塞运动过程中或密封或联通。柱 塞 尺 寸： 柱 塞 两 端 为低 压控制气，仅 为0.8MPa，而中间会通过高压气（15MPa），另外，在柱塞运动过程中还需要克服柱塞、O型圈与导向套的阻力，为保证柱塞的顺利移动，需保证低压气端面的面积。低压气端面的面积过大，会造成组合换向阀体积成倍增大；低压气端面的面积过小，则柱塞在移动过程中不畅，甚至造成移动不到位，不能起到换向的作用。均压孔：均压孔的尺寸直接关系到均压能否顺利完成，均压孔尺寸太小，均压时间过长，均压孔尺寸太大，均压过程太快，容易造成压力冲击，不利于设备的可靠运行，对分子筛、零部件以及密封件都会造成冲击。此组合换向阀内部为高压气，且流量低，所需均压孔很小，最终采用线切割的方式加工四个小缝隙即可。

5 主要加工难点及要点

（1）阀体：阀体是整个组合换向阀的关键部件，所有柱塞、导向套全部安装在其内部，如果加工精度不够，会造成导向套及柱塞无法安装到位、不能密封、柱塞阻力增大、导向套上O型圈易损坏等各种问题。在加工过程中，一定要保证两个导向套安装孔的加工，不同直径部位的同轴度要求、与端面的垂直度要求等都极为重要。密封面及各工艺孔内要无毛刺，内部需要清理干净。由于是高压压缩空气，装配前，需要做耐压试验。

（2）柱塞、导向套：柱塞和导向套的加工主要考虑各密封面尺寸、垂直度。主换向阀柱塞移动范围大，容易卡死；均压阀柱塞是两部分单独加工然后组合到一起，更要控制好加工精度。

（3）线切割、电火花加工工艺：工艺孔孔径小、深度大，而且要求阀体内不能产生毛刺等，不宜采用钻孔方式，采用电火花加工工艺；均压阀导向套上的均压孔很小，采用线切割加工小细缝的方式。

6 结语

该组合换向阀在设计完成并按加工工艺制造出首个产品之后，就做了快速切换试验，模拟了满足8000小时运行时间的正常切换。目前已生产上百套，在使用过程中，性能良好，完全能够替代之前的四阀结构。该 组 合 换 向 阀 在 设 计 时 考 虑 的 是 工 作 压 力15MPa、工作流量50m³/h的吸附式压缩空气干燥器的工作状态，但在低压压缩空气和空分设备中，可以根据参数进行重新设计，可以满足设备工作的需要。

参考文献：

[1]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社，1992．

[2]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2003．

[3]李金禄,姜慧君,李小仨等.船用压缩空气净化设备的设计与试验[J].中国设备工程,2017,(09):169-170,172.