基于SolidWorks的移动式洁净压缩空气分气缸设计与建模

郭佩超，吴志超，何顺权，杨超然，杨 磊

(中国医学科学院医学生物学研究所，云南 昆明 654000)

0 引言

随着全球疫情的肆虐，疫苗的研发和生产成为重中之重，而洁净压缩空气作为辅助气源，其使用范围也越来越广，同时对洁净压缩空气的洁净度要求也越来越高。水润滑无油螺杆空压机产出6～8 Pa的洁净压缩空气，经压缩空气管道运输至各个使用点，为疫苗生产和科研提供气源动力。在实际疫苗生产过程中，由于增加生产设备或者改变工艺流程，需要增加很多压缩空气使用点，对于这种情况，移动式压缩空气分气缸应运而生，一方面可以避免因房间改造铺设压缩空气管而破坏房间洁净度，造成产品污染；另一方面可以根据房间洁净压缩空气使用点的数量进行设计，由于分气缸的缓冲和储存，可以避免因大量用气而造成压力波动而对设备造成影响。基于以上情况，故做此创新设计，为疫苗生产和科研的洁净压缩空气气源提供技术保障。

1 工作原理

移动式洁净压缩空气分气缸，其主体结构为分气缸，以洁净压缩空气为动力来源，通过进气-储气-出气的工作模式，通过控制分气缸出气口的数量，实现厂房内设备洁净压缩空气使用的数量要求，同时因其可移动的支架结构，可以根据需要移动分气缸，大大提高了利用率。其分气缸结构原理示意图如图1所示。

图1 分气缸结构原理图

1端连接洁净压缩空气，2端共有22个出气口并连接橡胶皮管，洁净压缩空气经进气口进入分气缸，在设备连接压缩空气端口时，操作者根据实际情况，选择性的打开出气口开关。因为压缩空气经三级过滤器过滤，因此其悬浮粒子数和浮游菌等指标满足疫苗生产和科研的使用要求，也能保证厂房洁净度的要求。

2 移动式压缩空气分气缸设计

移动式压缩空气分气缸不仅占地空间小，而且可以根据后端设备压缩空气的使用要求，能最大限度的利用洁净压缩空气。下面将对移动式压缩空气分气缸进行详细的介绍。

2.1 压缩空气分气缸尺寸的确定

移动式压缩空气分气缸的核心部件是分气缸，其作用是降低压缩空气系统的压力波动，保证储气系统能平稳、连续的供气，确保供气效率和质量。压缩空气由空压机产出，由空压站接至使用点，进入分气缸(1个进口，24个出口)。在设备运行过程中，由于有的操作为间歇用气，会导致压缩空气用气量波动，因此，要选择1个合适容器的分气缸，最大限制的降低气量波动对系统及设备造成的影响。下面就以CompAir 37H空压机为例，进行设计选型：

2.1.1 容积的确定

压缩空气由CompAir 37H空压机产出，压力范围为0.6～0.8 MPa，为保证洁净压缩空气供应的效果，要求出气口流量为0.1 Nm3/min，等效于每开启1个出气口，进气口与出气口相比流量波动为0.1 Nm3/min，由于压力波动不大，近似按照恒压恒流量考虑。

为了保证后端设备的正常使用，分气缸出口压力不得低于0.4 MPa。空压机到移动式压缩空气分气缸的供气管线总长为100 m，空压机恒压控制响应延迟时间取15 s，流速取10 m/s，因此：流量延迟时间t1=100/10=10 s；压力降低到波动压力时供气时间为t=25 s，

又因为：S=ΔQ=0.1 Nm3/min

式中：P0为标准大气压，取101 325 Pa；P1为起始压力，取空压机供气压力0.7 MPa；P2为终点压力，即出口压力0.4 MPa；S为供气流量，取0.1 Nm3/min；t为供气流量延迟时间(min)。

代入公式求得：

即：移动式压缩空气分气缸的容积不得小于0.014 m3即可满足使用要求。

在进行分气缸材料选择时，可以采用Φ168无缝钢管作为分气缸制作耗材，由于容积不得小于0.014 m3，所以h取70 cm，即：

因为：V1>V

所以，采用304Φ168无缝钢管，h=70 cm满足使用要求。

2.1.2 壁厚的确定

由于空压机产出压缩空气压力范围为0.6～0.8 MPa，取P=0.6 MPa；根据国标GB8163，查得304无缝钢管许用应力为σt=137 MPa ，由此可得：

因此，移动式压缩空气分气缸的分气缸壁厚不得小于0.372 26 mm，根据上述确定的材料为304Φ168无缝钢管壁厚，壁厚满足使用要求。

2.1.3 进气管道管径确定

根据以上可知，空压机压力范围为0.6～0.8 MPa，取0.6 MPa；压缩空气平均流速为u=10 m/s；压缩空气容积流量为 。

因此，分气缸进气管道管径为：

即：进气口管道管径d不得小于9.21 mm即可满足使用需求，取d=15 mm。

综上，在保证后端设备正常使用的情况下，采用304Φ168不锈钢无缝钢管作为分气缸，壁厚选取0.5 mm，进气口管道直径d为15 mm即可满足使用要求。

2.2 移动式压缩空气分气缸三维设计

根据对移动式压缩空气分气缸主体结构分气缸的设计，计算得到其各个部分的具体尺寸。同时，为了提高移动式压缩空气分气缸的机动性和便捷性，在固定分气缸的底座装置决定采用车轮结构，这不仅能提高压缩空气分气缸的可移动性，而且操作者可根据具体的工作情况，随意移动压缩空气分气缸进行操作。下面将对移动式压缩空气分气缸进行三维建模，对分气缸和底座支架进行详细介绍，确定移动式压缩空气分气缸的三维结构。

2.2.1 分气缸三维建模

利用SolidWorks三维建模功能和计算设计的尺寸进行建模，如图2所示。

图2 分气缸建模图

2.2.2 分气缸的功能

根据分气缸的尺寸和结构，在分气缸上设置有缸体压力表、压力传感器和取样口；在出气端口配备电磁阀；可直观查看分气缸气体工作压力，在取样口可检测压缩空气质量：悬浮粒子数、含水量、含油量、浮游菌数等。如下图3所示：

图3 底座支架示意图

2.2.3 移动式压缩空气分气缸三维自控装配

根据对移动式压缩空气分气缸的三维建模，确定了分气缸和底座支架的具体尺寸。底座支架底部设置4个万向轮，方便移动；同时车轮安装座的一端设置有固定座和限位块，在到达使用位置后可以支架稳定支撑分气缸工作；同时对分气缸固定方式进行优化，通过卡箍以硅胶垫固定分气缸，卡箍开口处设置紧固螺杆，螺杆内安装弹簧，既能保证分气缸的固定，由满足方便快速拆装的需求。该移动式压缩空气分气缸具有方便移动、固定稳定、方便快速拆装的优点，满足生产科研对可移动式分气缸使用的需求。

同时，将装备的压力传感器、电磁阀与自控系统相配合，可实现该分气缸的自动切换功能。通过选择手动按钮或者点击触摸屏，可选择供气通道，其自控模型如下图4所示。

图4 移动式压缩空气分气缸自控装配图

3 移动式压缩空气分气缸的测试及应用

基于移动式压缩空气分气缸的设计理论基础，结合实际工作需要，根据用SolidWorks三维建模功能和计算设计的尺寸，作者及团队设计出了一款移动式压缩空气分气缸，并对其进行了测试后投入到实际应用中。相关参数如表1所示。

表1 移动式压缩空气分气缸参数

安装完成后，在设计的取样口对分气缸供应的压缩空气质量进行检测，检测标准为A级洁净级别，检测结果如表2所示。

表2 压缩空气质量检测数据

根据取样检测结果可看出，使用移动式压缩空气分气缸的方法增加压缩空气使用点，未对压缩空气质量造成污染，有效保证了压缩空气的质量。

同时注意到，在上游压缩空气源以7.0 Pa为设定压力持续供应的情况下，即使供气压力轻微波动，后端用气设备的运行消耗并未对分气缸压力造成影响，其压力始终保持在5.5 Pa～6.0 Pa的范围内，分气缸对用气设备的气体供应的稳定性显著。

本次增加压缩空气使用点的改造中，采用移动式分气缸的方式，安装前对分气缸表面采用75%过滤酒精进行喷洒、擦拭消毒后转移至洁净厂房内，未对洁净厂房的洁净度造成影响，无需对增加设备的区域进行洁净度检测。

4 结论

基于SolidWorks软件的三维建模，简化了移动式压缩空气分气缸的设计难度，保证了分气缸参数尺寸的有效性，为洁净压缩空气的结构和安装提供了一种新的思路和方法。移动式压缩空气分气缸的设计使用，经过测试使用及气体质量检测，无需对房间进行打孔、主管道的切割、焊接的传统方法，既能避免改造过程中对供气管道、洁净区域及房间造成污染及压差变化，同时也省去了改造后的恢复及改造区域的洁净度检测，降低了改造成本。得力于移动式压缩空气分气缸的机动性，其安装、拆卸都显得十分便捷。

移动式压缩空气分气缸的成功应用，已证明其实用性是可行的。其与自控系统的深度结合，将会使其应用性更广，能够适应更复杂的工况及满足更高的要求。移动式压缩空气分气缸的自动化控制，也将成为下一步的研究方向。