侯曉磊

淺述螺桿式較活塞式空氣壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)

侯曉磊

從活塞式和螺桿式空氣壓縮機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能等方面對(duì)兩者進(jìn)行論述，著重比較了兩種空氣壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出螺桿式空氣壓縮機(jī)更易操作，易維護(hù)，工作性能安全可靠，效率高、噪音低，開機(jī)率高，節(jié)能效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)無故障、免維護(hù)運(yùn)行，為礦井節(jié)能、高效、安全生產(chǎn)提供了良好的前提條件，具有廣泛的市場(chǎng)推廣前景的結(jié)論。

活塞式空壓機(jī)；螺桿式空壓機(jī)；空壓機(jī)工作原理

0 引言

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，其應(yīng)用范圍之廣，遍及石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、輕工、紡織、汽車制造、國(guó)防、科研等行業(yè)和部門。在煤炭行業(yè)里，它也是許多設(shè)備的能量來源，選擇合適的空氣壓縮機(jī)，不僅可以提高工作效率，還能節(jié)約成本。大同煤礦集團(tuán)公司原使用空壓機(jī)多為4L、5L型活塞式空壓機(jī)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和更新，新型空壓機(jī)的出現(xiàn)，活塞式空壓機(jī)的缺點(diǎn)越來越突出，難以滿足集團(tuán)公司生產(chǎn)和發(fā)展的需求，2005年我們開始引進(jìn)部分螺桿式空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過近幾年的使用，優(yōu)勢(shì)顯著，現(xiàn)已有高壓、大功率、雙螺桿壓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用。下面從活塞式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能等方面對(duì)兩者進(jìn)行比較，闡述螺桿壓風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，希望能對(duì)螺桿壓風(fēng)機(jī)的全面推廣起到推波助瀾的作用。

1 工作原理的比較

1.1 活塞式空氣壓縮機(jī)的工作原理

活塞式空壓機(jī)工作時(shí)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器或三角帶驅(qū)動(dòng)曲軸，帶動(dòng)連桿、十字頭與活塞桿，使活塞在壓縮機(jī)的氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會(huì)發(fā)生周期性變化?；钊娇諌簷C(jī)的活塞從氣缸蓋處開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)氣體即沿著進(jìn)氣管，推開進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，直到工作容積變到最大時(shí)為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉；活塞式空壓機(jī)的活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時(shí)，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞式壓縮機(jī)的活塞再次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述過程重復(fù)出現(xiàn)?？傊?，活塞式壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)1周，活塞往復(fù)1次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個(gè)工作循環(huán)。

1.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作原理

螺桿空壓機(jī)是容積式氣體壓縮機(jī)，空氣的壓縮是靠裝置于機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而達(dá)到，由相互嚙合的轉(zhuǎn)子（即螺桿）、機(jī)殼以及適當(dāng)配置在兩個(gè)進(jìn)、排氣口的排氣閥組成壓縮氣體的工作腔，通過減小工作容積來增加氣體壓力。轉(zhuǎn)子副在與它精密配合的機(jī)殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子齒槽之間的氣體不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，而沿著轉(zhuǎn)子軸線，由吸入側(cè)推向排出側(cè)，完成吸入、壓縮、排氣3個(gè)工作過程。氣體經(jīng)吸氣口分別進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒間容積，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，陰陽轉(zhuǎn)子齒連續(xù)不斷地向?qū)Ψ烬X槽中填塞、工作腔的齒槽也不斷向排氣端推進(jìn)，容積逐步縮小，氣體得到壓縮。當(dāng)壓縮容積與排氣口相通時(shí)，氣體已達(dá)到預(yù)定的壓力而排出，完成一個(gè)工作循環(huán)。

1.3 優(yōu)勢(shì)比較

活塞式空壓機(jī)為往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，存在著不可消除的慣性力，因此運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大，噪音高；其供氣也是往復(fù)間斷性供氣，運(yùn)行時(shí)氣流脈動(dòng)大，沖擊性強(qiáng)；存在活塞環(huán)的磨損，運(yùn)行時(shí)盡管活塞上有刮油環(huán)，但仍會(huì)有不少的潤(rùn)滑油竄到氣缸中，隨氣體一起排出，這樣，一方面降低了氣體的品質(zhì)，另一方面也增加了耗油量，不可避免地出現(xiàn)潤(rùn)滑油外漏，造成管路、風(fēng)包的污染，給清理工作帶來困難，使風(fēng)包的安全運(yùn)行增加了隱患，同時(shí)增加耗油量，污染了環(huán)境。

螺桿空壓機(jī)為回轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，平衡性很好，其振動(dòng)小，噪音低，輸氣平穩(wěn)，無氣流脈動(dòng)，有高效的油氣分離系統(tǒng)和過濾設(shè)備，無磨損件，供氣品質(zhì)高，耗油量很低，能夠滿足要求較高氣量用戶的需求。

2 結(jié)構(gòu)的比較

2.1 活塞式空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

活塞式空氣壓縮機(jī)由壓縮機(jī)主機(jī)、冷卻系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全閥、電動(dòng)機(jī)及控制設(shè)備等組成。其氣閥、活塞、活塞環(huán)、連桿瓦等諸多零部件均為易損件。壓縮機(jī)及電動(dòng)機(jī)用螺栓緊固在機(jī)座上，機(jī)座用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。

較大的活塞式空壓機(jī)安裝時(shí)需要專門的固定基礎(chǔ)，基本沒有自動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其連續(xù)運(yùn)行的可靠性差、效率低，特別是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性更差。而其所形成的壓縮腔內(nèi)很多都是易損件，這些易損件的磨損和損壞都將造成氣體壓縮時(shí)更大的泄漏，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)效率的降低。這樣，一方面會(huì)影響生產(chǎn)，另一方面會(huì)增加維護(hù)管理的費(fèi)用。

2.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

螺桿式空氣壓縮機(jī)的核心部件是壓縮機(jī)主機(jī)，由螺桿機(jī)頭、電動(dòng)機(jī)、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。其主要結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子、機(jī)體、主軸承、軸封、平衡活塞及能量調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。可實(shí)現(xiàn)容量15%～100%無級(jí)調(diào)節(jié)或二、三段式調(diào)節(jié)，采取油壓活塞增減載方式，徑向和軸向均為滾動(dòng)軸承，開啟式設(shè)有油分離器、儲(chǔ)油箱和油泵；封閉式為差壓供油進(jìn)行潤(rùn)滑、噴油、冷卻和驅(qū)動(dòng)滑閥容量調(diào)節(jié)之活塞移動(dòng)。氣體的吸入過程跟壓縮過程一樣也是連續(xù)不斷的。由于機(jī)器的轉(zhuǎn)速很高，吸排氣可以看成是無脈動(dòng)的，因此在一般情況下螺桿空壓機(jī)可以省去一個(gè)體積很大的儲(chǔ)氣罐（見圖1）。

圖1 螺桿式空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

螺桿壓縮機(jī)是一種整體結(jié)構(gòu)高度集中化產(chǎn)品，整機(jī)裝在一個(gè)箱體內(nèi)，自成一體，直接放在平整的水泥地面上即可，無需用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，占地面積?。挥型晟频淖詣?dòng)控制與保護(hù)系統(tǒng)，屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，方便了設(shè)備的維護(hù)管理，同時(shí)也最大限度地降低了能耗；進(jìn)行壓縮的一對(duì)轉(zhuǎn)子由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)磨損，不存在影響機(jī)器效率的易損件，避免了活塞式空氣壓縮機(jī)的那些缺點(diǎn)，減少了對(duì)工作環(huán)境的污染，沒有了活塞式空壓機(jī)復(fù)雜的管路系統(tǒng)，可以美化生產(chǎn)環(huán)境，因此長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于活塞式空壓機(jī)。

3 性能比較

活塞式空氣壓縮機(jī)存在排氣壓力不夠穩(wěn)定，排氣溫度高，噪音偏大，檢修工作量大，維修費(fèi)用偏高等缺點(diǎn)。而螺桿式空壓機(jī)的故障很少，只要定期保養(yǎng)油氣分離器、空氣及油過濾器等就能保證其正常運(yùn)行。

與活塞式空氣壓縮機(jī)相比，螺桿式空氣壓縮機(jī)具有人性化的人機(jī)介面顯示控制系統(tǒng)，使操作過程方便簡(jiǎn)單，運(yùn)行狀態(tài)一目了然，能在無人值守的情況下24 h工作，非正常因素一旦出現(xiàn)，中文提示維護(hù)或檢修；留有備用輸出接口，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組連鎖控制及遠(yuǎn)程診斷控制。在關(guān)鍵區(qū)域，用三重軸封消除泄漏問題，通過精密硬化磨削的帶有O型密封環(huán)的耐磨軸套具有高可靠性且易于維修，從而降低維護(hù)量，減少維修費(fèi)用。

微電腦控制器具備強(qiáng)大的故障診斷和保護(hù)功能。具有缺相保護(hù)、相序保護(hù)、超溫保護(hù)、空載保護(hù)、自動(dòng)卸荷保護(hù)和氣量調(diào)節(jié)?？蓪?shí)現(xiàn)三相電源任意一相或兩相斷開，自動(dòng)切斷電源；三相電源的相序有誤時(shí)，不能啟動(dòng)；排氣溫度超過設(shè)定值，自動(dòng)切斷電源；空載數(shù)分鐘，自動(dòng)停機(jī)，需要用氣時(shí)又自動(dòng)開機(jī)工作；先卸載，再停機(jī)，避免重車啟動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)排氣量，節(jié)約能耗。

4 活塞式及螺桿式空壓機(jī)的主要特點(diǎn)

4.1 活塞式空壓機(jī)的主要特點(diǎn)

①適應(yīng)性強(qiáng)，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響，能適應(yīng)較寬的壓力范圍和制冷量要求；

②對(duì)材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工較容易，造價(jià)也較低廉；

③排氣不連續(xù)，氣流壓力脈動(dòng)，易產(chǎn)生氣柱振動(dòng)；

④慣性力大，轉(zhuǎn)速不能太高，機(jī)器較笨重；

⑤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量大，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高；

⑥運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲較大，設(shè)備安裝基礎(chǔ)要求高。

4.2 螺桿式空壓機(jī)的主要特點(diǎn)

①可靠性高，零部件、易損件少，因而運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長(zhǎng)；

②操作維護(hù)方便，操作人員不必經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可按需要排氣量供氣；

③動(dòng)力平衡性好，沒有不平衡慣性力，機(jī)器可以平穩(wěn)地高速工作，可實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，體積小，重量輕，占地面積少；

④適應(yīng)性強(qiáng)，具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小，排氣穩(wěn)定，在寬廣的范圍內(nèi)能保持較高的效率；

⑤具備強(qiáng)大的故障診斷和保護(hù)功能，具有人性化的人機(jī)界面顯示控制系統(tǒng)，使操作過程方便簡(jiǎn)單，運(yùn)行狀態(tài)一目了然。

5 螺桿式空壓機(jī)在同煤集團(tuán)的應(yīng)用

同煤集團(tuán)2005年率先在馬脊梁西部壓風(fēng)機(jī)房使用了3臺(tái)無錫生產(chǎn)的LGFD-43/8型空壓機(jī)，風(fēng)量43 m3/min，功率250 kW。又于2007年～2008年間陸續(xù)在同家梁西三壓風(fēng)機(jī)房采用了2臺(tái)無錫生產(chǎn)的LGD-60/077AN-T型空壓機(jī)，風(fēng)量60 m3/min，功率315 kW；四老溝南洋路使用2臺(tái)上海優(yōu)耐特斯廠生產(chǎn)的UD355W-8型空壓機(jī)，風(fēng)量80 m3/min，功率355 kW；大斗溝六風(fēng)井使用3臺(tái)上海優(yōu)耐特斯廠生產(chǎn)的UD255A-38/10型空壓機(jī)，風(fēng)量38 m3/min，功率250 kW。分別采用風(fēng)冷和水冷兩種冷卻方式。風(fēng)冷式空壓機(jī)不需要冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，因而可省去很多部件、循環(huán)水管路及水泵等設(shè)備的投資費(fèi)用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，但水冷式空壓機(jī)冷卻效果較好。集團(tuán)公司60 m3/min以下風(fēng)量的壓風(fēng)機(jī)用風(fēng)冷式較多，60 m3/min以上的用水冷式較多。

經(jīng)過近幾年的運(yùn)行，進(jìn)一步證實(shí)了螺桿壓風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)：平均每臺(tái)空壓機(jī)每年可節(jié)約維修費(fèi)15萬元～25萬元，節(jié)約電耗5%～10%，節(jié)約維修工時(shí)500 h多。2009年集團(tuán)公司又引進(jìn)LU560W-8型雙螺桿大功率空氣壓縮機(jī)，在四臺(tái)礦和燕子山礦投入使用，風(fēng)量達(dá)到100 m3/min，功率560 kW。雙螺桿大功率空壓機(jī)在減少維修量和配件費(fèi)用方面成效顯著，每臺(tái)年節(jié)約配件費(fèi)30萬元～40萬元，維修工從當(dāng)初的9名減少到現(xiàn)在的3名。

從使用效果看，螺桿式空壓機(jī)具有活塞式空壓機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)更易操作，易維護(hù)，工作性能安全可靠，效率高、噪音低，開機(jī)率高，節(jié)能效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)無故障、免維護(hù)運(yùn)行。

6 結(jié)束語

同煤集團(tuán)本部共有壓風(fēng)機(jī)63臺(tái)，其中只有19臺(tái)是螺桿式的，如果將其余44臺(tái)活塞式空壓機(jī)全部更換為螺桿式的，每年將為集團(tuán)公司節(jié)約配件費(fèi)800多萬，每天可節(jié)約維修工時(shí)100 h多，節(jié)約能耗10%左右。集團(tuán)公司在今后的3 a中，本部及子公司還將新增壓風(fēng)機(jī)31臺(tái)，作為“3條生命線”之一的壓風(fēng)系統(tǒng)，將在今后的煤礦生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，它不僅僅是動(dòng)力的來源，更是生命的保障。選擇安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的螺桿式壓風(fēng)機(jī)，可改善礦井工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全保障，為礦井生產(chǎn)提供良好的前提條件，具有廣泛的市場(chǎng)推廣前景。

[1]張彥博，王云.活塞式空氣壓縮機(jī)的維修 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1976.

[2]徐建英.螺桿式空氣壓縮機(jī) [M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

On Advantages of Screw and Piston Air Compressors

Hou Xiaolei

By analyzing the principle,structure,performance of the piston and screw air compressors,the advantages and disadvantages of the two air compressors are mainly compared.Test shows the screw air compressor is easier to operate and maintain.Its work performance includes safety and reliability,high efficiency,low noise,highavailability,obvious energy saving effect，basically realized trouble-free,maintenance-free operation.It provides a good prerequisite for mine energy-saving,efficient and safe production and can be extensively popularize.

piston air compressor;screw air compressors;the comparison of air compressor works

TD443+.2

A

1000-4866（2012）03-0010-03

侯曉磊，男，1981年4月出生，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司機(jī)電管理處工作，助理工程師。

2012-05-14

2012-05-28