第九章 矿山空气压缩设备

1. 第九章矿山空气压缩设备 万英盛 2009.7

2. §9—1 概述 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、风钻、锚杆机、喷浆机及其它风动机械进行工作。 煤矿使用压缩空气（与电力相比）有以下特点：不产生电火花；不怕超负荷；在湿度大、温度高灰尘多的环境能很好地工作；风动机构排出的废气，有助于改善井下通风条件。因此，空气动力机械特别适用于含有瓦斯和爆炸性粉尘的场所，适合负荷变化大的冲击式机械。虽然压缩空气设备（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。

3. 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。 压缩空气设备的工作过程：电动机带动空压机工作后，外部空气从进气管进入过滤器，过滤后的空气进入第一级压缩气缸（低压缸），然后进入中间冷却器，冷却后的空气进入第二级气缸（高压缸）再次被压缩，之后的高温、高压气体经过后冷却器冷却后进入风包，最后，风包上的压气管将压缩空气送至用气点。

5. 二、空压机的分类 • 现代工业中使用的压缩机种类很多，按其工作原理和结构型式不同，分类如下：

6. 三、活塞式空压机的结构形式 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。

8. 活塞式空气压缩机的外形

10. 四、活塞式空压机的工作原理 如图9—3所示 工作过程包括：1、吸气过程2、压缩过程3、排气过程4、膨胀过程

11. 小结 • 1、空气压缩设备是一种动力机械，广泛应用于矿山、化工、建筑等行业。煤矿常用的活塞式空压机。它是利用活塞的往复运动与气缸壁面所形成的容积变化来完成吸气、压缩、排气、膨胀等过程，它属于容积式空压机。 • 2、空压机可分为容积型和速度型两大类。 • 3、活塞式空压设备主要由空压机、电动机、附属设备（滤风器、冷却设备、风包等）和压气管道等组成。

12. §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。

13. 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 空气的压缩是依靠活塞在气缸内往复运动来进行的。活塞在气缸中往复运动一次，气缸对空气即完成一个工作循环。理论工作循环包括以下几点： （1）气缸没有余隙容积； （2）在整个吸气过程，气缸内空气的状态与周围大气状态相同，即吸气阀及吸气管道无阻力； （3）在整个排气过程，气缸内空气的状态与风包中的空气状态相同，即排气阀及排气管道无阻力； （4）气缸压缩容积绝对密封，气缸不漏气； （5）进入气缸内的空气与各壁面间没有热量交换，压缩过程中压缩指数保持不变。 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。所消耗的功L等于吸气功Lx、压缩功Ly和排气功Lp的总和。但只有压缩过程是热力过程。 通常规定：活塞对空气做功为正；空气对活塞做功为负。因此，压缩和排气过程的功为正，吸气过程为负。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。

14. 压缩分类： 绝热压缩：1—2 ” 耗功最大 等温压缩：1—2 耗功最小 多变压缩：1—2 ' 耗功居中 功＝P×V （PV图上的面积）

15. 1、吸气过程 2、压缩过程 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（因T是常数）

17. （2）按绝热规律压缩（K为绝热指数1.4） （3）按多变规律压缩(n为多变指数,其值大于1小于1.4)

18. 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：

19. 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；

20. 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； 因此 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。 ；

21. （二）一级活塞式空压机的实际工作循环 1、实际工作循环图，实际工作循环与理论工作循环有很大不同。图9—5。它是由专门的仪器——机械式示功器或压电式示功器测绘出来的。 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

23. 三、保持空压机工作性能的途径 • 1、影响空压机排气量的因素。 • 主要因素有余隙容积、阻力损失、漏气、温度、湿度五个方面。 • （1）容积系数：指气缸吸气容积Vx与工作容积Vg之比，用 表示，即 二级空压机 • （2）压力系数：是考虑由于各种阻力的影响而使排气量减少的系数，用 表示。一般 • （3）温度系数：考虑因温度影响而使排气量减少的系数，用 表示，一般 • （4）漏气系数：考虑吸、排气阀，活塞与气缸壁之间不严密，漏气使排气量减少的系数，用 表示。一般

24. （5）湿度系数：考虑空气湿度使排气量减少的系数，用 表示，一般 • 若从空压机气缸工作容积中除去这五个方面损失后，即得空压机实际排气量Vp,即： • 式中： • 2、影响空压机功耗的因素 • （1）压缩过程对功耗的影响。等温压缩功耗最小，绝热压缩功耗最多。为了省功，提高效率，应尽可能使气缸内空气热量散发出来，接近等到温压缩。 • （2）吸、排气过程对功耗的影响。由于吸、排气阀的惯性力、弹簧力和管道阻力等造成实际压缩比大于理论压缩比，使功耗增大。 • （3）吸气温度对功耗的影响。吸气温度越高，功耗越大。 • （4）漏气、湿度对功耗的影响。漏气会使空压机无用功耗增加，水蒸气会在高压低温时凝结成水，增加功耗。

25. 3、保持空压机工作性能的途径和措施 • （1）减少漏气 • （2）加强冷却 • （3）降低吸排气系统阻力 • （4）正确选择余隙容积 • （5）注意润滑

26. 四、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 由于余隙容积的存在，在吸气过程中，气缸中一部分工作容积失去了吸气作用。压缩比越大，失去的容积也越大。当压力达到一定值时，余隙容积内气体膨胀所占的容积达到或接近工作容积而充满整个气缸时，气缸就不能吸气和排气。所以，从排气量的角度说，较大的压缩比是不利的。

27. 2、压缩比受气缸润滑油温的限制 若压缩比增加，则压缩终了时空气温度也将增加。当空气温度增高到润滑油闪点温度（13号压缩机油为215 ,19号压缩机油为240 ）时，就有发生爆炸的危险。《煤矿安全规程》规定：“单缸空气压缩机的排气温度不得超过190 ，双缸不得超过160 。”依此条件得出最不利条件下（按绝热压缩）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

28. 因此，当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩。矿用空压机多为两级压缩。因此，当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩。矿用空压机多为两级压缩。

29. （二）两级压缩的工作系统 图9-6为两级压缩原理图：

30. （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。

31. （四）、两级压缩理论工作循环 • 假定：（1）各级压缩过程相同，即压缩指数n相等； • （2）在中间冷却器内把空气冷却至低压气缸的吸气温度，即T1=T2； • （3）压气在中间冷却器内按定压条件进行冷却。 • 图9-7为假定条件下得出的理论工作循环示功图。

32. （五）、两级压缩的实际工作循环 • 两级压缩的实际示功图与理论示功图芈 不同的。由于各级冷却程度、余隙容积、各级的阻力和惯性力不同，各级压缩过程不一样，以及在蹭冷却器中的空气温度不可能降低到理论要求的温度（实际上温度是逐级增加）。因此实际上各级循环功也不相等。

33. 压缩比分配原则： 主要依据省功原则。 2、最佳压缩比ε：各级压力比相等时总耗功最省。 • 六. 各级压缩比的确定 • 1、理论分析：各级耗功相等时，压缩机总耗功最小。即各级压缩比应相等。 上式表明，在两级压缩中为获得最小的功耗，两压缩比应相等，并等于总压缩比的平方根。 压缩终了温度的确定

34. 为保证按最省功的压缩比分配，两级气缸的面积和直径应满足以下关系：为保证按最省功的压缩比分配，两级气缸的面积和直径应满足以下关系： • 在冷却器冷却完善（等温）的条件下，

35. 上式表明，只要行程相同的两个气缸的面积比或直径平方比等于总压缩比的平方根，就一定能得到最合理的中间压力。上式表明，只要行程相同的两个气缸的面积比或直径平方比等于总压缩比的平方根，就一定能得到最合理的中间压力。 • 实际压缩比的分配不能只考虑功最小这一个原则，还需要根据排气量、温度等作适当调整。 • 一般第一级的压缩比取小一些，以保证较高的容积系数，使一级气缸尺寸不致过大。一级压缩比取得比其他级低5%~10%，即

36. 小结 • 1、空压机的理论工作循环包括吸气、压缩、排气三个过程。压缩过程分为等温、绝热、多变压缩。 • 2、空压机的实际工作循环包括吸气、压缩、排气、膨胀四个过程。 • 空压机的实际工作循环主要受余隙容积、吸气阻力、排气阻力、吸气温度、空气湿度、漏气等的影响，它们不但影响空压机的排气量，而且除余隙容积外，还使空压机的功耗增加。 • 3、保持空压机工作性能的途径和措施主要有：减少漏气，加强冷却，降低吸、排气系统的阻力，正确选择余隙容积，注意润滑。 • 4、矿用空压机一般采用两级压缩，其原因是由于压缩比受余隙容积和气缸润滑油温度的限制。 • 5、具有中间冷却器的两级压缩与同样条件下，获得相同终压力的单级压缩相比，具有节省功耗，降低排气温度，提高容积系数，降低活塞作用力等优点。 • 6、两级压缩比是以最省功原则计算的，并适当考虑排气量、温度等因素来修正。

37. §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：

38. 一、压缩机构：由气缸，吸、排气阀，活塞组件等组成。一、压缩机构：由气缸，吸、排气阀，活塞组件等组成。 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、气体性质及所用材料，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，水冷式双层壁结构。缸壁外有冷却水套，在缸盖和缸座上有4个气阀室，分别安装吸排气阀。 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。 L型空压机的排气阀和吸气阀均为单层环状阀。由阀座、阀盖、弹簧、阀片 、螺栓、冠形螺母等组成。

40. （1）阀座它具有能被阀片覆盖的气体通道，是与阀片一起闭锁进气（或排气）通道，并承受气缸内外压力差的零件。（1）阀座它具有能被阀片覆盖的气体通道，是与阀片一起闭锁进气（或排气）通道，并承受气缸内外压力差的零件。 （2）阀片：它是交替地开启与关闭座道的零件，由阀片两侧的压力差和弹簧力等因素确定的。阀片工作时，经常与阀座和阀盖发生撞击和磨损，所以它是空压机最易损零件。 （3）弹簧：主要作用是能及时迅速关闭气阀，避免阀片过早或过迟关闭而降低空压机效率。是关闭时推动阀片落向阀座，开启时抑制阀片撞击阀盖的组件。 （4）阀盖（升程限制器）：是限制阀片的升程，并作为承座弹簧的零件。

41. 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） 活塞杆：用45号钢锻造而成。表面硬化处理。 （2）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。 （3）活塞环（涨圈） 活塞环是利用本身张力密封气缸内壁与活塞间隙的组件，以防止气体的泄漏。同时，兼有布油和导热的作用。它也是易损零件之一。对活塞环的基本要求是：密封可靠并耐磨。

42. 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。

43. 二、传动机构： 包括机身、曲轴、边杆和十字头等。 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）是传动机构的导向和定位部分。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。

44. 2、曲轴部件：图9-9

45. 曲轴由球墨铸铁制成。是重要的运动部件。它仅有一个曲拐，为高、低压缸两连杆所共用，它接受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压缩空气而做功。曲轴由球墨铸铁制成。是重要的运动部件。它仅有一个曲拐，为高、低压缸两连杆所共用，它接受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压缩空气而做功。 • 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。

46. 3、连杆部件 连杆由大头，小头和杆体组成。其材料通常为球墨铸铁。其作用是变旋转运动为往复运动。 大头分为开式，内装订有巴氏合金瓦，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，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。

48. 4、十字头部件 十字头是连接活塞杆与连杆的运动机件。在十字头滑轨上作往复运动，具有导向作用。 十字头有整体式和分开式两种。整体封闭式，用灰铸铁制成。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。

49. 三、填料装置 • 空压机工作时，活塞杆与气缸座之间有相对运动，因此必有间隙，为防止压缩空气从这些间隙外泄，设有填料装置进行密封。 • 填料装置由三瓣斜口密封圈和挡油圈、隔环、垫圈等组成。 • 密封圈是用3个带斜口的瓣组成整圈。在它的外缘沟槽内放有拉力弹簧，将其紧箍在活塞杆上起密封作用。当内圈磨损后，借助弹簧的力量，自动向内紧箍，以保证密封效果。 • 挡油圈结构与密封圈相似，只是内圆处开有斜槽，它能把沾附在活塞杆的机油刮下来，以免进入缸内。

50. 小结 • 1、 L型空压机型号意义 • 2、L型空压机主要由压缩机构、传动机构、润滑机构、冷却机构、调节机构和安全保护装置等六部分组成。其中压缩机构、传动机构零部件和填料装置为主要零部件，其它为附属设备。 • 3、空压机的压气流程：自由空气—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。 • 4、各主要零部件的作用。