螺杆式空压机吸气过程技术改造

李俊岭 韩志侃

(1.福陆(中国)工程建设有限公司；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

螺杆式空压机吸气过程技术改造

李俊岭*1韩志侃2

(1.福陆(中国)工程建设有限公司；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

通过设计应用新的吸气消声滤气器、优化吸气管长，对螺杆式空压机的吸气过程进行改造。

螺杆式空压机 消声滤气器 吸气管

螺杆式空气压缩机是容积式压缩机的一种，它的工作过程是靠机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而完成的，转子副在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线，由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气3个步骤。螺杆式空气压缩机使用性能优良可靠、机组重量轻、振动小、噪音低、操作方便、易损件少、运行效率较高，是主要的重型机械工程设备，广泛应用在矿山、石化及建筑等行业。随着我国采矿行业的不断发展，矿山压气设备已经大规模应用螺杆式空压机来代替多缸复动水冷式空压机。但螺杆式空压机吸气过程存在吸气口噪声大、吸气管道长度不合理等问题，需要对它进行优化改造。

1 存在的问题

一般来说，螺杆式空气压缩机的设计安装对吸气管道的长度并没有明确要求，很多厂家一般都设定吸气管长为7～12m左右， 这种设定缺乏严谨性，没有从振动产生的原理方面去验证。

在现实生产过程中，螺杆式空气压缩机以吸气口的噪声最明显，且该噪声具有明显的低频性。

如果吸气口没有合理的除尘装置，其所吸入的空气中一般都含有较多的粉尘， 这不仅给螺杆式空气压缩机带来不良的影响，而且还会一定程度地减少其使用寿命。

1.1 振动

在空气压缩机的运转过程中，阴、阳两个转子由电机驱动快速旋转，同时产生大量的热能和机械能，由于热能和机械能不能快速的转化，出现了转变成一部分对外部做功的能量，这部分能量就是转子给空气压缩机带来振动的原因。

机壳是空气压缩机的重要组成部分，同时也是空气压缩机的外部结构，它给压缩机带来的振动比较有限。

同步齿轮安装在主机前端，能够保证压缩机内部阴、阳两转子的同步转动，一旦阴、阳转子的啮合出现问题，同步齿轮会受影响振动；另一方面，同步齿轮自身的材料或后期加工不合理也会引发振动。

轴承是转动机构，一般情况下不会产生不良状况，但如果轴承出现磨损、超温或抱轴也可能引发振动。在日常的运行中，一般设备操作人员会精心操作，空气压缩机的润滑系统失灵导致温度过高发生抱轴的情况很少出现。

综上所述，空气压缩机振动产生的最大原因可能是阴、阳两个转子，一旦两转子的啮合产生问题，那么空气压缩机的其他结构也会受到影响。

螺杆式空气压缩机工作时曲轴的旋转处于不平衡的动力状态，再加上吸、排气阀不断工作，一定程度使得螺杆式空气压缩机产生了不同形式的振动，例如机身的弹性振动，气柱带来的管道振动和设备自身的结构振动。如果设计螺杆式空气压缩机不去考虑设备的固有频率与受迫引起的激振频率的关系，会使得振动部位产生较大振幅的振动，严重时甚至会出现共振损坏空压机。

1.2 噪声

螺杆式空气压缩机的噪声频率主要取决于转子转速，即：f=2n/60，其中n为空压机转速(r/min)，f为频率。一般市面上的螺杆式空气压缩机吸气过程的噪声处于低频。因此考虑抗性消声的治理措施，这样能够进一步降低吸气过程噪声里的低频成分。笔者考虑使用超细玻璃棉作为吸声材料。

1.3 粉尘

螺杆式空气压缩机的工作环境一般比较恶劣，吸入的空气里含有较多的灰尘。而一旦空压机吸进灰尘，可能会污染设备中的气阀，导致阀片的损坏加剧，也磨损了其他的运动件，更加大了空压机的清洗工作量。

2 改造方法

2.1 减振

螺杆式空气压缩机的吸气管道振动较为复杂，可以整体看作弹性系统，多种因素都会影响它的结构共振。想要通过精确计算得到真实的解比较复杂，而就工程问题而言, 能得出一个较好的近似解就可以满足实际要求。笔者对吸气管道进行简化，将管道及其上附件的分布质量按等效集中质量处理，也就是说将吸气管道简化为一个无质量的弹性管道，其上连接着6个集中等效质量分别为：简化吸气管道的水平段为两个集中质量块M1、M2；滤风器和卸荷阀也简化成质量块M3、M4、M5和M6。可将简化系统看作是整个的振动系统。为简化计算过程，约定等效质量产生的动能与实际管道系统的动能相等，根据这一规定，导出等效质量为:

其中，Mi为单位长度管道的质量，θi为Mi的相对转动角速度。当整个系统发生振动时, 第i个质量块所具有的动能除了与自身相对转动的角速度有关外，还受到周围连接的质量块振动的影响。所以第i个质量块在发生振动时的动能为：

根据拉格朗日方程，某一系统的振动能为：

根据以上方程，结合文献[1]提出的程序，计算了吸气管道系统的前3阶固有频率，见表 1，其中fi为结构固有频率；fg为气柱固有频率。

表1 固有频率计算结果

由表1可以看出：当空压机采用直径273mm的吸气管道时，其振动的动力主要来自设备中气阀的开启和关闭，另外转子的旋转也会带来一定的不平衡动力。其激发的频率为f0=13.3Hz，相距管系本身的固有频率较远，也就是说基频频带f1=(0.8～1.2)f0。为了防止管道系统发生共振，吸气管的长度取6.0～6.5m较合适。当吸气管长度在9.5～10.0m的范围内时，尽管和管道发生结构共振的可能性大幅降低，但此时气阀的开启频率接近于管道内的气柱三阶固有频率，也可能引起系统共振。如果按照7.0～8.0m的长度进行设计，虽然此时的频率较为稳定，部分空压机设备的运行也比较平稳，但是设备内的其他一些因素，如管道支架、阀门等也可能增加管道系统的阻尼作用，所以这个范围也不是合理的选择。

经过分析可以明确：在设计布置空压机的吸气管道时，首先要考虑管道振动的固有频率，才能够防止空压机在运行时产生较大的振动与噪音。

2.2 降噪和防尘

根据我国的工业企业噪音排放标准，针对空压机机房，其噪声必须小于85dB。螺杆空压机设备的噪声来源于多个部分的噪声叠加，其进气部分的消声量至少要有15dB。同时消声器的设置也具有较好的除尘作用，能够减少进气过程中的含尘量。

消声器在设计时要注意阻力不能过高，过高会影响吸气。如图1所示的消声滤气器结构采用了挡油板和滤油网，为了降低滤油网所产生的较高阻力，将滤油网的通气面积变大，大于原来的网式滤清器的通气面积。具体采用的是8 目的镀锌铁丝网，共75 层。挡油板和滤油网设计为抽屉式结构，便于拆卸清理。

图1 消声滤气结构示意图

2.2.1消声原理

消声滤气器分4个扩张室，气流在经过时会发生4次扩张和收缩，这一动作可以抗性消声。各段扩张比为7～ 9, 扩张和收缩动作的抗性消声量能够达到10dB左右。同时，位于中间的滤油网可以进行阻性消声，如果滤油网的阻性消声量为5dB,这就达到了降噪的设计指标。

2.2.2除尘原理

螺杆空压机的底箱中加入10#机油(与设备所用的润滑油一样)，运行时空气通过一定长度的进风管沿底部的进风口进入消声滤气器室，由于转子的作用，机油由旋转气流带动，产生了大量的油滴，油滴可以粘附产生的尘粒。由于油滴和尘粒受到离心力的作用，受迫飞向筒体周壁，尘粒受到油液的冲洗，流到箱底。气流通过中心管进入中间箱体室, 由于体积变大导致风速降低，使得大颗粒的油滴下落， 形成油液沿着管壁流下去,这时一部分尺寸较大的油滴又被气流吹碎成小油滴继续上升，从而形成了良好的油滴捕尘环境。较细的油滴和尘粒继续上升, 被滤网阻住，被滤清的空气最后通过送风管道进入空压机。

2.2.3降噪除尘性能的检验

分别采用挡油板和滤油网进行降噪试验，发现改用滤油网时, 降低噪声量7 ～ 10dB，说明滤油网具有一定的阻性消声作用。对螺杆式空压机采用了所设计的消声滤气器，并对使用前后噪声进行了测定，数据显示噪声下降比较明显，最优消声量达26dB。

除尘性能的测定主要采用清理称重法，所统计的灰尘重量是指沉在消声滤气器底部并减掉机油后的积尘重量。通过观察滤油网发现，底部的滤网上略有积尘，到第六层以上的滤网己无积尘。说明该消声滤气器的除尘效果较好。这主要是由于采用了多层滤网，其缝隙小，且气流速度较大，滤网层与层互相交叉，气流发生了多次转弯，再结合滤网上的机油，使得尘粒粘住的比率高。而且这种结构对噪声也有比较好的阻滞作用。所以，粘有机油的滤网层具有一定的阻性消声作用。

3 优化改造方向

螺杆空压机目前仍存在许多问题，有些地方还有改进优化的空间，优化方向大致有：

a. 重新设计螺杆空压机的型线，要充分结合型线自身的啮合特性，同时考虑到转子的受力状态和受热变化状态，设计新型的型线，从而进一步提高空气压缩机的工作效率；

b. 分析螺杆空气压缩机的喷油过程，分析该过程对空压机是否泄漏以及对机器换热、摩擦等方面的影响，进一步优化喷油的工艺参数，降低喷油过程的不利影响；

c. 模拟分析空压机在吸气和排气过程的流场特性，结合流场的动态特性分析，重新合理地分布吸气口和排气口的位置和形状；

d. 分析空压机产生噪声的根本原因，弄清楚不同的型线和不同的孔口配置对噪声的影响；

e. 优化螺杆空压机的齿间加工工艺，采用高精度的数控机床设备，结合先进的少切削甚至无切削的新型机械加工工艺；

f. 进一步扩大螺杆空压机的参数可调节范围，使其适用于小流量、高压力的排气方式。同时开发新的气量调节机构，并采用当前主流的新型智能控制系统，提高螺杆空气压缩机运转过程的智能化和经济性水平。

4 小结

4.1在设计布置空压机的吸气管道时，要结合管道的振动固有频率，才能够防止空压机在运行时产生较大的振动与噪声，笔者所研究的空压机合理吸气管长度可选择6.0～6.5m。

4.2通过具体的试验发现，设计的消声滤气器能降低吸气口噪声15 ～ 17dB。

4.3设计的消声滤气器具有明显的除尘作用，使进入空压机的空气含尘量减少，从而可减少清洗气阀的工作量， 有利于延长机器的使用寿命。

[1] 叶会华，李明，田贵山. 空压机吸气管道结构固有频率及最佳吸气管长[J]. 阜新矿业学院学报(自然科学版), 1997, 12(6):125～126.

TQ051.21

B

0254-6094(2016)01-0125-04

*李俊岭，男，1973年2月生，工程师。上海市，201103。

2015-09-07)