基于SolidWorks的移動式潔凈壓縮空氣分氣缸設計與建模

郭佩超，吳志超，何順權，楊超然，楊 磊

(中國醫學科學院醫學生物學研究所，云南 昆明 654000)

0 引言

隨著全球疫情的肆虐，疫苗的研發和生產成為重中之重，而潔凈壓縮空氣作為輔助氣源，其使用范圍也越來越廣，同時對潔凈壓縮空氣的潔凈度要求也越來越高。水潤滑無油螺桿空壓機產出6～8 Pa的潔凈壓縮空氣，經壓縮空氣管道運輸至各個使用點，為疫苗生產和科研提供氣源動力。在實際疫苗生產過程中，由于增加生產設備或者改變工藝流程，需要增加很多壓縮空氣使用點，對于這種情況，移動式壓縮空氣分氣缸應運而生，一方面可以避免因房間改造鋪設壓縮空氣管而破壞房間潔凈度，造成產品污染；另一方面可以根據房間潔凈壓縮空氣使用點的數量進行設計，由于分氣缸的緩沖和儲存，可以避免因大量用氣而造成壓力波動而對設備造成影響?；谝陨锨闆r，故做此創新設計，為疫苗生產和科研的潔凈壓縮空氣氣源提供技術保障。

1 工作原理

移動式潔凈壓縮空氣分氣缸，其主體結構為分氣缸，以潔凈壓縮空氣為動力來源，通過進氣-儲氣-出氣的工作模式，通過控制分氣缸出氣口的數量，實現廠房內設備潔凈壓縮空氣使用的數量要求，同時因其可移動的支架結構，可以根據需要移動分氣缸，大大提高了利用率。其分氣缸結構原理示意圖如圖1所示。

圖1 分氣缸結構原理圖

1端連接潔凈壓縮空氣，2端共有22個出氣口并連接橡膠皮管，潔凈壓縮空氣經進氣口進入分氣缸，在設備連接壓縮空氣端口時，操作者根據實際情況，選擇性的打開出氣口開關。因為壓縮空氣經三級過濾器過濾，因此其懸浮粒子數和浮游菌等指標滿足疫苗生產和科研的使用要求，也能保證廠房潔凈度的要求。

2 移動式壓縮空氣分氣缸設計

移動式壓縮空氣分氣缸不僅占地空間小，而且可以根據后端設備壓縮空氣的使用要求，能最大限度的利用潔凈壓縮空氣。下面將對移動式壓縮空氣分氣缸進行詳細的介紹。

2.1 壓縮空氣分氣缸尺寸的確定

移動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的壓力波動，保證儲氣系統能平穩、連續的供氣，確保供氣效率和質量。壓縮空氣由空壓機產出，由空壓站接至使用點，進入分氣缸(1個進口，24個出口)。在設備運行過程中，由于有的操作為間歇用氣，會導致壓縮空氣用氣量波動，因此，要選擇1個合適容器的分氣缸，最大限制的降低氣量波動對系統及設備造成的影響。下面就以CompAir 37H空壓機為例，進行設計選型：

2.1.1 容積的確定

壓縮空氣由CompAir 37H空壓機產出，壓力范圍為0.6～0.8 MPa，為保證潔凈壓縮空氣供應的效果，要求出氣口流量為0.1 Nm3/min，等效于每開啟1個出氣口，進氣口與出氣口相比流量波動為0.1 Nm3/min，由于壓力波動不大，近似按照恒壓恒流量考慮。

為了保證后端設備的正常使用，分氣缸出口壓力不得低于0.4 MPa?？諌簷C到移動式壓縮空氣分氣缸的供氣管線總長為100 m，空壓機恒壓控制響應延遲時間取15 s，流速取10 m/s，因此：流量延遲時間t1=100/10=10 s；壓力降低到波動壓力時供氣時間為t=25 s，

又因為：S=ΔQ=0.1 Nm3/min

式中：P0為標準大氣壓，取101 325 Pa；P1為起始壓力，取空壓機供氣壓力0.7 MPa；P2為終點壓力，即出口壓力0.4 MPa；S為供氣流量，取0.1 Nm3/min；t為供氣流量延遲時間(min)。

代入公式求得：

即：移動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。

在進行分氣缸材料選擇時，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：

因為：V1>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

由于空壓機產出壓縮空氣壓力范圍為0.6～0.8 MPa，取P=0.6 MPa；根據國標GB8163，查得304無縫鋼管許用應力為σt=137 MPa ，由此可得：

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

2.1.3 進氣管道管徑確定

根據以上可知，空壓機壓力范圍為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，分氣缸進氣管道管徑為：

即：進氣口管道管徑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，進氣口管道直徑d為15 mm即可滿足使用要求。

2.2 移動式壓縮空氣分氣缸三維設計

根據對移動式壓縮空氣分氣缸主體結構分氣缸的設計，計算得到其各個部分的具體尺寸。同時，為了提高移動式壓縮空氣分氣缸的機動性和便捷性，在固定分氣缸的底座裝置決定采用車輪結構，這不僅能提高壓縮空氣分氣缸的可移動性，而且操作者可根據具體的工作情況，隨意移動壓縮空氣分氣缸進行操作。下面將對移動式壓縮空氣分氣缸進行三維建模，對分氣缸和底座支架進行詳細介紹，確定移動式壓縮空氣分氣缸的三維結構。

2.2.1 分氣缸三維建模

利用SolidWorks三維建模功能和計算設計的尺寸進行建模，如圖2所示。

圖2 分氣缸建模圖

2.2.2 分氣缸的功能

根據分氣缸的尺寸和結構，在分氣缸上設置有缸體壓力表、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，在取樣口可檢測壓縮空氣質量：懸浮粒子數、含水量、含油量、浮游菌數等。如下圖3所示：

圖3 底座支架示意圖

2.2.3 移動式壓縮空氣分氣缸三維自控裝配

根據對移動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。底座支架底部設置4個萬向輪，方便移動；同時車輪安裝座的一端設置有固定座和限位塊，在到達使用位置后可以支架穩定支撐分氣缸工作；同時對分氣缸固定方式進行優化，通過卡箍以硅膠墊固定分氣缸，卡箍開口處設置緊固螺桿，螺桿內安裝彈簧，既能保證分氣缸的固定，由滿足方便快速拆裝的需求。該移動式壓縮空氣分氣缸具有方便移動、固定穩定、方便快速拆裝的優點，滿足生產科研對可移動式分氣缸使用的需求。

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

圖4 移動式壓縮空氣分氣缸自控裝配圖

3 移動式壓縮空氣分氣缸的測試及應用

基于移動式壓縮空氣分氣缸的設計理論基礎，結合實際工作需要，根據用SolidWorks三維建模功能和計算設計的尺寸，作者及團隊設計出了一款移動式壓縮空氣分氣缸，并對其進行了測試后投入到實際應用中。相關參數如表1所示。

表1 移動式壓縮空氣分氣缸參數

安裝完成后，在設計的取樣口對分氣缸供應的壓縮空氣質量進行檢測，檢測標準為A級潔凈級別，檢測結果如表2所示。

表2 壓縮空氣質量檢測數據

根據取樣檢測結果可看出，使用移動式壓縮空氣分氣缸的方法增加壓縮空氣使用點，未對壓縮空氣質量造成污染，有效保證了壓縮空氣的質量。

同時注意到，在上游壓縮空氣源以7.0 Pa為設定壓力持續供應的情況下，即使供氣壓力輕微波動，后端用氣設備的運行消耗并未對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，分氣缸對用氣設備的氣體供應的穩定性顯著。

本次增加壓縮空氣使用點的改造中，采用移動式分氣缸的方式，安裝前對分氣缸表面采用75%過濾酒精進行噴灑、擦拭消毒后轉移至潔凈廠房內，未對潔凈廠房的潔凈度造成影響，無需對增加設備的區域進行潔凈度檢測。

4 結論

基于SolidWorks軟件的三維建模，簡化了移動式壓縮空氣分氣缸的設計難度，保證了分氣缸參數尺寸的有效性，為潔凈壓縮空氣的結構和安裝提供了一種新的思路和方法。移動式壓縮空氣分氣缸的設計使用，經過測試使用及氣體質量檢測，無需對房間進行打孔、主管道的切割、焊接的傳統方法，既能避免改造過程中對供氣管道、潔凈區域及房間造成污染及壓差變化，同時也省去了改造后的恢復及改造區域的潔凈度檢測，降低了改造成本。得力于移動式壓縮空氣分氣缸的機動性，其安裝、拆卸都顯得十分便捷。

移動式壓縮空氣分氣缸的成功應用，已證明其實用性是可行的。其與自控系統的深度結合，將會使其應用性更廣，能夠適應更復雜的工況及滿足更高的要求。移動式壓縮空氣分氣缸的自動化控制，也將成為下一步的研究方向。