第九章矿山空气压缩设备

第九章矿山空气压缩设备 §9—1 概述现代企业中，使用压缩气体的机愈来愈多，例如：化工、石油、冶金、轻工、纺织及采矿等，许多工业中无不广泛使用各种各类的气体压缩机。因此，气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用机械。

压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用以带动凿岩机、风镐及其它风动机械进行。由于像凿岩机这类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬的岩石，而且风动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯和煤层爆炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。虽然整个气力系统（包括压缩空气的生产和输送，以及在风动机具中的使用）的效率很低，成本较高，但目前矿山采掘工作，仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用以带动凿岩机、风镐及其它风动机械进行。由于像凿岩机这类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬的岩石，而且风动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯和煤层爆炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。虽然整个气力系统（包括压缩空气的生产和输送，以及在风动机具中的使用）的效率很低，成本较高，但目前矿山采掘工作，仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。空气压缩设备是指压缩和输送气体的整套设备。包括空气压缩机（简称空压机）、输气管路和附属设备。

一、矿山空压机站的组成 矿山空压机站主要包括：空压机、电动机及电控设备、冷却泵站、附属设备、管路等。二、空压机的分类现代工业中使用的压缩机种类很多，按其结构型式不同，分类如下：

目前矿山最广泛使用的是低压（p≤106Pa）活塞式压缩机，近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用也逐渐增多。常见的活塞式压缩机有以下几种：目前矿山最广泛使用的是低压（p≤106Pa）活塞式压缩机，近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用也逐渐增多。常见的活塞式压缩机有以下几种： 1、按气缸中心线的相对位置分可分为立式、卧式、角式（可分为V型、L型、W型）三种。 2、按压缩级数分可分为单级、双级、多级三种。 3、按活塞往复一次作用次数分可分为单作用、双作用。 4、按冷却方式分可分为水冷式、风冷式。

三、活塞式空压机的工作原理 图9—3 1、吸气过程 2、压缩过程 3、排气过程 4、膨胀过程

§9—2 活塞式空压机的工作循环 一、活塞式空压机的性能参数 1、排气量（V）在单位时间内测得空压机排出的气体体积数，然后换算到空压机吸气状态下的体积数，称为空压机的排气量。单位m3/min。 2、排气压力（p）空压机出口的压力称为空压机的排气压力，用相对压力度量（理论计算时采用绝对压力）。单位Pa。 3、吸、排气温度空压机吸入气体与排出气体的温度。用T1、T2表示，单位K。 4、比功率（Nb）当吸入的空气为标准状态时，其轴功率与排气量之比称为空压机的比功率。单位Kw/m3/min。

二、一级活塞式空压机的工作循环 （一）一级活塞式空压机的理论工作循环几点假设：（1）无余隙容积；（2）在整个吸气过程，气缸内空气的状态保持不变并与周围大气状态相同；（3）在整个排气过程，气缸内空气的状态保持不变并与风包中的空气状态相同；（4）气缸不漏气，气阀、吸排气管道无阻力；

（5）压缩过程为等温过程、绝热过程或多变过程，但压缩指数保持不变。（5）压缩过程为等温过程、绝热过程或多变过程，但压缩指数保持不变。在上述假设条件下，空压机的工作循环称为理论工作循环。它由吸气、压缩和排气三个基本过程组成，只有压缩过程是热力过程。其工作循环可用示功图表示。（图9—4）示功图的横坐标表示气缸容积V，纵坐标表示空气压力。

当活塞返回行程时，吸气呈封闭状态，空压机进入压缩过程，随着活塞向左移动，气缸的容积不断减小，气体压力逐渐升高。此时属于热力过程，其压缩规律为等温、绝热、多变三种情况。当活塞返回行程时，吸气呈封闭状态，空压机进入压缩过程，随着活塞向左移动，气缸的容积不断减小，气体压力逐渐升高。此时属于热力过程，其压缩规律为等温、绝热、多变三种情况。（1）按等温规律压缩 1、吸气过程 2、压缩过程

（2）按绝热规律压缩

（3）按多变规律压缩

3、排气过程 4、理论循环功按等温规律压缩时：

按绝热规律压缩时：

按多变规律压缩时： 所以，等温压缩的循环功就是等温压缩的压缩功，压缩终了空气温度T2=T1；

绝热压缩过程的循环功等于绝热压缩过程功的K倍，压缩终了空气温度；绝热压缩过程的循环功等于绝热压缩过程功的K倍，压缩终了空气温度；多变压缩循环功等于多变压缩过程功的n倍，压缩终了温度。；

（二）一级活塞式空压机的实际工作循环 1、实际工作循环图图9—5 实际工作循环的工作过程：吸气、压缩、排气、膨胀等四个过程。 2、影响实际工作循环的因素（1）余隙容积的影响（2）吸、排气阻力的影响（3）压缩过程中压缩规律变化的影响（4）其它因素的影响

三、活塞式空压机的两级压缩 （一）采用两级压缩的原因 1、压缩比受余隙容积的限制 ε↑ （其中一般α=0.07～0.15，m—多变膨胀指数，1〈m〈1.4〉令：则当：时（ V0—余隙容积，VT—理论工作容积。）， m=1时，可得最小的理论极限压缩比

2、压缩比受气缸润滑油温的限制 （1）限制油温的原因（2）单级压缩的极限压缩比取吸气温度：T1=273+20=293K 极限排气温度：T2=273+190=463K n=K=1.4

因此，大型空压机的压缩比，一般限制在5左右，当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩。因此，大型空压机的压缩比，一般限制在5左右，当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩。

（二）两级压缩的工作系统 图9-6 （三）两级压缩的优点 1、节省功耗；图9-7 2、降低排气温度； 3、提高空压机的排气量； 4、可以降低活塞力； 5、中间冷却器可以分离一部分油和水，提高压气的质量。

§9—3 活塞式空压机的结构 L型空压机是两级、双缸、复动、水冷式空压机。它主要由压缩机构、传动机构、润滑机构、冷却机构、排气量调整机构和安全保护装置等六部分组成。型号意义：

一、压缩机构 1、气缸部件气缸是空压机中组成压缩容积的主要部分，根据排气压力、排气量、结构方案、气体性质以及所用材料，气缸的结构有各种型式。L型空压机的气缸为开式铸铁气缸，水冷双层壁结构。 2、气阀部件在空压机运行中，气阀为主要易损件，处于较为苛刻工况，每分钟启闭1000次左右。一台转数为400r/min（4L—20/8型）的空压机，气阀每年启闭21000万次以上。气阀将承受拉伸、压缩、冲击、扭曲、弯曲、磨损、高温变化的潜在破坏。因此，气阀能否正常工作，直接影响空压机的排气量，功率消耗以及运转的可靠性。

气阀有两大类：一类称为强制阀，它的启闭是由专门机构控制，而与气缸内压力变化无关；这类阀结构复杂，启闭时间固定，不适于变工况运转，故很少采用。目前空压机采用随缸内和管路中气体压力变化而自行启闭的自动阀。气阀有两大类：一类称为强制阀，它的启闭是由专门机构控制，而与气缸内压力变化无关；这类阀结构复杂，启闭时间固定，不适于变工况运转，故很少采用。目前空压机采用随缸内和管路中气体压力变化而自行启闭的自动阀。自动阀有许多型式，如环状阀、网状阀、舌簧阀、蝶阀和直流阀。L型空压机的排气阀和吸气阀均为单层环状阀。

所有型式的自动阀主要由四部分组成： （1）阀座它具有能被阀片覆盖的气体信道，是与阀片一起闭锁进气（或排气）信道，并承受气缸内外压力差的零件。（2）启闭组件它是交替地开启与关闭座道的零件，通常制成片状者称为阀片。（3）弹簧是关闭时推动阀片落向阀座，开启时抑制阀片撞击升程器的组件。（对于条状阀，舌簧阀和直流阀等结构，阀片本身具有弹性，并起弹簧作用，故两者合二为一）。（4）升程限制器是限制阀片的升程，并作为承座弹簧的零件。

3、活塞部件 L型空压机的活塞组件由活塞杆、活塞、活塞环及防松螺母等组成。（1）活塞 L型空压机为盘状带锥活塞，盘状部分与气缸配合。活塞用灰铸铁成空心以减轻重量，两个端面用加强筋互相连接，以增加刚性。（2）活塞环活塞环是密封气缸内缸内壁与活塞间隙的组件，同时兼有布油和导热的作用。对活塞环的基本要求是：密封可靠并耐磨。

活塞环镶嵌于活塞的环槽内。环的外缘紧贴气缸镜面，背向高压气体一侧的端面紧压在环槽上，由此阻塞间隙密封气体；但是，常用的活塞环都采用金属开口环的结构，因此，气体能通过切口泄漏。此外，气缸和活塞环都可能有不圆度，不柱度，环槽和环的端面有不平度，这些也是造成泄漏的因素。所以，活塞环常常不是一道，而是两道或更多道同时使用，使气体每通过一道环便产生一次节流作用，进一步达到减少泄漏的目的。由此可见，活塞环密封是阻塞密封和节流密封的组合。活塞环镶嵌于活塞的环槽内。环的外缘紧贴气缸镜面，背向高压气体一侧的端面紧压在环槽上，由此阻塞间隙密封气体；但是，常用的活塞环都采用金属开口环的结构，因此，气体能通过切口泄漏。此外，气缸和活塞环都可能有不圆度，不柱度，环槽和环的端面有不平度，这些也是造成泄漏的因素。所以，活塞环常常不是一道，而是两道或更多道同时使用，使气体每通过一道环便产生一次节流作用，进一步达到减少泄漏的目的。由此可见，活塞环密封是阻塞密封和节流密封的组合。

活塞环的开口形式有搭接开口、直开口和斜开口三种，搭接开口的环工作时漏气少，性能较好，但制造工艺复杂，成本高；直开口的环漏气较严重，使用性能差，但制造方便成本低；斜切口介于两者之间，即能保证较好的使用性能，制造又简单，开口斜角一般为38°～45°。L型空压机采用斜开口密封环。活塞环的开口形式有搭接开口、直开口和斜开口三种，搭接开口的环工作时漏气少，性能较好，但制造工艺复杂，成本高；直开口的环漏气较严重，使用性能差，但制造方便成本低；斜切口介于两者之间，即能保证较好的使用性能，制造又简单，开口斜角一般为38°～45°。L型空压机采用斜开口密封环。活塞环的材料通常用灰铸铁。有时在铸铁环上嵌青铜，轴承合金，或填充聚四氟乙烯，防止气缸拉毛并延长环的使用寿命。

二、传动机构 1、机身机身用铸铁制成，它的作用是：（1）作为气缸的承座；（2）承受并传递作用力；（3）作为传动机构的导向和定位。不同形式的空压机具有不同形状的机身。L型空压机的机身，外形为正置的直角形，在垂直和水平颈部分别制成立列和卧列的十字头滑道，十字头就在其中作往复运动。颈部法兰端面分别与高、低气缸相连，机身两侧壁上的圆孔通过轴承座安装曲轴轴承，取去前轴承座，即可方便地拆装曲轴、连杆，机身下部曲轴箱兼作油池，同时用地脚螺栓与基础固定。所有检查孔盖均垫以软垫，以使机身密封。在机身立列颈部有通气孔，通过细管与吸气管连接，以防填料不严密时漏气使机身内产生过高的压力。

2、曲轴部件 见图9-9 曲轴由球墨铸铁制成。L型空压机的曲轴，它仅有一个曲拐，为高低压缸两连杆所共有，传递电动机的扭矩。曲柄上在曲拐的对面固定着两块平衡铁，用来平衡曲柄部分的旋转质量，曲轴的外伸端有锥度，可以方便地拆装皮带轮。在曲轴后端接有传动齿轮油泵的小轴，并经过小轴上的蜗轮蜗杆机构传动柱塞油泵。曲轴上钻有油孔，以使齿轮油泵排出的润滑油通过曲轴瓦，十字头销瓦等摩擦面进行润滑。两个或三个双列径向调心滚柱轴承紧配合于曲轴的两侧，一端轴承盖与轴承间留有1.5～2.5的热膨胀间隙。

3、连杆部件 连杆由大头，小头和杆体组成。大头分为开式，嵌有巴氏合金瓦，大头的盖子用连杆螺栓与曲柄组装在一起，大头的轴瓦间隙可以用垫片调节。小头为整体式，在小头内镶有整圆的铜套，穿入十字销与十字头相连。杆体截面有圆形、环形、矩形、工字形等，其材料通常为球墨铸铁，杆体内有贯穿大小头的油孔，该孔把润滑油输送到十字头，使曲柄销和连杆，连杆和十字头销之间的相对运动部分得到润滑。连杆的大头与曲轴一起转动，其小头和十字头一起作往复运动，连杆本身作平面摆动，其主要作用是变旋转运动为往复运动。

4、十字头部件 十字头有整体式和分开式两种。整体封闭式，用球墨铸铁制成，其一端螺孔与活塞杆相连，活塞杆拧入十字头的长度可以变动，用以调节活塞和气缸之间的间隙改变余隙容积。横向的圆孔内装有十字头销与连杆小头相连，十字头销内有油孔，从连杆来的润滑油经十字头销进入十字头上下的滑履上，以润滑滑履和滑道间的相对摩擦面，润滑后的润滑油流回曲轴箱，即油池。

注意：十字头销在十字头内的位置不能调换，若方向装反，油路完全切断，十字头滑履得不到供油会造成摩擦面烧毁的机械事故。注意：十字头销在十字头内的位置不能调换，若方向装反，油路完全切断，十字头滑履得不到供油会造成摩擦面烧毁的机械事故。三、润滑机构在空压机中，具有相对运动的部位如活塞环与气缸壁、填料与活塞杆、曲轴与轴承、连杆大小头、连杆小头衬套及十字滑道等处，都必须注润滑油以达到以下目的：1）减轻滑动部件的磨损，延长零件寿命；2）减少摩擦功耗；3）润滑油有冷却作用，可带走摩擦热，使零件的工作温度正常，同时保证滑动部分必要的运转间隙，防止滑动部件过热或咬死；4）密封气缸的工作容积以提高活塞和填料箱的密封性。空压机的润滑包括两部分：一是气缸内部的润滑，二是传动系统（运动部件）的润滑。

1、运动部件的润滑系统 一般由滤油器、润滑油冷却器、润滑油泵（一般用齿轮泵）、油管、压力表和压力调节阀组成。润滑油流动路线：油池→粗滤油器→齿轮泵→油冷却器→滤油器→曲轴中心孔→曲柄销和连杆大头瓦的配合面→连杆中心孔→连杆小头瓦和十字销配合面→十字头滑轨→油池。油压的大小可通过油压调节阀来控制。 2、气缸部件润滑系统按润滑油达及气缸镜面的方式，气缸润滑可分为飞溅润滑、压力润滑和喷雾润滑三种。

飞溅润滑一般用于单作用式空压机。曲轴箱中被旋转的平衡铁头部或拨油杆溅起的油雾及油滴，当活塞接近上止点时落于气缸未被活塞遮盖的镜面，并在活塞的下一循环进入活塞环槽中，再由活塞环分布至需要润滑的表面。低压的第一级，在吸气过程中气缸里能产生真空，润滑很易被吸入气缸内，并在压缩气体高温度作用挥发，然后和压缩气体一起排出空压机，所以，飞溅润滑往往容易出现压气中含油过多和耗油量过多的现象。飞溅润滑一般用于单作用式空压机。曲轴箱中被旋转的平衡铁头部或拨油杆溅起的油雾及油滴，当活塞接近上止点时落于气缸未被活塞遮盖的镜面，并在活塞的下一循环进入活塞环槽中，再由活塞环分布至需要润滑的表面。低压的第一级，在吸气过程中气缸里能产生真空，润滑很易被吸入气缸内，并在压缩气体高温度作用挥发，然后和压缩气体一起排出空压机，所以，飞溅润滑往往容易出现压气中含油过多和耗油量过多的现象。

喷雾润滑——在空压机的气缸进气接管处，喷入一定量的润滑油，油和气体相混合一起进入气缸，然后一部分粘附在气缸镜面上供气缸润滑。喷雾润滑——在空压机的气缸进气接管处，喷入一定量的润滑油，油和气体相混合一起进入气缸，然后一部分粘附在气缸镜面上供气缸润滑。飞溅润滑的优点是简单，缺点是耗油量难以控制。喷雾润滑的结构也很简单，且第一级进气阀可得到润滑，但油雾仅与气缸接触的一部分能粘附在缸壁上，其它部分仍和气体一起被排出气缸而得不到利用，同时增加压气的含油量，此外，油和空气密切混合容易氧化积炭。所以喷雾润滑目前应用不多。压力润滑是应用最广泛的润滑方式。润滑油由专门的多头注油器经油管和注油逆止阀注入气缸及填料处。（图9—11）

空压机气缸的无油润滑：1973年在我国个别矿井开始应用，由于节约了润滑油，杜绝了积炭爆炸，断油烧缸等事故隐患，改善了环境卫生，减轻了相关零件的磨损，延长了气缸、活塞环的寿命，减少了维修量等，效果良好。空压机气缸的无油润滑：1973年在我国个别矿井开始应用，由于节约了润滑油，杜绝了积炭爆炸，断油烧缸等事故隐患，改善了环境卫生，减轻了相关零件的磨损，延长了气缸、活塞环的寿命，减少了维修量等，效果良好。实验表明，空压机气缸润滑方式的改变还可增加排气量，提高排气效率，降低电耗，减小比功率，从而改善空压机的性能。气缸无油润滑采用填充聚四氟乙烯固体材料的活塞环，代替油膜润滑的铸铁活塞环。

四、冷却系统 1、空压机冷却的意义和方式（1）意义（2）方式空压机的冷却方式可分为风冷式和水冷式两种，风冷是使压缩过程放出的热量由气缸壁辐射，发散于大气中。为了增加发散面积，通常在气缸外壁制成许多散热薄片。但其散热效果很差，只限于小型空压机采用。一般空压机采用水冷方式。 2、空压机的水冷系统（见图9-12）空压机的水冷系统由气缸水套、中间冷却器（见图9-13）、后冷却器、水泵、管路以及冷却水池（或冷却水塔）组成。

第九章 矿山空气压缩设备