空气压缩机工作原理(图文版)

滑片式空气压缩机节能探索与研究（上）前言：空气压缩机是工业现代化的基础产品，常说的“电气自动化”里“气”就有气动的含义，而空气压缩机就是提供气源动力，是气动系统的核心设备。一台空气压缩机在寿命周期内，其初期购置成本仅占运行电费的1/20~1/15，其是否节能直接导致用户能否降本增效。而且我国是一个能耗大国，能源供应十分紧张，节能减排任务十分艰巨，推广应用节能新技术或节能产品也符合国家的大政方针。本文深入分析比较各类型空气压缩机的结构和工作原理，以及在工业运用中跟踪检测能耗情况，得出的实际节能比例让事实说话，供各位领导及同行参考。一、空气压缩机的分类。空气压缩机是机械工业的基础产品，其广泛应用于各行业。空气压缩机是将驱动机（电动机或柴油机）输出的旋转机械能转换为气体的压力能，为气动系统（或气力吹扫点）提供动力的核心设备。空气压缩机（以下简称空压机）分类，按结构和工作原理不同，可分为活塞式空气压缩机（简称活塞机）、螺杆式空气压缩机（简称螺杆机）、滑片式空气压缩机（简称滑片机）、离心式空气压缩机（简称离心机）、涡旋式空气压缩机（简称涡旋机）五类；按工作压力等级，可分为低压（供气压力≤1.3MPa）、中压（供气压力为1.3~4.0MPa）、高压（供气压力为4.0~40MPa及以上）三类；按压缩气体的形式，可分为容积式和速度式两种；按气体压缩过程是否与润滑油混合，可分为有油润滑和无油润滑两种空压机；按使用过程是否需要移动分为固定式和移动式空压机，移动式根据动力提供类型分为柴油移动机和电动移动机两种。1、活塞机简介。活塞机的电动机驱动曲轴产生旋转运动，曲轴带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由于气缸内压力的变化，空气经过空气滤清器（消声器）和吸气阀进入气缸，在压缩行程中，随着气缸容积的缩小，产生压缩空气。主要运转零件较多，有曲轴（1件）、曲柄（2件）、连杆（2件）、活塞（2件）、吸排气阀（阀片、弹簧若干）、轴承（2件）等。单台产气由一般为0.15~100m3/min，主电机功率由2.2kw~550kw。活塞机运转部件较多，吸排气阀片及弹簧容易磨损和疲劳损坏，导致压缩效率降低，能耗增大，维修工作量大。但其价格低廉，国内有大量厂家可自主生产，属于低端高耗产品，市场在逐渐淘汰。2、螺杆机简介。螺杆机又分为单螺杆和双螺杆，其工作原理是旋转的相互啮合的螺杆，将油和空气从进气端一起吸入，随着螺杆的旋转和输送，啮合容积逐渐减小，在螺杆的另一端压缩出油气混合物。油气混合物经过油气分离后，排除可用的压缩空气。螺杆机的主要运转零件也较多，如图1所示，直连驱动的有主被动齿轮1对（皮带传动的还要增加皮带轮2件、皮带3条）、轴承（6件）、阴阳转子（1对）等。螺杆机单台产气量一般为0.8~60m3/min，主电机功率为5.5kw~355kw。螺杆机目前是空压机市场的主流，国内已经有大量的厂家能自主生产，在中小型用气量的空压站或单体设备配置中，占有主要地位。缺点是主机阴阳转子磨损后产气量衰减较大，加卸载越来越频繁，能耗损失越来越大，机头装配精密度高、用户现场无法修复等。3、滑片机简介。滑片机工作原理，如图2所示，电机直接连接到主机内偏心安装的转子轴上，转子上开有径向滑槽，转动时滑片沿径向滑动，与定子形成密封腔。随着转子转动，滑片与定子间的密封腔容积变化，将油气混合物吸入和压缩，经过油气分离器后产生压缩空气。滑片机主要运转部件最少，仅有一个转子和滑片。产气量一般由0.16~440.8~60m3/min，主电机功率为1.5kw~250kw。滑片机的优点是滑片具有自补偿性，压缩容积和效率不会随着使用时间增加而衰减，产气量始终如一，具有显著的节能效果，运行费用低，主机现场拆卸检修非常方便，可维修性强，转子转速低，无滚动轴承而使用轴瓦，主机寿命长等。其缺点是制造技术和材质要求高，单机产气量较小仅达44m3/min以下，国内还不能自主生产，只能组装90kw以下机型，价格比螺杆机稍贵。滑片机几乎与螺杆机同时问世，起源于上世纪三十年代意大利一名叫玛泰（Mattei）先生的艰苦奋斗。早期滑片机进入国内是在铝行业，1981年随着大型预焙阳极电解槽ECL多功能机组的进口而引入贵州铝厂（当前叫中国铝业股份有限公司贵州分公司），1987~1988年购置的玛泰C260型55kw滑片空压机，至今还在多功能机组上承担着主力机型的任务，运行良好。经过长期的工业实践检验，玛泰机被公认是最适于高温、高氧化铝粉尘、强磁场、振动、移动、氟化氢气体腐蚀等恶劣环境下稳定工作。因此，世界各知名铝业均在使用玛泰滑片机作为多功能机组配套设备，已经成为铝行业的明星品牌。随着技术发展和国内节能减排力度的加大，在中小型空压站建站和单机配置中，因其节能降耗效果显著，有逐渐替代螺杆机的趋势，目前在沿海发达城市的中小企业已经大量使用滑片机。4、离心机简介。离心机的工作原理，如图3的所示，电机直接驱动主动大齿轮，带动锥状的叶片（叶轮）高速旋转（叶轮轴转速可达40000rpm）将空气向离心方向加速，从而产生压力。一般需要经过三级压缩叶轮加压，才能产生0.4~0.8MPa的压缩空气。离心机的结构复杂，运转部件较多，有主动齿轮（1套）、一至三级叶轮（3套）、滚动轴承（8付）等，体积也较大。单台离心机的产气量一般为26~530m3/min，主电机功率为130kw~4200kw。离心机适于大型企业集中建站，投资巨大，运行费用昂贵，国内没有自主品牌，基本上都是国外品牌在中国建立合资企业进行组装。5、涡旋机简介。涡旋机是由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互啮合而成。在吸气、压缩、排气工作过程中，静盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围，随着偏心轴旋转，气体在动静盘噬合所组合的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。涡旋机是近年来开发出来的最新型的空压机，它与传统空压机相比，具有结构新颖、体积小、重量轻、噪音低，输气平稳连续，操作简便，维护费用少等一系列优异的技术性能。其缺点是产气量和装机功率较小，一般在37kw以下，国内无组装厂，价格昂贵，市场基本上处于培育状态。二、滑片空压机与螺杆空压机的性能对比。1、滑片机与螺杆机工作原理及传动效率。●滑片机的工作原理。如图4~6所示.转子在电机的带动下旋转，由转子、定子、大小端盖、滑片所构成的封闭腔的容积，随着滑片滑出量的多少发生由小到大和由大到小的变化，油气混合物在容积腔变大的时候吸入，变小的时候压缩。随着转子的持续旋转，从而完成空气持续吸入和压缩的过程。压缩后的高温油气混合物经过油气分离器，把气体和油分开，润滑油经过油冷却器冷却循环回到主机，气体经风冷却器冷却后供出。玛泰滑片机的油分离器与机壳是连接在一体的，集成化加工技术确保外露管件少。进气伺服阀也安装在机头上，安装全阀是内置的，最小压力止回阀安装在油分离器内，保证了集成度，整机体积和重量较螺杆机小。●螺杆机的工作原理。电机驱动轴电机轴头上的齿轮，与阳转子端头上的被动齿轮形成传动组合并将阳转子的转速提高约3000rpm，阳转子与阴转子相互啮合对转，随着啮合线的移动，阴阳转子间隙逐渐变小，中间的间隙就将油和空气压缩与输送。压缩后的油气混合物经过分离、冷却后，油循环回到主机，压缩气体送出。图8是螺杆机头返厂大修后等待安装的照片，图中清楚地看到阳转子上的齿轮和阴转子轴上的滚动轴承。●传动效率。滑片机的运转部件最少，电机轴通过联轴器直接驱动转子，机械阻力和传动效率比螺杆机要高很多。也因其转子与电机轴直接连接，所以电机的转速就是机头转子的转速，比经过齿轮传动增速的螺杆机转子效率要高得多。2、滑片式空压机与螺杆式空压机性能对比。序号对比项目机型玛泰滑片机双螺杆机1运转部件数1（转子）10（阴阳转子1对、齿轮1对、滚动轴承6付）2转子运转速度1000~1500rpm3000rpm3运动形式单一回转，无轴向力，使用轴瓦支撑阴阳转子相互啮合，有较大的轴向推力，需要安装轴向推力轴承及滚动轴承4轴承寿命使用轴瓦，可达10万小时以上使用滚动轴承，一般为2~4万小时。5轴承受力种类只受径向力轴向力与径向力均存在6故障率机壳为的机头和控制管路集成制造，外露管件少，故障和泄漏少机头内就装配阴阳转子，所有管路外部安装和控制7进气调节控制由机头内置油路反馈对进气伺服阀组自行控制，伺服阀开口可随着出气端用气量大小自动调节。外置加卸载翻板阀的气缸由电磁阀控制，要么打开、要么关闭，加卸载频繁。8油耗低(55KW油容积为24升)高(55KW油容积为40升)9主机装配精密度装配要求较低装配精密度很高10现场维修主机在现场拆装方便用户现场无法拆装机头11产气量稳定性滑片具有补偿性，容积效率始终如一，产气量持续平稳。适合24小时连续运转阴阳转子相互啮合，一旦进灰或磨损，无法补偿，产气量随着运行时间增长而衰减。适于间隙工作。12容污能力（抗灰尘的磨损性）容污能力较强，滑片与腔壁磨损后具有补偿性阴阳转子装配精密度高，阴阳转子磨损后间隙无补偿性，容污能力差13抗振动偏心转子由轴瓦支撑，具有较好的搞振性阴阳转子需要齿轮传动，有振动时对滚动轴承及阴阳转子产生较大的冲击，加剧阴阳转子磨损14抗磁场干扰机头为铝合金材料，抗磁场干扰能力高，强磁场环境下运转平稳机头运转部件较多，机头为钢材，抗磁场能力较弱。15主机寿命长达10小时以上（12年以上）一般为2到5年。3、滑片机性能优势。●滑片机的容积效率始终如一，产气量不随运转时间增加而减少。容积效率是实际排气量和理论排气量的比值。螺杆机属于速度型密封，通过转子高速旋转实现密封。但由于转子间、转子与壳体间有一定的间隙，对注油螺杆机来说，泄漏三角形是泄漏量最大的，在螺杆式压缩机设计原理上它必然存在，而且无法被油有效密封。所以会产生一定的回流量导致容积效率降低。同时，相互啮合的阴、阳转子运行一段时间后会有一定的磨损，回流量大导致容积效率下降。滑片机属于主动型密封。滑片在运行时依靠离心力被甩出，而定子中喷入的润滑油使滑片与定子之间产生了一层油膜，它主要起密封作用，防止气体从高压侧向低压侧回流。滑片长时间运行后虽然会有一定的磨损，但滑片是主动甩向定子的，能自动补偿，所以滑片式压缩机容积效率始终如一。●滑片机的运转效率高，节能效果显著。气量调节系统使用伺服阀，负荷可随着出口用气量的大小自动调节，这是螺杆机难以比拟的技术优势。●滑片机的主机集成化制造，体积小重量轻。其油分离器与机壳是连接在一体的，集成化加工技术确保外露管件少。进气伺服阀也安装在机头上，安装全阀是内置的，最小压力止回阀安装在油分离器内，保证了集成度，整机体积和重量较螺杆机小。螺杆机的油分离器与主机是分离的，期间靠管路连接，最小压力止回阀及安全阀是外露安装的，●滑片机的装配精密度低，用户在设备安装现场维护检修方便。●滑片机滑动轴瓦寿命长，主机耐用，容污性及抗腐蚀性均比螺杆机好。三、玛泰滑片式空压机的工业应用情况。1、滑片式空压机的生产商及组装商。国外有两大产生商，分别是意大利玛泰有限公司研发生产的玛泰滑片式空压机和康普艾公司生产的风霸系列滑片式空压机。2、玛泰滑片式空压机的工业应用。1981年随着中国首条160kA大型预焙阳极电解槽引进，先进的铝电解技术装备同时引入中国。玛泰滑片机作为法国的ECL电解多功能机组配套元件，进入中国贵州铝厂，后在全国铝行业大量使用，10多台于1988~1992年购置的55kw玛泰C260型号滑片机至今仍在正常运行。1992年开始，国内有销售商开始销售代理玛泰滑片机，先后有江西玛泰机电有限公司、安徽合肥马泰机电有限公司、北京玛泰机电有限公司、沈阳伟纳通设备有限公司、沈阳艾尔压缩机有限公司等。在2000年左右，康普艾滑片机开始进入中国市场。康普艾公司的主要是生产螺杆机，其生产和研发的滑片机属于小机型，单机装机功率为55kw以下。3、玛泰与康普艾滑片式空压机技术性能参数对比。●结构对比。玛泰滑片机是典型的便于维护的结构，见图9、图10所示，机头由壳体（油池）