矿用空气压缩机的工作原理与特点

（一）活塞式空压机

1.活塞式空压机的工作原理

活塞式空压机属于容积型，空气的压缩是靠在气缸内做往复运动的活塞来完成的。图10-2（a）所示为单缸单作用活塞式空压机示意图，它是由曲轴6、连杆5、十字头4、活塞杆3、气缸1、活塞2及吸气阀7和排气阀8等组成的。

当电动机带动曲轴以一定的转速旋转时，通过连杆和十字头把转动变为活塞在缸内的往复直线运动。活塞向右运动时，气缸内容积增大，压力降低。当气缸左侧的压力略低于大气压力一定值时，吸气阀被打开，空气在大气压力的作用下进入气缸，此即吸气过程；当活塞返回向左移动时，缸内容积减少，压力逐渐增加（此时吸气阀关闭），气体在缸内被压缩，此过程称压缩过程；当气缸内气体压力升高至某一额定值时，排气阀打开，压缩空气被活塞排出缸外，此过程称为排气过程。

双作用空压机如图10-2（b）所示。气缸的右端与左端工作相似，但其工作过程恰好相反，即左端为吸气过程，右端为压缩和排气过程；右端为吸气过程，左端为压缩和排气过程，每一端均各自完成自己的工作循环。

图10-2 活塞式空压机原理

（a）单缸单作用活塞式空压机示意图；（b）双作用空压机示意图
1—气缸；2—活塞；3—活塞杆；4—十字头；5—连杆；6—曲轴；7—吸气阀；8—排气阀

2.活塞式空压机的类型

1）按气缸中心线位置分类

立式空压机：气缸中心线铅垂布置（图10-3（a））。

卧式压缩机：气缸中心线水平布置（图10-3（b）），图10-3（c）所示为对称平衡式，图10-3（d）所示为对置式。

角度式压缩机：气缸中心线与水平线成一定角度布置，按气缸排列所呈形状又分为L型、V型、W型、S型等，分别见图10-3（e）　～图10-3（h）。

图10-3 气缸中心线相对地面不同位置的各种配置

2）按活塞在气缸中的作用分类

单作用式（单动式）：气缸内只有活塞一侧进行压缩循环，如图10-2（a）所示。

双作用式（双动式）：气缸内活塞两侧同时进行压缩循环，如图10-2（b）所示。

3）按气体达到终了压力压缩级数分类

单级空压机：气体经一级压缩到达终了压力。

两级空压机：气体经两级压缩到达终了压力。

多级空压机：气体经两级以上压缩到达终了压力。

4）按气缸的冷却方式分类

水冷式空压机：用水对空压机各部分进行冷却，多用于大型空压机上。

风冷式空压机：用大气对空压机自然冷却，多用于小型空压机上。

5）按气缸内有无润滑油分类

有润滑空气压缩机：气缸内注入润滑油对气缸和活塞环间进行润滑。

无润滑空气压缩机：气缸内不注入润滑油对气缸和活塞环间进行润滑，采用充填聚四氟乙烯这种自润滑材料制作密封元件——活塞环和密封环。

无油润滑空气压缩机与有油润滑空气压缩机相比，可节省大量的润滑油；由于充填聚四氟乙烯材料的摩擦系数小，故改善了气缸相关件的磨损情况，延长了使用寿命；净化了压缩空气，保证了风动机械的安全使用，并且改善了环境卫生；气缸实现了无油润滑，避免了由于气缸过热引起润滑油燃烧、气缸爆炸的危险，有利于安全运转；取消了注油器润滑系统，避免了跑油、漏油事故，减少了维修量。

3.活塞式空压机的特点

活塞式空压机具有背压稳定、压力范围广泛、在一般压力范围内空压机对材料的要求低且多用普通钢材和铸铁材料的特点。但由于采用曲柄滑块传动机构，转速不高；单机排气量大于500 m3/min时，机器显得大而重；结构复杂，易损件多，维修量大；运转时有振动；输气不连续，压力有脉动，所以活塞式空压机一般适用于中、小排气量。

目前矿山主要使用固定式、两级、双作用、水冷、活塞式L型空压机。

（二）螺杆式压缩机

螺杆式压缩机的结构如图10-4所示。在“∞”字形的气缸中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子。通常将节圆外具有凸齿的转子称为阳转子，或阳螺杆；在节圆内具有凹齿的转子称为阴转子，或阴螺杆。一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。因此，阳转子又称为主动转子，阴转子又称为从动转子。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口，一个供吸气用，称作吸气孔口；另一个供排气用，称作排气孔口。

图10-4 螺杆压缩机结构示意图(www.xing528.com)

1—同步齿轮；2—阴转子；3—推力轴承；4—轴承；5—挡油环；6—轴封；7—气缸

1.螺杆式压缩机的工作原理

螺杆式压缩机的基元容积是由阳、阴转子和气缸内壁面之间形成的一对齿间容积，随着转子的旋转，基元容积的大小和空间位置都在不断变化。螺杆式压缩机的工作过程如图10-5所示。

图10-5 螺杆式压缩机的工作过程

吸气过程开始时，气体经吸气孔口分别进入阳、阴转子的齿间容积，随着转子的旋转，这两个齿间容积不断扩大，当这两个容积达到最大值时，齿间容积与吸气孔口打开，吸气过程结束。随着转子继续旋转，因转子齿的相互挤入，呈“V”字形的基元容积的容积值逐渐减少，从而实现气体的压缩过程，直到该基元容积与排气孔口相连通时为止。在基元容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着基元容积的不断缩小，具有排气压力的气体逐渐通过排气孔口被完全排出，螺杆式压缩机中不存在穿通容积。

从图10-5中还可看出，螺杆式压缩机中，阳、阴转子转向互相迎合的一侧，基元容积在缩小，气体受到压缩，是高压力区；转子转向彼此相背离的一侧，基元容积在扩大，处在吸气过程，是低压力区。为了在机器中实现内压缩过程，螺杆式压缩机的吸、排气孔口应呈对角线布置。

2.螺杆式压缩机的类型

按其运行方式的不同，螺杆式压缩机可分为无油螺杆压缩机和喷油螺杆压缩机两类。

无油螺杆压缩机又称为干式螺杆压缩机，在这类机器的吸气、压缩和排气过程中，被压缩的气体介质不与润滑油相接触，两者之间有着可靠的密封。另外，无油机器的转子并不直接接触，相互间存在一定的间隙。阳转子通过同步齿轮带动阴转子高速旋转，同步齿轮在传输动力的同时还确保了转子间的间隙。

在喷油螺杆压缩机中，大量的润滑油被喷入所压缩的气体介质中，起着润滑、密封、冷却和降低噪声的作用。喷油机器中不设同步齿轮，一对转子就像一对齿轮一样，由阳转子直接带动阴转子。所以，喷油机器的结构更为简单。

3.螺杆式压缩机的特点

螺杆式压缩机具有一系列独特的优点：

（1）可靠性高。螺杆式压缩机零部件少，没有易损件，因而其运转可靠，寿命长，无故障运行时间可高达4万～8万小时。

（2）动力平衡好。螺杆式压缩机没有往复运动零部件，不存在不平衡惯性力，可使机器平稳地高速工作，实现无基础运转，从而可与原动机直联，并且体积小、质量小、占地面积少，特别适合用作移动式压缩机。

（3）适应性强。螺杆式压缩机有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响，不会发生喘振现象，可在多方面适应工况的要求，在宽广的范围内能保持较高的效率。

（4）多相混输。螺杆式压缩机的转子齿面间实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可输送液气体、含粉尘气体、易聚合气体等。

（5）可实现无油压缩。无油螺杆式压缩机可实现绝对无油地压缩气体，能保持气体洁净，可用于输送不能被油污染的气体。

由于螺杆式压缩机造价高、系统复杂，以及不能用于高压场合、噪声大等缺点，制约了它的应用，需不断改进。

4.螺杆式压缩机的发展和应用

螺杆式压缩机是由瑞典的Alf Lysholm在1934年发明的，由于制造上的困难，早期的螺杆式压缩机仅用作低压比、大流量的无油压缩机。1960年后，随着喷油技术的逐渐成熟、转子型线的不断改进和专用转子加工设备的开发成功，螺杆式压缩机获得了越来越广泛的应用。

目前，螺杆式压缩机广泛应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门。无油螺杆式压缩机的排气量范围为3～1 000 m3/min，单级压比为1.5～3.5。喷油螺杆式压缩机的排气量范围为0.2～100 m3/min，单级压比可达14，排气压力可达2.5×106Pa。

（三）滑片式空压机

1.滑片式压缩机的工作原理

滑片式压缩机的构造与工作原理如图10-6所示。

图10-6 滑片式压缩机的构造与工作原理

1—吸气管；2—外壳；3—转子；4—转子轴；5—转子轴上的滑片；
6—气体压缩室；7—排气管；8—水套

滑片式压缩机是由气缸部件、壳体和冷却器等主要部分组成的。气缸部件主要零件为气缸、转子和滑片。气缸是圆筒形的，上面开有进、排气孔口，气缸内有一个偏心安置的转子，转子上开有若干径向的滑槽，内置滑片，滑片在其中做相对的滑动。转子轴通过联轴器与电动机轴直连，当转子旋转时，滑片在离心力的作用下紧压在气缸圆周的内壁上。气缸、转子、滑片和气缸前后的气缸盖组成了若干封闭的小室，依靠这些小室在旋转中容积周期性的变化，完成容积式压缩机所必需的几个工作过程，即吸气、压缩、排气和膨胀过程。也就是说，转子旋转时产生容积变化，实现空气的压缩。因此，它与活塞式压缩机一样均属于容积型。

转子中心与气缸中心的偏心距为（0.05～0.10）D；气缸长度为（1.5～2.0）D（D为气缸直径）；滑片厚度为1～3 mm，片数为8～24片。

目前我国生产的滑片式压缩机多数为二级。压缩机由电动机直接驱动，且装在同一个机座上。一级转子通过齿轮联轴器直接带动二级转子，二级气缸吸入端与一级气缸压出端连通。

2.滑片式压缩机的特点

优点：结构比较简单，由于易损件少，因此使用、维护和运转方便，检修工作量少，使用寿命长，结构紧凑，质量较小。

缺点：密封较困难，效率较低。

滑片式压缩机的排气量为0.5～500 m3/min，排气压力可达4.5 MPa。在低压、中小流量范围内有很广泛的应用前景。