活塞式空压机的构造设计

我国煤矿使用的活塞式空压机，多数为大型固定式空气压缩机，L型空压机最为常见，如4L-20/8型和5L-40/8型等。

以4L-20/8型和5L-40/8型为例说明L系列活塞式空压机的型号意义。

4——L型系列产品序号；

L——高、低压气缸为直角形布置（低压缸立置、高压缸卧置）；

5.5——新L系列产品活塞力为5.5 t；

20，40——额定排气量，m3/min；

8——额定排气压力（表压力），kg/cm2（工程单位制），约为0.8 MPa。

图10-11所示为4L-20/8型空压机的结构。L型空压机是两级、双缸、双作用、水冷、固定式空压机，主要由动力传动系统、压缩空气系统、冷却系统、润滑系统、调节系统和安全保护系统六大部分组成。

图10-11　4L-20/8型空压机的结构

1—机身；2—曲轴；3—连杆；4—十字头；5—活塞杆；6—一级填料函；7—一级活塞环；8—一级气缸座；
9—一级气缸；10—一级气缸盖；11—一级减荷阀组件；12—一级负荷调节器；13—一级吸气阀；14—一级排气阀；
15—连杆轴瓦；16—一级活塞；17—螺钉；18—三角皮带轮；19—齿轮泵组件；20—注油器；
21，22—蜗轮及蜗杆；23—十字头销钢套；24—十字头销；25—中间冷却器；26—二级气缸座；
27—二级吸气阀组；28—二级排气阀组；29—二级气缸；30—二级活塞；31—二级活塞环；
32—二级气缸盖；33—滚动轴承组；34—二级填料函

（1）动力传动系统。动力传动系统主要由曲轴、连杆、十字头、飞轮及机架等组成，其作用是传递动力，把电动机的旋转运动转变成活塞的往复运动。

（2）压缩空气系统。压缩空气系统由空气过滤器、吸气阀、排气阀、气缸、活塞组件、密封装置和风包等组成。

（3）润滑系统。润滑系统由齿轮油泵、注油器和滤油器等组成。

（4）冷却系统。冷却系统由中间冷却器、气缸冷却水套、冷却水管、后冷却器和润滑油冷却器等组成。

（5）调节系统。调节系统主要由减荷阀、压力调节器等组成。

（6）安全保护系统。安全保护系统主要由安全阀、油压继电器、断水开关和释压阀等组成。

由L型空压机构造图可以看出，其主要系统的流程如下：

压气流程：外界大气→滤风器→减荷阀→一级吸气阀→一级气缸→一级排气阀→中间冷却器→二级吸气阀→二级气缸→二级排气阀→（后冷却器）→风包。

动力传递流程：电动机→三角皮带轮→曲轴→连杆→十字头→活塞杆→活塞。

（一）活塞式空压机的主要部件

1.机身

机身起连接、支承、定位和导向等作用，图10-12所示为机身剖面图。机身与曲轴箱用灰铸铁铸成整体，外形为正置的直角“L”形，在垂直和水平颈部装有可拆的十字头滑道，颈部端面以法兰与一、二级气缸组件相连，机身相对的两个侧壁上开有安装曲轴轴承的大小两孔，机身的底部是润滑油的油池。

图10-12　机身剖视图

1—立列黏合面；2—立列十字头导轨；3—卧列黏合面；
4—卧列十字头导轨；5—滚动轴承孔

为了观察和控制油池的油面，在机身侧壁上装有安放测油尺的短管。为了便于拆装连杆和十字头等部件，在机身后和十字头滑道旁分别开有方形窗口和圆形孔，均用有机玻璃盖密封，整个机身用地脚螺栓固定在地基上。

2.曲

曲轴是活塞式空压机的重要运动部件，它接收电动机以扭矩形式输入的动力，并把它转变为活塞的往复作用力以此压缩空气而做功。图10-13所示为4L-20/8型活塞式空压机的曲轴部件，曲轴的材料一般为球墨铸铁，它由两段轴颈、两个曲臂和一个并列装置、两个连杆的曲拐组成。曲轴两端的轴颈上各装有双列向心球面滚珠轴承，支承在机身侧壁孔上。曲轴的两个曲臂上分别连接一端的曲拐和轴颈，并各装有一块平衡铁，以平衡旋转运动和往复运动时不平衡质量产生的惯性力。曲轴上钻有中心油孔，通过此油孔使齿轮油泵排出的润滑油能流动到各润滑部位。

3.连杆

连杆是将作用在活塞上的推力传递给曲轴，并且将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动的部件。由图10-14可知，连杆由大头、大头盖、杆体和小头等部分组成。杆体呈圆锥形，内有贯穿大小头的油孔，从曲轴流来的润滑油由大头通过油孔到小头润滑十字头销。连杆材料为球墨铸铁。

图10-13　4L-20/8型活塞式空压机的曲轴部件

1—主轴颈；2—曲臂；3—曲拐；4—曲轴中心油孔；5—双列向心球面小滚子轴承；
6—键槽；7—曲轴外伸端；8—平衡铁；9—蜗轮；10—传动小轴

图10-14　连杆

1—小头；2—杆体；3—大头；4—连杆螺栓；
5—大头盖；6—连杆螺母

连杆大头采用剖分结构，大头盖与大头用螺栓连接，安装于曲拐上，螺栓上有防松装置。大头孔内嵌有巴氏合金衬层的大头瓦，其间有两组铜垫，借助铜垫可调整大头瓦和曲拐的径向间隙。连杆小头孔内衬一铜套以减少摩擦，磨损后可以更换。连杆小头瓦内穿入十字头销与十字头相连，可从机身侧面圆形窗口拆卸。

4.十字头

十字头部件如图10-15所示，它是连接活塞杆与连杆的运动机件，在十字头滑道上做往复运动，具有导向作用。其材质为灰铸铁。

图10-15　十字头部件

1—十字头体；2—十字头销；3—螺钉键；4—螺钉；
5—盖；6—止动垫片；7—螺塞

十字头主要有十字头体和十字头销两部分。十字头体的一端有内螺纹孔与活塞杆连接，借助于调节螺纹的拧入深度，可以调节气缸的余隙容积大小。两侧装有十字头销的锥形孔，十字头销用键固定在十字头上，并与连杆小头相配合。十字头销和十字头摩擦面上分别有油孔和油槽，则连杆流来的润滑油经油孔和油槽，润滑连杆小头瓦与十字头的摩擦面。

5.活塞组件

活塞组件包括活塞、活塞环和活塞杆，如图10-16所示。

图10-16　活塞组件

1—活塞杆；2—活塞；3—活塞环；
4—螺母；5—冠形螺母

1）活塞

活塞是活塞式空压机中压缩系统的主要部件，曲轴的旋转运动，经连杆、十字头、活塞杆变为活塞在气缸中的往复运动，从而对空气进行压缩做功。

常见的活塞形状有筒形和圆盘形两种。有十字头的空压机均采用圆盘形活塞，如图10-16中的2；为了减小质量，活塞往往铸成空心的，两个端面用加强肋连接，以增加刚度。活塞材质为灰铸铁。

2）活塞环

活塞圆柱表面上有两个环槽，装有矩形断面的活塞环，活塞环一般用铸铁材料制成开口，具有一定的弹力，在自由状态时，其外径大于气缸内径。活塞环的开口形式有直切口、斜切口（斜角为45°或60°）和搭切口，如图10-17所示。

图10-17　活塞的切口形式

活塞环的作用是利用本身张紧力使环的外表面紧贴在气缸镜面上，以防止气体泄漏。为避免气体从切口处窜流，各活塞环的开口应互相错开，错开角度不小于120°。由于活塞环和气缸壁之间有摩擦，故气缸壁内使用润滑油，一般用压缩机油，同时活塞环也起布油和导热作用。无油润滑空压机活塞环采用自润滑的聚四氟乙烯。

3）活塞杆

活塞杆一般用45钢锻造而成，杆身摩擦部分经表面硬化处理，具有良好的耐磨性。活塞杆的一端制成锥形体，插入活塞的锥形孔内，用螺母固结，并插有开口销以防松动。活塞杆的另一端与十字头用螺纹连接，调节好余隙容积后，用螺母锁紧。

6.气缸

气缸由缸体、缸盖、缸座用螺栓连接而成，接缝处有石棉垫，以保证密封。整个气缸组件连接在机身上，缸盖和缸座各有四个阀室（两个装吸气阀，两个装排气阀）。气缸为双层壁结构，中间为冷却水套，水套将吸气室和排气室的气路隔开，如图10-18所示。

图10-18　双层壁气缸

7.气阀

气阀包括吸气阀和排气阀，它是空压机最关键也是最容易发生故障的部件。

图10-19所示为4L-20/8型空压机低压气缸的吸气阀和排气阀，两阀均为单层环状阀，其由阀座、阀片、阀盖、弹簧、连接螺栓和螺帽等组成。阀座是由一组直径不同的同心圆环所组成的，各环间用肋连成一体（图10-20）。阀座与阀片贴合面制有凸台，以便阀片与阀座保持密封，考虑到阀片启闭频繁，阀片常制成圆环状的薄片。

图10-19　4L-20/8型空压机低压气缸的吸气阀和排气阀

（a），（c）Ⅰ、Ⅱ级吸气阀；（b），（d）Ⅰ、Ⅱ级排气阀
1—阀座；2—阀盖；3—弹簧；4—阀片；5—螺帽；6—螺栓；7—开口销；8—石棉垫

图10-20　环状阀

1—阀座；2—阀片；3—升程限制器；4—弹簧；5—螺钉；6—螺母

环状阀在工作时，阀盖上布置的小弹簧将阀片紧压在阀座的通气孔道上，吸气阀上部与进气管连接，下部装入气缸内。气体在膨胀过程中，活塞继续运动，缸内压力进一步降低，当缸内压力与进气管内的压力差超过弹簧的预压力时，阀片向气缸内移动，空气通过阀片和阀座的间隙进入气缸。吸气终了，缸内压力上升，当缸内压力与弹簧一起能将阀片抬起压回阀座上时，吸气阀关闭。排气阀的作用和吸气阀相似，但阀座与阀盖的位置正好和吸气阀相反，阀座下部通缸内，上部通缸外排气管，阀盖上的弹簧将阀片向下压在阀座的通气孔道上。当气缸内压力高于排气管的压力，并且两者的压力差大于弹簧的压力时，阀片向上运动，压缩空气通过阀片与阀座的缝隙由缸内向外排气。排气完毕且活塞向回运动时，缸内压力下降，排气阀的阀片被弹簧压回阀座，排气阀被关闭。

图10-21　高压缸金属密封结构

1—垫圈；2—隔环；3—小室；
4—密封圈；5—弹簧；6—挡油圈

8.填料装置(www.xing528.com)

为了阻止活塞杆与气缸间的气体泄漏，设置填料密封。目前空压机填料密封多使用金属密封。图10-21所示为高压缸的金属密封结构，由垫圈、隔环、密封圈、挡油圈和弹簧等组成。两个垫圈和隔环分隔成两室，前室（靠近气缸侧）内放置两道密封圈；后室（靠近机架侧）放置两道挡油圈，以防止传动系统的润滑油进入气缸。

密封圈采用三瓣等边三角形结构，如图10-22所示。外缘沟槽内放有拉力弹簧将其扣紧，使它们的内圆面紧贴在活塞杆上，当内圈磨损后，借助弹簧的力量，使密封圈自动收紧，确保密封。密封室内的两个密封圈，其切口方向相反，放置时切口互相错开。

图10-22　三瓣斜口密封圈和挡油圈

（a）密封圈；（b）挡油圈

挡油圈的结构形式和密封圈相似，只是内圆处开有斜槽，以便把活塞杆上的油刮下来不使其进入气缸。

由于这种填料是自紧式的，因此允许活塞杆产生一定的挠度，而不会影响密封性能。

（二）活塞式空压机的附属设备

1.滤风器

滤风器的作用是过滤空气，以阻止空气中的灰尘和杂质进入气缸。因为灰尘和杂质吸入气缸后，将与高温气体和润滑油混合而黏附在气阀、气缸壁和活塞环等处，从而使气阀不严密；加快气缸镜面和活塞组件的磨损；增大吸、排气阻力和排气温度，增加功耗和降低效率。

滤风器的结构主要由外壳和滤芯组成。4L-20/8型空压机的金属网滤风器如图10-23所示，其外壳由筒体1和封头2、5组成，筒体内装有圆筒形滤芯3，它是由多层波纹状金属网组成的，其上涂有黏性油（一般用60%的气缸油和40%的柴油混合而成），黏性油的黏度为3.3～3.7 °E。当污浊空气通过时，灰尘和杂质便黏附在金属网上，使空气得以过滤。

图10-23　4L-20/8型空压机的金属网滤风器

1—筒体；2，5—封头；3—圆筒形滤芯；4，6—螺母

滤风器应安装在室外进风管道上，它与空压机的距离应不超过10 m，并处于清洁、干燥、通风良好的阴凉处为宜。滤风器的吸气口向下布置，以免掉进杂物，并设防雨设施。

2.风包

风包是大、中型活塞式空压机必须配置的设备，一般竖立装在室外距机房1.2～1.5 m处。空压机排出的压缩气体通过排气管输入风包。风包有三个作用，一是稳压作用，做往复运动的活塞，排出的气体量是脉动的，风包能减缓其压力脉动，从而达到稳压的目的；二是储存一定量压气，对风动机械用气的不均衡性起一定的调节作用；三是风包可分离压缩空气中的油、水，提高气体质量。

3.冷却系统

冷却系统的主要作用是降低压气的温度，从而节省功率消耗，提高空压机工作的经济性和安全性。

空压机内起冷却作用的主要部位是气缸水套和中间冷却器两大部分。气缸用水套进行冷却，由于接触散热面小，故对缸内气体冷却效果不显著，主要目的是限制气缸和压气的温度不要太高，使得气缸内压缩机油维持一定黏度，保证活塞与气缸间的润滑效果。

中间冷却器主要由外壳和一束水管组成，冷却水在管内流，压气在管外流，压气的热量通过管壁传递给冷却水。由于接触面积较大，故散热较快、冷却效果较好。

为了节约用水，大型空压机站都采用循环冷却水系统，如图10-24所示，经冷却塔7冷却后的水顺水沟8流入冷水池9，由图10-24中的3号冷水泵经总进水管1将冷水首先打入中间冷却器2，从中间冷却器流出的水再分两路分别引入Ⅰ、Ⅱ级气缸水套4和3，从中流出的热水经漏斗5及回水管6流回热水池10。图10-24中实线表示冷水，虚线表示热水，No.2泵为备用泵。

图10-24　循环冷却水系统

1—总进水管；2—中间冷却器；3—Ⅱ级气缸；4—Ⅰ级气缸；5—漏斗；
6—回水管；7—冷却塔；8—水沟；9—冷水池；10—热水池

4.润滑系统

空压机需要润滑的部位有气缸、曲轴、连杆和十字头等。由于气缸内部润滑禁止使用一般机械油，故一定采用黏度高、热稳定性好、闪点较高的压缩机油。天热时多采用19号压缩机油，天冷时采用13号压缩机油。曲轴、连杆和十字头传动机构只要用机油润滑即可，一般采用30号、40号、50号机油。因此润滑系统可分气缸内润滑系统和传动机构润滑系统，如图10-25所示。

气缸内润滑系统：由曲轴1上的蜗杆带动蜗轮3及凸轮17，驱动注油器的柱塞上下运动，将油箱中的压缩机油定量注入气缸壁上的小孔，润滑气缸及活塞。

传动机械的润滑系统：装在曲轴1上的传动空心轴2带动齿轮泵，经过滤器、油管、冷却器从油池中吸油进齿轮泵，加压后经过过滤器注入曲轴中心油孔，润滑连杆大头轴瓦，再经连杆中心油孔进入连杆小头轴瓦及十字头销油孔，最后经十字头滑道流回油池。

5.调节系统

由于电动机的转速一定，则空压机产生的压气量是一定的，而使用的风动工具和风动机械台数是经常变化的，因此耗气量也是变化的。当耗气量大于运转着的空压机的总排气量时，输气管中的压力降低，这时可启动备用空压机。当耗气量小于空压机的排气量时，多余的压气使输气管中的压力增高，压力增高太多，容易产生危险。当这种情况持续时间较长时，可以暂停部分运转着的空压机；时间较短时，空压机启停太频繁，因此必须采取措施，调节空压机的排气量。

1）关闭进气管调节

关闭进气管调节简单地说是关闭空压机的进气通道，使空压机没有低压空气吸入，从而也就没有高压空气排出。用这种方法调节空压机的排气量简便、经济。

图10-25　空压机润滑系统原理

1—曲轴；2—传动空心轴；3—蜗轮蜗杆；4—外壳；5—从动轮；6—主动轮；7—一油压调节阀；
8—螺帽；9—调节螺钉；10—回油管；11—压力表；12—滤油器；13—连杆；14—十字头；
15—十字头销；16—气缸；17—凸轮；18—杠杆；19—柱塞泵；20—球阀；
21—吸油管；22—油槽；23—顶杆

关闭进气管调节装置主要由压力调节器和卸荷阀两个部件组成，其结构如图10-26和图10-27所示。压力调节器有两个接口，一个接风包，另一个接卸荷阀。在正常情况下，两个接口不相通，当风包中的气体压力超过压力调节器的设定压力时，压缩空气顶开压力调节器的阀进入卸荷阀的活塞缸中，推动活塞向上移动关闭蝶形阀，把进气管路堵塞，从而使空压机不能吸气，进入空转状态。当风包中的压力降低到某一值时，压力调节器中的阀在弹簧力的作用下切断风包与卸荷阀的通道，卸荷阀活塞缸下部没有压缩空气供给，同时上部有弹簧的作用，蝶形阀向下运动，使阀处于开启状态，空压机恢复正常运转。

图10-26　压力调节器

图10-27　卸荷阀结构

为了使空压机不带负荷启动，启动前转动卸荷阀上的手轮，顶起活塞向上移动，使蝶形阀关闭，空压机可以空载启动。启动完毕，再转动手轮退回，利用弹簧使蝶形阀恢复原位，进入正常运行状态。

2）压开吸气阀调节

压开吸气阀调节是目前普遍采用的方法，实现其动作的结构形式较多，它既可使空压机在空载状态下启动，又可使空压机在工作状态下卸荷。

图10-28　压开吸气阀调节装置

1—制动垫圈；2—小弹簧；3—压叉；4—导轴；5—大弹簧；
6—销；7—弹簧座；8—指针；9—手轮

压开吸气阀调节装置由制动垫圈1、小弹簧2、压叉3、导轴4、大弹簧5、销6、弹簧座7、指针8和手轮9等组成。图10-28所示为其结构，其中导轴4替代吸气阀上的连接螺钉，压叉3在导轴上做轴向滑动。当空压机吸气终了时，吸气阀借助弹簧5的弹簧力，通过压叉3压开吸气阀的阀片，保持一定的开度，使吸气阀处于开启状态；当活塞返行时，气缸内的部分气体又经吸气阀返回吸气管内，活塞继续运行，气缸内的压力上升；当作用于阀片上的气流压力的合力超过弹簧5的作用力时，阀片开始向阀座运动，最终吸气阀关闭，从而起到调节排气量的作用。指针与手轮固结，给出手轮的旋转角度，旋转手轮就可调节大弹簧的预压力，从而调节吸气阀的开启程度，这样即改变了气体经吸气阀返回进气管的空气量，从而达到连续调节排气量的目的。

3）改变余隙容积调节

改变余隙容积的调节原理是在主气缸上设置余隙缸，当需要减少排气量时，通过加大余隙容积，使气缸容积系数减小，则排气量也相应减小。

图10-29所示为其调节原理，气缸上安装余隙缸，其中缸内部为附加的余隙容积，平常附加余隙容积由阀2与气缸隔开。活塞腔经压力调节器（图中未画出）与风包相通，当风包中的压力增大，超过整定值时，压力调节器打开，压缩空气通过压力调节器后，沿风管进入减荷气缸4内，推动活塞5克服弹簧力向上移动，将阀2打开，使附加余隙容积与气缸相通；排气时部分气体进入附加容积，吸气时气缸中的剩余气体与留在附加余隙容积中的气体一起膨胀，使吸入气缸的气体量减少，从而使空压机的排气量减小。

图10-29　改变余隙容积调节原理

1—余隙缸；2—阀；3—进气管；
4—减荷气缸；5—活塞；6—弹簧

采用改变余隙容积调节法，气缸上装有四个附加余隙缸和一个五位压力调节器。压力调节器的每个位置整定成不同的动作压力，调节器的四个位置分别控制一个余隙容积，当每个余隙容积依次和气缸连通时，空压机的排气量将逐步减少25%左右，于是能进行五级调节，分别给出100%、75%、50%、25%、0的排气量。

这种调节法能实现多级调节，但其冷却效果差，结构较复杂，加大了气缸的尺寸，故目前多用于大型空压机。

6.控制保护装置

空压机是大型设备，关系到生产的安全，为了及时发现空压机运行中的不正常现象，防止事故发生，保证压气设备安全运行，在大、中型空压机上必须设置下列安全保护装置。

1）安全阀

安全阀是压气设备的保护装置，其作用是当系统压力超过某一整定值时，安全阀动作，把压缩气体泄于大气中，使系统压力下降，从而保证压气设备的系统压力在整定值以下运行。

安全阀的种类很多，图10-30所示为常用的弹簧式安全阀。当系统压力大于弹簧3的预压力时，阀芯向上运动，压缩气体经阀座与阀芯的环形间隙排向大气；当系统压力下降，对阀芯2的总压力小于弹簧力时，阀芯向下落在阀座上，停止排气。因此调整螺钉，可调整弹簧的预压力，从而可调节安全阀的开启压力。通过手把6可进行人工放气。

2）压力继电器

压力继电器的作用是保障空压机有充足的冷却水和润滑油，当冷却水水压或润滑油油压不足时，继电器动作，断开控制线路的接点，发出声、光信号或自动停机。图10-31所示为压力继电器的原理。当油（或水）管接头1中的压力低于某一值时，薄膜上部的弹簧使推杆下降，电开关在本身弹簧力的作用下接点断开。

图10-30　弹簧式安全阀

1—阀座；2—阀芯；3—弹簧；4—调整螺钉；
5—排气口；6—手把

图10-31　压力继电器原理

1—管接头；2—薄膜；3—继电器外壳；4—弹簧；
5—推杆；6—电接点

3）温度保护装置

温度保护装置的作用是保障空压机的排气温度及润滑油的温度不致超过设定值。此类装置有带电接点的水银温度计或压力表式温度计，当温度超限时，电接点接通，发出报警信号或切断电源。

4）释压阀

释压阀是防止压气设备爆炸而装设的保护装置。当压缩空气温度或压力突然升高时，安全阀因流通面积小，不能迅速把压缩气体释放，而释压阀流通面积很大，可以迅速释压，对人身和设备起到保护作用。

释压阀的种类较多，图10-32（a）所示为常用的一般活塞式释压阀，主要由气缸、活塞、保险螺杆和保护罩等部件组成。释压阀装在风包排气管正对气流方向上，如图10-32（b）所示，当压气设备由于某种原因，压缩空气压力上升到（1.05±0.05）MPa时，保险螺杆立即被拉断，活塞冲向右端，使管路内的高压气体迅速释放。

图10-32　释压阀的构造和安装位置

1—卡盘；2—保险螺杆；3—气缸；4—活塞；5—密封圈；6—保护罩；
7—缓冲垫；8—释压阀；9—排气管；10—闸阀；11—风包