基于SolidWorks的移動(dòng)式潔凈壓縮空氣分氣缸設(shè)計(jì)與建模

郭佩超，吳志超，何順權(quán)，楊超然，楊 磊

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所，云南 昆明 654000)

0 引言

隨著全球疫情的肆虐，疫苗的研發(fā)和生產(chǎn)成為重中之重，而潔凈壓縮空氣作為輔助氣源，其使用范圍也越來越廣，同時(shí)對(duì)潔凈壓縮空氣的潔凈度要求也越來越高。水潤(rùn)滑無油螺桿空壓機(jī)產(chǎn)出6～8 Pa的潔凈壓縮空氣，經(jīng)壓縮空氣管道運(yùn)輸至各個(gè)使用點(diǎn)，為疫苗生產(chǎn)和科研提供氣源動(dòng)力。在實(shí)際疫苗生產(chǎn)過程中，由于增加生產(chǎn)設(shè)備或者改變工藝流程，需要增加很多壓縮空氣使用點(diǎn)，對(duì)于這種情況，移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸應(yīng)運(yùn)而生，一方面可以避免因房間改造鋪設(shè)壓縮空氣管而破壞房間潔凈度，造成產(chǎn)品污染；另一方面可以根據(jù)房間潔凈壓縮空氣使用點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于分氣缸的緩沖和儲(chǔ)存，可以避免因大量用氣而造成壓力波動(dòng)而對(duì)設(shè)備造成影響?；谝陨锨闆r，故做此創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為疫苗生產(chǎn)和科研的潔凈壓縮空氣氣源提供技術(shù)保障。

1 工作原理

移動(dòng)式潔凈壓縮空氣分氣缸，其主體結(jié)構(gòu)為分氣缸，以潔凈壓縮空氣為動(dòng)力來源，通過進(jìn)氣-儲(chǔ)氣-出氣的工作模式，通過控制分氣缸出氣口的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)設(shè)備潔凈壓縮空氣使用的數(shù)量要求，同時(shí)因其可移動(dòng)的支架結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要移動(dòng)分氣缸，大大提高了利用率。其分氣缸結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 分氣缸結(jié)構(gòu)原理圖

1端連接潔凈壓縮空氣，2端共有22個(gè)出氣口并連接橡膠皮管，潔凈壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入分氣缸，在設(shè)備連接壓縮空氣端口時(shí)，操作者根據(jù)實(shí)際情況，選擇性的打開出氣口開關(guān)。因?yàn)閴嚎s空氣經(jīng)三級(jí)過濾器過濾，因此其懸浮粒子數(shù)和浮游菌等指標(biāo)滿足疫苗生產(chǎn)和科研的使用要求，也能保證廠房潔凈度的要求。

2 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸設(shè)計(jì)

移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸不僅占地空間小，而且可以根據(jù)后端設(shè)備壓縮空氣的使用要求，能最大限度的利用潔凈壓縮空氣。下面將對(duì)移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 壓縮空氣分氣缸尺寸的確定

移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的核心部件是分氣缸，其作用是降低壓縮空氣系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，保證儲(chǔ)氣系統(tǒng)能平穩(wěn)、連續(xù)的供氣，確保供氣效率和質(zhì)量。壓縮空氣由空壓機(jī)產(chǎn)出，由空壓站接至使用點(diǎn)，進(jìn)入分氣缸(1個(gè)進(jìn)口，24個(gè)出口)。在設(shè)備運(yùn)行過程中，由于有的操作為間歇用氣，會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣用氣量波動(dòng)，因此，要選擇1個(gè)合適容器的分氣缸，最大限制的降低氣量波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備造成的影響。下面就以CompAir 37H空壓機(jī)為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)選型：

2.1.1 容積的確定

壓縮空氣由CompAir 37H空壓機(jī)產(chǎn)出，壓力范圍為0.6～0.8 MPa，為保證潔凈壓縮空氣供應(yīng)的效果，要求出氣口流量為0.1 Nm3/min，等效于每開啟1個(gè)出氣口，進(jìn)氣口與出氣口相比流量波動(dòng)為0.1 Nm3/min，由于壓力波動(dòng)不大，近似按照恒壓恒流量考慮。

為了保證后端設(shè)備的正常使用，分氣缸出口壓力不得低于0.4 MPa。空壓機(jī)到移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的供氣管線總長(zhǎng)為100 m，空壓機(jī)恒壓控制響應(yīng)延遲時(shí)間取15 s，流速取10 m/s，因此：流量延遲時(shí)間t1=100/10=10 s；壓力降低到波動(dòng)壓力時(shí)供氣時(shí)間為t=25 s，

又因?yàn)椋篠=ΔQ=0.1 Nm3/min

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101 325 Pa；P1為起始?jí)毫Γ】諌簷C(jī)供氣壓力0.7 MPa；P2為終點(diǎn)壓力，即出口壓力0.4 MPa；S為供氣流量，取0.1 Nm3/min；t為供氣流量延遲時(shí)間(min)。

代入公式求得：

即：移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的容積不得小于0.014 m3即可滿足使用要求。

在進(jìn)行分氣缸材料選擇時(shí)，可以采用Φ168無縫鋼管作為分氣缸制作耗材，由于容積不得小于0.014 m3，所以h取70 cm，即：

因?yàn)椋篤1>V

所以，采用304Φ168無縫鋼管，h=70 cm滿足使用要求。

2.1.2 壁厚的確定

由于空壓機(jī)產(chǎn)出壓縮空氣壓力范圍為0.6～0.8 MPa，取P=0.6 MPa；根據(jù)國標(biāo)GB8163，查得304無縫鋼管許用應(yīng)力為σt=137 MPa ，由此可得：

因此，移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的分氣缸壁厚不得小于0.372 26 mm，根據(jù)上述確定的材料為304Φ168無縫鋼管壁厚，壁厚滿足使用要求。

2.1.3 進(jìn)氣管道管徑確定

根據(jù)以上可知，空壓機(jī)壓力范圍為0.6～0.8 MPa，取0.6 MPa；壓縮空氣平均流速為u=10 m/s；壓縮空氣容積流量為 。

因此，分氣缸進(jìn)氣管道管徑為：

即：進(jìn)氣口管道管徑d不得小于9.21 mm即可滿足使用需求，取d=15 mm。

綜上，在保證后端設(shè)備正常使用的情況下，采用304Φ168不銹鋼無縫鋼管作為分氣缸，壁厚選取0.5 mm，進(jìn)氣口管道直徑d為15 mm即可滿足使用要求。

2.2 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸三維設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸主體結(jié)構(gòu)分氣缸的設(shè)計(jì)，計(jì)算得到其各個(gè)部分的具體尺寸。同時(shí)，為了提高移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的機(jī)動(dòng)性和便捷性，在固定分氣缸的底座裝置決定采用車輪結(jié)構(gòu)，這不僅能提高壓縮空氣分氣缸的可移動(dòng)性，而且操作者可根據(jù)具體的工作情況，隨意移動(dòng)壓縮空氣分氣缸進(jìn)行操作。下面將對(duì)移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸進(jìn)行三維建模，對(duì)分氣缸和底座支架進(jìn)行詳細(xì)介紹，確定移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的三維結(jié)構(gòu)。

2.2.1 分氣缸三維建模

利用SolidWorks三維建模功能和計(jì)算設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 分氣缸建模圖

2.2.2 分氣缸的功能

根據(jù)分氣缸的尺寸和結(jié)構(gòu)，在分氣缸上設(shè)置有缸體壓力表、壓力傳感器和取樣口；在出氣端口配備電磁閥；可直觀查看分氣缸氣體工作壓力，在取樣口可檢測(cè)壓縮空氣質(zhì)量：懸浮粒子數(shù)、含水量、含油量、浮游菌數(shù)等。如下圖3所示：

圖3 底座支架示意圖

2.2.3 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸三維自控裝配

根據(jù)對(duì)移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的三維建模，確定了分氣缸和底座支架的具體尺寸。底座支架底部設(shè)置4個(gè)萬向輪，方便移動(dòng)；同時(shí)車輪安裝座的一端設(shè)置有固定座和限位塊，在到達(dá)使用位置后可以支架穩(wěn)定支撐分氣缸工作；同時(shí)對(duì)分氣缸固定方式進(jìn)行優(yōu)化，通過卡箍以硅膠墊固定分氣缸，卡箍開口處設(shè)置緊固螺桿，螺桿內(nèi)安裝彈簧，既能保證分氣缸的固定，由滿足方便快速拆裝的需求。該移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸具有方便移動(dòng)、固定穩(wěn)定、方便快速拆裝的優(yōu)點(diǎn)，滿足生產(chǎn)科研對(duì)可移動(dòng)式分氣缸使用的需求。

同時(shí)，將裝備的壓力傳感器、電磁閥與自控系統(tǒng)相配合，可實(shí)現(xiàn)該分氣缸的自動(dòng)切換功能。通過選擇手動(dòng)按鈕或者點(diǎn)擊觸摸屏，可選擇供氣通道，其自控模型如下圖4所示。

圖4 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸自控裝配圖

3 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的測(cè)試及應(yīng)用

基于移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工作需要，根據(jù)用SolidWorks三維建模功能和計(jì)算設(shè)計(jì)的尺寸，作者及團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一款移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試后投入到實(shí)際應(yīng)用中。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸參數(shù)

安裝完成后，在設(shè)計(jì)的取樣口對(duì)分氣缸供應(yīng)的壓縮空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為A級(jí)潔凈級(jí)別，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 壓縮空氣質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)取樣檢測(cè)結(jié)果可看出，使用移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的方法增加壓縮空氣使用點(diǎn)，未對(duì)壓縮空氣質(zhì)量造成污染，有效保證了壓縮空氣的質(zhì)量。

同時(shí)注意到，在上游壓縮空氣源以7.0 Pa為設(shè)定壓力持續(xù)供應(yīng)的情況下，即使供氣壓力輕微波動(dòng)，后端用氣設(shè)備的運(yùn)行消耗并未對(duì)分氣缸壓力造成影響，其壓力始終保持在5.5 Pa～6.0 Pa的范圍內(nèi)，分氣缸對(duì)用氣設(shè)備的氣體供應(yīng)的穩(wěn)定性顯著。

本次增加壓縮空氣使用點(diǎn)的改造中，采用移動(dòng)式分氣缸的方式，安裝前對(duì)分氣缸表面采用75%過濾酒精進(jìn)行噴灑、擦拭消毒后轉(zhuǎn)移至潔凈廠房?jī)?nèi)，未對(duì)潔凈廠房的潔凈度造成影響，無需對(duì)增加設(shè)備的區(qū)域進(jìn)行潔凈度檢測(cè)。

4 結(jié)論

基于SolidWorks軟件的三維建模，簡(jiǎn)化了移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計(jì)難度，保證了分氣缸參數(shù)尺寸的有效性，為潔凈壓縮空氣的結(jié)構(gòu)和安裝提供了一種新的思路和方法。移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計(jì)使用，經(jīng)過測(cè)試使用及氣體質(zhì)量檢測(cè)，無需對(duì)房間進(jìn)行打孔、主管道的切割、焊接的傳統(tǒng)方法，既能避免改造過程中對(duì)供氣管道、潔凈區(qū)域及房間造成污染及壓差變化，同時(shí)也省去了改造后的恢復(fù)及改造區(qū)域的潔凈度檢測(cè)，降低了改造成本。得力于移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的機(jī)動(dòng)性，其安裝、拆卸都顯得十分便捷。

移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的成功應(yīng)用，已證明其實(shí)用性是可行的。其與自控系統(tǒng)的深度結(jié)合，將會(huì)使其應(yīng)用性更廣，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的工況及滿足更高的要求。移動(dòng)式壓縮空氣分氣缸的自動(dòng)化控制，也將成為下一步的研究方向。