李俊嶺 韓志侃

(1.福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

螺桿式空壓機(jī)吸氣過(guò)程技術(shù)改造

李俊嶺*1韓志侃2

(1.福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)用新的吸氣消聲濾氣器、優(yōu)化吸氣管長(zhǎng)，對(duì)螺桿式空壓機(jī)的吸氣過(guò)程進(jìn)行改造。

螺桿式空壓機(jī) 消聲濾氣器 吸氣管

螺桿式空氣壓縮機(jī)是容積式壓縮機(jī)的一種，它的工作過(guò)程是靠機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而完成的，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)步驟。螺桿式空氣壓縮機(jī)使用性能優(yōu)良可靠、機(jī)組重量輕、振動(dòng)小、噪音低、操作方便、易損件少、運(yùn)行效率較高，是主要的重型機(jī)械工程設(shè)備，廣泛應(yīng)用在礦山、石化及建筑等行業(yè)。隨著我國(guó)采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，礦山壓氣設(shè)備已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用螺桿式空壓機(jī)來(lái)代替多缸復(fù)動(dòng)水冷式空壓機(jī)。但螺桿式空壓機(jī)吸氣過(guò)程存在吸氣口噪聲大、吸氣管道長(zhǎng)度不合理等問(wèn)題，需要對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 存在的問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，螺桿式空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)安裝對(duì)吸氣管道的長(zhǎng)度并沒(méi)有明確要求，很多廠家一般都設(shè)定吸氣管長(zhǎng)為7～12m左右， 這種設(shè)定缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，沒(méi)有從振動(dòng)產(chǎn)生的原理方面去驗(yàn)證。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，螺桿式空氣壓縮機(jī)以吸氣口的噪聲最明顯，且該噪聲具有明顯的低頻性。

如果吸氣口沒(méi)有合理的除塵裝置，其所吸入的空氣中一般都含有較多的粉塵， 這不僅給螺桿式空氣壓縮機(jī)帶來(lái)不良的影響，而且還會(huì)一定程度地減少其使用壽命。

1.1 振動(dòng)

在空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，陰、陽(yáng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)快速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱能和機(jī)械能，由于熱能和機(jī)械能不能快速的轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變成一部分對(duì)外部做功的能量，這部分能量就是轉(zhuǎn)子給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)振動(dòng)的原因。

機(jī)殼是空氣壓縮機(jī)的重要組成部分，同時(shí)也是空氣壓縮機(jī)的外部結(jié)構(gòu)，它給壓縮機(jī)帶來(lái)的振動(dòng)比較有限。

同步齒輪安裝在主機(jī)前端，能夠保證壓縮機(jī)內(nèi)部陰、陽(yáng)兩轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合出現(xiàn)問(wèn)題，同步齒輪會(huì)受影響振動(dòng)；另一方面，同步齒輪自身的材料或后期加工不合理也會(huì)引發(fā)振動(dòng)。

軸承是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般情況下不會(huì)產(chǎn)生不良狀況，但如果軸承出現(xiàn)磨損、超溫或抱軸也可能引發(fā)振動(dòng)。在日常的運(yùn)行中，一般設(shè)備操作人員會(huì)精心操作，空氣壓縮機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)失靈導(dǎo)致溫度過(guò)高發(fā)生抱軸的情況很少出現(xiàn)。

綜上所述，空氣壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的最大原因可能是陰、陽(yáng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子，一旦兩轉(zhuǎn)子的嚙合產(chǎn)生問(wèn)題，那么空氣壓縮機(jī)的其他結(jié)構(gòu)也會(huì)受到影響。

螺桿式空氣壓縮機(jī)工作時(shí)曲軸的旋轉(zhuǎn)處于不平衡的動(dòng)力狀態(tài)，再加上吸、排氣閥不斷工作，一定程度使得螺桿式空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生了不同形式的振動(dòng)，例如機(jī)身的彈性振動(dòng)，氣柱帶來(lái)的管道振動(dòng)和設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。如果設(shè)計(jì)螺桿式空氣壓縮機(jī)不去考慮設(shè)備的固有頻率與受迫引起的激振頻率的關(guān)系，會(huì)使得振動(dòng)部位產(chǎn)生較大振幅的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)共振損壞空壓機(jī)。

1.2 噪聲

螺桿式空氣壓縮機(jī)的噪聲頻率主要取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即：f=2n/60，其中n為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)，f為頻率。一般市面上的螺桿式空氣壓縮機(jī)吸氣過(guò)程的噪聲處于低頻。因此考慮抗性消聲的治理措施，這樣能夠進(jìn)一步降低吸氣過(guò)程噪聲里的低頻成分。筆者考慮使用超細(xì)玻璃棉作為吸聲材料。

1.3 粉塵

螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣，吸入的空氣里含有較多的灰塵。而一旦空壓機(jī)吸進(jìn)灰塵，可能會(huì)污染設(shè)備中的氣閥，導(dǎo)致閥片的損壞加劇，也磨損了其他的運(yùn)動(dòng)件，更加大了空壓機(jī)的清洗工作量。

2 改造方法

2.1 減振

螺桿式空氣壓縮機(jī)的吸氣管道振動(dòng)較為復(fù)雜，可以整體看作彈性系統(tǒng)，多種因素都會(huì)影響它的結(jié)構(gòu)共振。想要通過(guò)精確計(jì)算得到真實(shí)的解比較復(fù)雜，而就工程問(wèn)題而言, 能得出一個(gè)較好的近似解就可以滿足實(shí)際要求。筆者對(duì)吸氣管道進(jìn)行簡(jiǎn)化，將管道及其上附件的分布質(zhì)量按等效集中質(zhì)量處理，也就是說(shuō)將吸氣管道簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)質(zhì)量的彈性管道，其上連接著6個(gè)集中等效質(zhì)量分別為：簡(jiǎn)化吸氣管道的水平段為兩個(gè)集中質(zhì)量塊M1、M2；濾風(fēng)器和卸荷閥也簡(jiǎn)化成質(zhì)量塊M3、M4、M5和M6?？蓪⒑?jiǎn)化系統(tǒng)看作是整個(gè)的振動(dòng)系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，約定等效質(zhì)量產(chǎn)生的動(dòng)能與實(shí)際管道系統(tǒng)的動(dòng)能相等，根據(jù)這一規(guī)定，導(dǎo)出等效質(zhì)量為:

其中，Mi為單位長(zhǎng)度管道的質(zhì)量，θi為Mi的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)時(shí), 第i個(gè)質(zhì)量塊所具有的動(dòng)能除了與自身相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度有關(guān)外，還受到周?chē)B接的質(zhì)量塊振動(dòng)的影響。所以第i個(gè)質(zhì)量塊在發(fā)生振動(dòng)時(shí)的動(dòng)能為：

根據(jù)拉格朗日方程，某一系統(tǒng)的振動(dòng)能為：

根據(jù)以上方程，結(jié)合文獻(xiàn)[1]提出的程序，計(jì)算了吸氣管道系統(tǒng)的前3階固有頻率，見(jiàn)表 1，其中fi為結(jié)構(gòu)固有頻率；fg為氣柱固有頻率。

表1 固有頻率計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出：當(dāng)空壓機(jī)采用直徑273mm的吸氣管道時(shí)，其振動(dòng)的動(dòng)力主要來(lái)自設(shè)備中氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，另外轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)也會(huì)帶來(lái)一定的不平衡動(dòng)力。其激發(fā)的頻率為f0=13.3Hz，相距管系本身的固有頻率較遠(yuǎn)，也就是說(shuō)基頻頻帶f1=(0.8～1.2)f0。為了防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振，吸氣管的長(zhǎng)度取6.0～6.5m較合適。當(dāng)吸氣管長(zhǎng)度在9.5～10.0m的范圍內(nèi)時(shí)，盡管和管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的可能性大幅降低，但此時(shí)氣閥的開(kāi)啟頻率接近于管道內(nèi)的氣柱三階固有頻率，也可能引起系統(tǒng)共振。如果按照7.0～8.0m的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然此時(shí)的頻率較為穩(wěn)定，部分空壓機(jī)設(shè)備的運(yùn)行也比較平穩(wěn)，但是設(shè)備內(nèi)的其他一些因素，如管道支架、閥門(mén)等也可能增加管道系統(tǒng)的阻尼作用，所以這個(gè)范圍也不是合理的選擇。

經(jīng)過(guò)分析可以明確：在設(shè)計(jì)布置空壓機(jī)的吸氣管道時(shí)，首先要考慮管道振動(dòng)的固有頻率，才能夠防止空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪音。

2.2 降噪和防塵

根據(jù)我國(guó)的工業(yè)企業(yè)噪音排放標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)空壓機(jī)機(jī)房，其噪聲必須小于85dB。螺桿空壓機(jī)設(shè)備的噪聲來(lái)源于多個(gè)部分的噪聲疊加，其進(jìn)氣部分的消聲量至少要有15dB。同時(shí)消聲器的設(shè)置也具有較好的除塵作用，能夠減少進(jìn)氣過(guò)程中的含塵量。

消聲器在設(shè)計(jì)時(shí)要注意阻力不能過(guò)高，過(guò)高會(huì)影響吸氣。如圖1所示的消聲濾氣器結(jié)構(gòu)采用了擋油板和濾油網(wǎng)，為了降低濾油網(wǎng)所產(chǎn)生的較高阻力，將濾油網(wǎng)的通氣面積變大，大于原來(lái)的網(wǎng)式濾清器的通氣面積。具體采用的是8 目的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，共75 層。擋油板和濾油網(wǎng)設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，便于拆卸清理。

圖1 消聲濾氣結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1消聲原理

消聲濾氣器分4個(gè)擴(kuò)張室，氣流在經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生4次擴(kuò)張和收縮，這一動(dòng)作可以抗性消聲。各段擴(kuò)張比為7～ 9, 擴(kuò)張和收縮動(dòng)作的抗性消聲量能夠達(dá)到10dB左右。同時(shí)，位于中間的濾油網(wǎng)可以進(jìn)行阻性消聲，如果濾油網(wǎng)的阻性消聲量為5dB,這就達(dá)到了降噪的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2.2除塵原理

螺桿空壓機(jī)的底箱中加入10#機(jī)油(與設(shè)備所用的潤(rùn)滑油一樣)，運(yùn)行時(shí)空氣通過(guò)一定長(zhǎng)度的進(jìn)風(fēng)管沿底部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入消聲濾氣器室，由于轉(zhuǎn)子的作用，機(jī)油由旋轉(zhuǎn)氣流帶動(dòng)，產(chǎn)生了大量的油滴，油滴可以粘附產(chǎn)生的塵粒。由于油滴和塵粒受到離心力的作用，受迫飛向筒體周壁，塵粒受到油液的沖洗，流到箱底。氣流通過(guò)中心管進(jìn)入中間箱體室, 由于體積變大導(dǎo)致風(fēng)速降低，使得大顆粒的油滴下落， 形成油液沿著管壁流下去,這時(shí)一部分尺寸較大的油滴又被氣流吹碎成小油滴繼續(xù)上升，從而形成了良好的油滴捕塵環(huán)境。較細(xì)的油滴和塵粒繼續(xù)上升, 被濾網(wǎng)阻住，被濾清的空氣最后通過(guò)送風(fēng)管道進(jìn)入空壓機(jī)。

2.2.3降噪除塵性能的檢驗(yàn)

分別采用擋油板和濾油網(wǎng)進(jìn)行降噪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改用濾油網(wǎng)時(shí), 降低噪聲量7 ～ 10dB，說(shuō)明濾油網(wǎng)具有一定的阻性消聲作用。對(duì)螺桿式空壓機(jī)采用了所設(shè)計(jì)的消聲濾氣器，并對(duì)使用前后噪聲進(jìn)行了測(cè)定，數(shù)據(jù)顯示噪聲下降比較明顯，最優(yōu)消聲量達(dá)26dB。

除塵性能的測(cè)定主要采用清理稱(chēng)重法，所統(tǒng)計(jì)的灰塵重量是指沉在消聲濾氣器底部并減掉機(jī)油后的積塵重量。通過(guò)觀察濾油網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，底部的濾網(wǎng)上略有積塵，到第六層以上的濾網(wǎng)己無(wú)積塵。說(shuō)明該消聲濾氣器的除塵效果較好。這主要是由于采用了多層濾網(wǎng)，其縫隙小，且氣流速度較大，濾網(wǎng)層與層互相交叉，氣流發(fā)生了多次轉(zhuǎn)彎，再結(jié)合濾網(wǎng)上的機(jī)油，使得塵粒粘住的比率高。而且這種結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲也有比較好的阻滯作用。所以，粘有機(jī)油的濾網(wǎng)層具有一定的阻性消聲作用。

3 優(yōu)化改造方向

螺桿空壓機(jī)目前仍存在許多問(wèn)題，有些地方還有改進(jìn)優(yōu)化的空間，優(yōu)化方向大致有：

a. 重新設(shè)計(jì)螺桿空壓機(jī)的型線，要充分結(jié)合型線自身的嚙合特性，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)子的受力狀態(tài)和受熱變化狀態(tài)，設(shè)計(jì)新型的型線，從而進(jìn)一步提高空氣壓縮機(jī)的工作效率；

b. 分析螺桿空氣壓縮機(jī)的噴油過(guò)程，分析該過(guò)程對(duì)空壓機(jī)是否泄漏以及對(duì)機(jī)器換熱、摩擦等方面的影響，進(jìn)一步優(yōu)化噴油的工藝參數(shù)，降低噴油過(guò)程的不利影響；

c. 模擬分析空壓機(jī)在吸氣和排氣過(guò)程的流場(chǎng)特性，結(jié)合流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性分析，重新合理地分布吸氣口和排氣口的位置和形狀；

d. 分析空壓機(jī)產(chǎn)生噪聲的根本原因，弄清楚不同的型線和不同的孔口配置對(duì)噪聲的影響；

e. 優(yōu)化螺桿空壓機(jī)的齒間加工工藝，采用高精度的數(shù)控機(jī)床設(shè)備，結(jié)合先進(jìn)的少切削甚至無(wú)切削的新型機(jī)械加工工藝；

f. 進(jìn)一步擴(kuò)大螺桿空壓機(jī)的參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍，使其適用于小流量、高壓力的排氣方式。同時(shí)開(kāi)發(fā)新的氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并采用當(dāng)前主流的新型智能控制系統(tǒng)，提高螺桿空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的智能化和經(jīng)濟(jì)性水平。

4 小結(jié)

4.1在設(shè)計(jì)布置空壓機(jī)的吸氣管道時(shí)，要結(jié)合管道的振動(dòng)固有頻率，才能夠防止空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪聲，筆者所研究的空壓機(jī)合理吸氣管長(zhǎng)度可選擇6.0～6.5m。

4.2通過(guò)具體的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的消聲濾氣器能降低吸氣口噪聲15 ～ 17dB。

4.3設(shè)計(jì)的消聲濾氣器具有明顯的除塵作用，使進(jìn)入空壓機(jī)的空氣含塵量減少，從而可減少清洗氣閥的工作量， 有利于延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。

[1] 葉會(huì)華，李明，田貴山. 空壓機(jī)吸氣管道結(jié)構(gòu)固有頻率及最佳吸氣管長(zhǎng)[J]. 阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1997, 12(6):125～126.

TQ051.21

B

0254-6094(2016)01-0125-04

*李俊嶺，男，1973年2月生，工程師。上海市，201103。

2015-09-07)