浅析矿用空压机的发展趋势

【摘 要】本文对煤矿用空压机的工作原理进行了比较，对其主要部件进行了分析探讨，指出了空压机运行电气控制和自动控制的技术要领。

【关键词】矿山；空压机；自动控制；在线监测

1、引言

压缩空气是现代矿山所采用的原动力之一，由于这类气动工具的冲击力强，适合钻削坚硬的岩石，且气动工具结构简单、重量轻、操作方便，使用这种动力比电力安全。虽然整个气动系统的效率很低，成本较高，但矿山采掘工作仍然普遍采用气动工具来凿岩和落煤。

2、空气压缩机的比较和空气压缩机的选择

2.1 活塞式空气压缩机

工作原理：空压机的低压级吸气阀和排气阀装在气缸盖上，升程为3mm。在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动――活塞的往复运动。

这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。故当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。但适用压力范围广，目前已有各种压力级别的压缩机在工业上应用。同时该设备投资少、易操作和维护，热效率高。

2.2.螺杆式空气压缩机

螺杆压缩机的工作循环可分为吸气过程（包括吸气和封闭过程）、压缩过程和排气过程。随着转子旋转每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，为简单起见我们只对其中的一对齿进行研究。

1、吸气过程。随着转子的运动，齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积，这个齿间容积的扩大在其内部形成了一定的真空，而此时该齿间容积仅仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中。在随后的转子旋转过程中，阳转子的齿不断地从阴转子的齿槽中脱离出来，此时齿间容积也不断地扩大，并与吸气口保持连通。随着转子的旋转齿间容积达到了最大值，并在此位置齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束。吸气过程结束的同时阴阳转子的齿峰与机壳密封，齿槽内的气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，即封闭过程。

2、压缩过程。随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现气体的压缩过程。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气口连通之前。

3、排气过程。齿间容积与排气口连通后即开始排气过程，随着齿间容积的不断缩小，具有内压缩终了压力的气体逐渐通过排气口被排出，这一过程一直持续到齿末端的型线完全啮合为止，此时齿间容积内的气体通过排气口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变为零。

从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是通过一对转子在机壳内作回转运动来改变工作容积，使气体体积缩小、密度增加，从而提高气体的压力。

优点是：（1）凭借自身所产生的压力差，不断向压缩室及轴承注入油，简化了复杂的机械结构。（2）注入的油可在转子之间形成油膜，主转子可直接带动副转子转动，而无需借助高精密度的同步齿轮。（3）喷入的油可以增加气密性。（4）油吸收大量压缩热，因此，即使压缩比达16，机头仍然可以控制在一般油的结碳及劣化温度下，转子与机外之间也不会因膨胀系数不同而产摩擦。

弊端是：功耗相对稍高，同时定期修复或更换的综合费用较大。

3、机械系统构造及各部件功能

3.1 气路主要部件说明

3.1.1空气滤清器

空气滤清器的过滤纸细孔度为10um左右，主要用于滤除空气中的尘埃，避免螺杆转子过早磨损，油过滤器和油细分离器过早阻塞。

3.1.2 温度传感器

温度传感器测量机头排气口处的排气温度，并显示在仪表上。它采用PT100铂电阻为敏感元件，线性好，精度高。在失油，油量不足，冷却不良等情况下，均有可能导致主机排气温度过高。当测得的排气温度达到PLC控制器所设定的温度值时，则空压机自动停机。

3.2 油断路器件功能

1.油过滤器。油过滤器是一种纸质的过滤器，过滤精度在10Ч-15Ч之间。其功能是出去油中的杂质，如金属微粒，灰尘，油之劣化物等，保护轴承及转子的正常运行。若油过滤器阻塞，则可能导致喷油量不足影响主机轴承使用寿命，机头排气温度升高（甚至停机）。

2.油细分离器。油细分离器滤芯采用多层细密的特种纤维制成，压缩空气中所含雾状油经过油细分离器后几乎可被完全滤去。油颗粒大小可控制在0.1um以下，含油量可小于3ppm。

4、系统的电气控制

系统电气控制采用可编程控制器（PLC）作为核心控制器，其控制功能和控制原理为：

1. 保护控制功能：⑴电机电流和电压的检测。⑵油压、风包压力检测。⑶ 排气温度、油温、电机温度检测。⑷电动机的延时启动。

2. 保护控制原理：在启动主机之前先将水源电磁阀和放空电磁阀都打开，在冷却水压和流量达到规定值条件下，可进行空压机的空载起动，然后延时自动关闭放空电磁阀，空压机进行正常运行。启动时允许低油压启动，设置一定时间后对油压进行监控。在停机时，按复位按钮放空电磁阀打开，经30秒延时后切断主电源。实现空压机的停机，同时关闭水源电磁阀和放空电磁阀。在保户状态时，以上监控参数有一个在设定范围内发生故障，产生报警信号，同时打开放空电磁阀，压缩机减载运行，延时30秒故障不消除自动机停机。

5、空压机的在线监测

在线监测是为了监控设备运行状况，识别各类缺陷，分析检修的时间，减少设备损坏。在线监测和故障诊断包括以下内容：（1）检测及诊断对象的故障机理（2）在线监测对象状态的手段（3）监测信息的传递、处理和储存（4）状态征兆的形成和提取（5）故障诊断方法和理论。

参考文献

[1]王新兰.液压与气动.北京.电子工业出版社.2003.

[2]姜继海，宋锦春，高常识.液压与气压传动.北京.高等教育出版社.2002.

[3]徐雷声.电气控制与PLC应用.机械工业出版社.2009.