空压机技术分析

【摘 要】本文对往复活塞式、螺杆式空压机在结构、可靠性和维修方面进行分析。

【关键词】往复式压缩机；螺杆式压缩机；分析

本文对往复活塞式、螺杆式空压机进行初步的及时分析、比较，供有关人员在设备选型及使用时参考。

1 主机原理及结构分析

下面以国内某空压机制造大型企业生产的2V3.5-20/8空压机两个气缸是V型布置，通过弹性联轴器电动机直接带动曲轴转动。然后通过连杆十字头，使活塞作往复运动。该机为双作用机型。

活塞向上、向下运动均有空气被吸入、压缩和排出。当压缩空气从一级排气阀排出后，经中间冷却器进入二级气缸，压缩到额定压力后排出，经二级冷却器、分离器、单向阀，进入储气罐供用户使用。该机采用水冷方式，采用油泵供油式，油从油泵压出后，进入曲轴中心孔，通过曲轴、连杆、十字头等传动机构的油孔去各摩擦部分。另外，由于活塞环和填料箱密封环均采用填充聚四氟乙烯自材料，具有良好的自性和耐磨性，因而该机气缸为无油。这种空压机与引进英国Belliss&Motcom公司技术制造的VH系列无基础空压机在结构上相近，具有平衡性好，运转平纹和效率较高等优点。

EP200型单机螺杆式空压机利用装在机壳中的两根相互啮合的螺杆（阴阳转子）高速转动使气体得到压缩。如果把阴转子齿槽与壳体构成的腔比作气缸，那么阳转子在阴转子齿槽中的滑动就相当于活塞的往复运动。螺杆式压缩机主机的工作过程可分为3个阶段：（1）吸气阶段（2）压缩阶段（3）排气阶段喷油式螺杆空压机在结构及原理上具有以下特点：

（1）由于在阴阳转子的工作过程中，转子四周充满了油，排气最高效率出现在较低飞圆周速度上，一般为20～50m/s，因此排气量受到限制。

（2）喷入的油既起到阴阳转子啮合面作用（阴转子直接由阳转子带动），又起到冷却压缩过程及密封闭腔作用，因此冷却及系统合二为一。

（3）阴阳转子齿数之比为4：6（也有2：4，3：4，6：8的），阳转子的转速为阴转子的1.5倍。在工作中，阴阳转子的啮合是依次连续进行的。因此，压缩是连续的，气流没有脉动现象，转动扭力也较均匀，设备工作时震动很小，可以实现无基础运转。

（4）阴阳转子多为镜面加工技术的不锈钢转子或采用特殊喷镀工艺制成，不仅精密度很高，而且整体结构十分紧凑。就EP200而言，主机外形尺寸约为：0.9m*0.5m*0.4m重量约为300kg。

除上述喷油式外，螺杆空压机还有干式。干式在工作时没有喷油，阴阳转子通过一对同步齿轮带动，相互之间没有接触，由于转速较低时，泄漏量相对较大，因而最高效率出现在较高的圆周速度上（一般为40～120m/s）。干式螺杆空压机主要用于不允许压缩气体被油污以及压缩比较低（一般为4～5）的场合。

2 可靠性分析

设备可靠性是设备在规定使用条件下，在某一确定时间内完成额定功能的能力。尽管设备的可靠性在设计和制造阶段就已形成，但可靠性好坏则体现在设备的使用阶段。空压机的主要性能指标，如排气量、排气压力、排气温度均要求设备在规定时间内（如进行中修前）达到额定值，以满足用气需要。因此，也可视为可靠性指标。

2.1 排气量与排气压力

容积式空压机实际排气量受下列因素影响：（1）气缸余隙；（2）吸排阻力；（3）吸气温度；（4）空气湿度；（5）漏气影响。由于往复活塞式空压机存在较大余隙而且易损件较多，冷却条件也相对较差，因此，实际排气量不够稳定。同时，往复活塞式二级排气阀的开启是利用气缸与贮气罐压力差来实现的，排气压力取决于贮气罐压力。空压机压缩比处于变化之中，压缩过程耗功也随着压缩比的变化而变化。所以，往复活塞式空压机适用于压力波动较大的场合。另外，由于活塞是往复运动，压力是脉动的，不能直接供给气动设备及用气装置使用，必须装设缓冲罐。

螺杆式空压机由于主机密封、冷却条件均较好，在额定排气压力下，实际排气量比较稳定，压缩终点的压力也与贮气罐压力无关，而取决于主机阴阳转子啮合状况，即本身结构。在贮气罐压力降低时，压缩功并不降低。压缩机应在规定的排气压力范围内工作，否则排气效率将大大下降。因此，螺杆式空压机排气管不能直接安装在往复式空压机的气网中，但可利用各自管道接到一个公用贮气罐中去。

此外，在实际使用中，还要求对排气量进行适当的调节，大型空压机（排气量>100m3/min）目前正推广使用变频调速技术，即根据负荷情况变化改变空压机转速。但中小型空压机通过设备本身结构（含控制装置）就可满足调节要求。往复活塞式空压机调节方法主要采用关闭吸气口调节法，此法是在吸气口装一减荷阀，当贮气罐的压力达到某已设定位时，通过压力调节器使减荷阀关闭，使空压机不能吸气而成为惰转，排气量为零。另外还有附加余隙法和顶开吸气阀法，这两种方法都较经济，但前者结构比较复杂，后者使用与大型空压机。

螺杆式空压机凄凉调节方法采取了余设计，提高了调节可靠度，如下分析：（1）ON/OFF控制，此控制方法适用于间歇用气，而且用气量与压缩机额定气量相匹配的工况。在O状态下，吸气口蝶阀全开，设备全气量供气；在OFF状态下，吸气蝶阀全关，机组处于空载运行。（2）调节器控制，适用于空压机稳定在大排量持续供气的场合，保证空压机在用气量比额定气量低，或用气波动的情况下经济有效地运行。采取该控制方式时，ON/OFF功能仍然保留，但可以通过压力调节器改变进气蝶阀开度使供气和用气平衡，实现60%到100%额定排气量无级调节，当低于60%额定排气量时，即专为ON/OFF控制。（3）自动启动停机控制，机组无论在ON/OFF 状态控制还是在调节器控制状态，该控制方式都起作用，特别适用用气量变化大，有大储气能力或有备用气源自动补充的场合。由上可见，螺杆式空压机在供气稳定性及气量调节方面要比往复活塞式可靠。

2.2 排气温度

空压机排气温度是一个十分重要的可靠性指标。排气温度过高，不仅会给空气净化（如冷却干燥）带来困难，而且会给设备正常运转带来一系列问题。空压机的排气温度取决于吸气温度、压缩机理和冷却方式。对于往复活塞式空压机而言，压缩过程是一个放热的多变压缩，冷却越完善则多变压缩越接近于等温压缩，空压机所消耗的功就小。效率也就越高，同时冷却越好，压缩排气温度也就越低。往复活塞式空压机（两级与多级压缩）冷却系统多采取缸套冷却、中间冷却及后冷却相结合的方式。其中中间冷却温度一般比冷却水高5～10°，不超过环境温度10°以上。末级压缩出口温度为130～150°，最后排气温度小于50°。

螺杆式空压机由于油直接参与压缩过程。因此，排气温度既取决于空气本身冷却效果，也与油冷却情况有关，就EP200而言，空气和油均设有专门的冷却器，以保证从主机排出的气体（分离器后）温度在88～110付，经过后冷却器冷却到40°左右排入贮气罐。螺杆式空压机具有较低的排气温度既利于主机安全运行，又有利于保证空气净化设备有效工作，以提高压缩空气品质。

3 维修性分析

往复活塞式空压机在维修性方面具有以下几个特点：（1）易损件多，更换周期短。活塞环、填料密封环、气阀等出现损坏将直接影响正常排气。因此，必须严格进行三级保养，及时更换易损件。（2）传动机构多采取曲柄连杆机构，大中型机器还带有十字头组件，由于所受载荷为冲击反复不平衡力，不仅各运动付很容易出现局部剧烈磨损，而且曲轴的主轴劲及曲轴劲、连杆大头分解面等也容易产生变形寄裂纹。另外，为了使空压机整体受力平衡，减小震动，气缸多呈V型、L型、W型布置，由此易造成气缸磨损不均匀，出现椭圆度、擦伤拉毛等。为此，往复活塞式大中修周期普遍较短。

相对而言，螺杆式空压机的一个最大的优点就是只需很小的维护保养工作。除大中修需要专业人员进行外，日常维护保养工作主要是：定期或根据仪表板的指示要求更换空气滤清器的滤芯、油过滤器滤芯及一定量的专用油。必须指出，由于油循环量很大，油又直接和空气接触，所以当压缩空气放气或压力改变时会产生大量泡沫，这是螺杆式空压机的一大难题。这种油采用特种配方和工艺调制而成，具有较好的抗氧化性、防锈性，能同时满足、密封及冷却要求，不能随意取代，以免影响设备正常工作。此外，由于电机处于封闭壳中，平常很难对电机升温、振动等情况进行观察，必须严格按电机维护保养要求对主电机和风冷电机进行定期保养检查。

螺杆式空压机在维修性方面存在的主要问题：（1）由于结构十分紧凑，特别是密封隔声罩本身又构成风冷遮挡，拆卸时有许多不便之处。（2）主机与主电机之间的连接采取齿轮直接啮合方式，调整十分不便。同时，电动机处于设备壳体内，装卸也较困难。（3）各种零配件及电器控制元件质量要求高，而且互换性差，专用性强，采购不便。

4 结论

螺杆式空压机与往复活塞式空压机相比，具有排气压力稳定、排气量调节方便、排气温度较低、控制系统完善、维修量小、运转可靠等优点。因而具有较好的可靠性和维修性。（2）由于螺杆式空压机在排气量10～40m3/min，排气压力0.7～1.3MPa使用条件下具有较高的效率，因而在排气量、低排气压力场合应用前景广泛。（3）螺杆式空压机制造技术在国内总体上还处于起步阶段，因而设备造价较高，同时因机电配件价格高，维修专业性强，设备维护费用大，在选用时还要进行经济分析，以追求设备寿命周期费用最低。