采矿课件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。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：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—31、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。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。

1、吸气气过程程2、压缩缩过程程当活塞塞返回回行程程时，，吸气气呈封封闭状状态，，空压压机进进入压压缩过过程，，随着着活塞塞向左左移动动，气气缸的的容积积不断断减小小，气气体压压力逐逐渐升升高。。此时时属于于热力力过程程，其其压缩缩规律律为等等温、、绝热热、多多变三三种情情况。。（1）按等等温规规律压压缩（3）按多多变规规律压压缩（2）按绝绝热规规律压压缩3、排气气过程程4、理论论循环环功按等温温规律律压缩缩时：：按绝热热规律律压缩缩时：：按多变变规律律压缩缩时：：所以，，等温温压缩缩的循循环功功就是是等温温压缩缩的压压缩功功，压压缩终终了空空气温温度T2=T1；因此，，；绝热压压缩过过程的的循环环功等等于绝绝热压压缩过过程功功的K倍，压压缩终终了空空气温温度；；多变压压缩循循环功功等于于多变变压缩缩过程程功的的n倍，压压缩终终了温温度。。（二））一级级活塞塞式空空压机机的实实际工工作循循环1、实际际工作作循环环图图9——5实际工工作循循环的的工作作过程程：吸吸气、、压缩缩、排排气、、膨胀胀等四四个过过程。。2、影响响实际际工作作循环环的因因素（1）余隙隙容积积的影影响（2）吸、、排气气阻力力的影影响（3）压缩缩过程程中压压缩规规律变变化的的影响响（4）其它它因素素的影影响（其中中一般般α=0.07～0.15，m—多变变膨胀胀指数数，1〈m〈1.4〉三、活活塞式式空压压机的的两级级压缩缩（一））采用用两级级压缩缩的原原因1、压缩缩比受受余隙隙容积积的限限制ε↑令：则当：：时（V0—余隙隙容积积，VT—理论论工作作容积积。）），m=1时，可可得最最小的的理论论极限限压缩缩比2、压缩缩比受受气缸缸润滑滑油温温的限限制（1）限制制油温温的原原因（2）单级级压缩缩的极极限压压缩比比取吸气气温度度：T1=273+20=293K极限排排气温温度：：T2=273+190=463Kn=K=1.4因此，，大型型空压压机的的压缩缩比，，一般般限制制在5左右，，当需需要压压力较较高时时，一一般采采用两两级或或多级级压缩缩。（二））两级级压缩缩的工工作系系统图9-6（三）两两级压缩缩的优点点1、节省功功耗；图9-72、降低排排气温度度；3、提高空空压机的的排气量量；4、可以降降低活塞塞力；5、中间冷冷却器可可以分离离一部分分油和水水，提高高压气的的质量。。§9—3活塞式空空压机的的结构L型空压机机是两级级、双缸缸、复动动、水冷冷式空压压机。它主要由由压缩机机构、传传动机构构、润滑滑机构、、冷却机机构、排排气量调调整机构构和安全全保护装装置等六六部分组组成。型号意义义：一、压缩缩机构1、气缸部部件气缸是空空压机中中组成压压缩容积积的主要要部分，，根据排排气压力力、排气气量、结结构方案案、气体体性质以以及所用用材料，，气缸的的结构有有各种型型式。L型空压机机的气缸缸为开式式铸铁气气缸，水水冷双层层壁结构构。2、气阀部部件在空压机机运行中中，气阀阀为主要要易损件件，处于于较为苛苛刻工况况，每分分钟启闭闭1000次左右。。一台转转数为400r/min（4L—20/8型）的空空压机，，气阀每每年启闭闭21000万次以上上。气阀阀将承受受拉伸、、压缩、、冲击、、扭曲、、弯曲、、磨损、、高温变变化的潜潜在破坏坏。因此此，气阀阀能否正正常工作作，直接接影响空空压机的的排气量量，功率率消耗以以及运转转的可靠靠性。气阀有两两大类：：一类称称为强制制阀，它它的启闭闭是由专专门机构构控制，，而与气气缸内压压力变化化无关；；这类阀阀结构复复杂，启启闭时间间固定，，不适于于变工况况运转，，故很少少采用。。目前空空压机采采用随缸缸内和管管路中气气体压力力变化而而自行启启闭的自自动阀。。自动阀有有许多型型式，如如环状阀阀、网状状阀、舌舌簧阀、、蝶阀和和直流阀阀。L型空压机机的排气气阀和吸吸气阀均均为单层层环状阀阀。所有型式式的自动动阀主要要由四部部分组成成：（1）阀座它具有能能被阀片片覆盖的的气体信信道，是是与阀片片一起闭闭锁进气气（或排排气）信信道，并并承受气气缸内外外压力差差的零件件。（2）启闭组组件它是交替替地开启启与关闭闭座道的的零件，，通常制制成片状状者称为为阀片。。（3）弹簧是关闭时时推动阀阀片落向向阀座，，开启时时抑制阀阀片撞击击升程器器的组件件。（对对于条状状阀，舌舌簧阀和和直流阀阀等结构构，阀片片本身具具有弹性性，并起起弹簧作作用，故故两者合合二为一一）。（4）升程限限制器是限制阀阀片的升升程，并并作为承承座弹簧簧的零件件。3、活塞部部件L型空压机机的活塞塞组件由由活塞杆杆、活塞塞、活塞塞环及防防松螺母母等组成成。（1）活塞L型空压机机为盘状状带锥活活塞，盘盘状部分分与气缸缸配合。。活塞用用灰铸铁铁成空心心以减轻轻重量，，两个端端面用加加强筋互互相连接接，以增增加刚性性。（2）活塞环环活塞环是是密封气气缸内缸缸内壁与与活塞间间隙的组组件，同同时兼有有布油和和导热的的作用。。对活塞塞环的基基本要求求是：密密封可靠靠并耐磨磨。活塞环镶镶嵌于活活塞的环环槽内。。环的外外缘紧贴贴气缸镜镜面，背背向高压压气体一一侧的端端面紧压压在环槽槽上，由由此阻塞塞间隙密密封气体体；但是是，常用用的活塞塞环都采采用金属属开口环环的结构构，因此此，气体体能通过过切口泄泄漏。此此外，气气缸和活活塞环都都可能有有不圆度度，不柱柱度，环环槽和环环的端面面有不平平度，这这些也是是造成泄泄漏的因因素。所所以，活活塞环常常常不是是一道，，而是两两道或更更多道同同时使用用，使气气体每通通过一道道环便产产生一次次节流作作用，进进一步达达到减少少泄漏的的目的。。由此可可见，活活塞环密密封是阻阻塞密封封和节流流密封的的组合。。活塞环的的开口形形式有搭搭接开口口、直开开口和斜斜开口三三种，搭搭接开口口的环工工作时漏漏气少，，性能较较好，但但制造工工艺复杂杂，成本本高；直直开口的的环漏气气较严重重，使用用性能差差，但制制造方便便成本低低；斜切切口介于于两者之之间，即即能保证证较好的的使用性性能，制制造又简简单，开开口斜角角一般为为38°～45°。L型空压机机采用斜斜开口密密封环。。活塞环的的材料通通常用灰灰铸铁。。有时在在铸铁环环上嵌青青铜，轴轴承合金金，或填填充聚四四氟乙烯烯，防止止气缸拉拉毛并延延长环的的使用寿寿命。二、传动动机构1、机身机身用铸铸铁制成成，它的的作用是是：（1）作为气气缸的承承座；（（2）承受并并传递作作用力；；（3）作为传传动机构构的导向向和定位位。不同同形式的的空压机机具有不不同形状状的机身身。L型空压机机的机身身，外形形为正置置的直角角形，在在垂直和和水平颈颈部分别别制成立立列和卧卧列的十十字头滑滑道，十十字头就就在其中中作往复复运动。。颈部法法兰端面面分别与与高、低低气缸相相连，机机身两侧侧壁上的的圆孔通通过轴承承座安装装曲轴轴轴承，取取去前轴轴承座，，即可方方便地拆拆装曲轴轴、连杆杆，机身身下部曲曲轴箱兼兼作油池池，同时时用地脚脚螺栓与与基础固固定。所所有检查查孔盖均均垫以软软垫，以以使机身身密封。。在机身身立列颈颈部有通通气孔，，通过细细管与吸吸气管连连接，以以防填料料不严密密时漏气气使机身身内产生生过高的的压力。。2、曲轴部部件见图9-9曲轴由球球墨铸铁铁制成。。L型空压机机的曲轴轴，它仅仅有一个个曲拐，，为高低低压缸两两连杆所所共有，，传递电电动机的的扭矩。。曲柄上上在曲拐拐的对面面固定着着两块平平衡铁，，用来平平衡曲柄柄部分的的旋转质质量，曲曲轴的外外伸端有有锥度，，可以方方便地拆拆装皮带带轮。在在曲轴后后端接有有传动齿齿轮油泵泵的小轴轴，并经经过小轴轴上的蜗蜗轮蜗杆杆机构传传动柱塞塞油泵。。曲轴上上钻有油油孔，以以使齿轮轮油泵排排出的润润滑油通通过曲轴轴瓦，十十字头销销瓦等摩摩擦面进进行润滑滑。两个个或三个个双列径径向调心心滚柱轴轴承紧配配合于曲曲轴的两两侧，一一端轴承承盖与轴轴承间留留有1.5～2.5的热膨胀胀间隙。。3、连杆部部件连杆由大大头，小小头和杆杆体组成成。大头头分为开开式，嵌嵌有巴氏氏合金瓦瓦，大头头的盖子子用连杆杆螺栓与与曲柄组组装在一一起，大大头的轴轴瓦间隙隙可以用用垫片调调节。小小头为整整体式，，在小头头内镶有有整圆的的铜套，，穿入十十字销与与十字头头相连。。杆体截截面有圆圆形、环环形、矩矩形、工工字形等等，其材材料通常常为球墨墨铸铁，，杆体内内有贯穿穿大小头头的油孔孔，该孔孔把润滑滑油输送送到十字字头，使使曲柄销销和连杆杆，连杆杆和十字字头销之之间的相相对运动动部分得得到润滑滑。连杆的大大头与曲曲轴一起起转动，，其小头头和十字字头一起起作往复复运动，，连杆本本身作平平面摆动动，其主主要作用用是变旋旋转运动动为往复复运动。。4、十字头头部件十字头有有整体式式和分开开式两种种。整体体封闭式式，用球球墨铸铁铁制成，，其一端端螺孔与与活塞杆杆相连，，活塞杆杆拧入十十字头的的长度可可以变动动，用以以调节活活塞和气气缸之间间的间隙隙改变余余隙容积积。横向向的圆孔孔内装有有十字头头销与连连杆小头头相连，，十字头头销内有有油孔，，从连杆杆来的润润滑油经经十字头头销进入入十字头头上下的的滑履上上，以润润滑滑履履和滑道道间的相相对摩擦擦面，润润滑后的的润滑油油流回曲曲轴箱，，即油池池。注意：十字字头销在十十字头内的的位置不能能调换，若若方向装反反，油路完完全切断，，十字头滑滑履得不到到供油会造造成摩擦面面烧毁的机机械事故。。三、润滑机机构在空压机中中，具有相相对运动的的部位如活活塞环与气气缸壁、填填料与活塞塞杆、曲轴轴与轴承、、连杆大小小头、连杆杆小头衬套套及十字滑滑道等处，，都必须注注润滑油以以达到以下下目的：1）减轻滑动动部件的磨磨损，延长长零件寿命命；2）减少摩擦擦功耗；3）润滑油有有冷却作用用，可带走走摩擦热，，使零件的的工作温度度正常，同同时保证滑滑动部分必必要的运转转间隙，防防止滑动部部件过热或或咬死；4）密封气缸缸的工作容容积以提高高活塞和填填料箱的密密封性。空压机的润润滑包括两两部分：一一是气缸内内部的润滑滑，二是传传动系统（（运动部件件）的润滑滑。1、运动部件件的润滑系系统一般由滤油油器、润滑滑油冷却器器、润滑油油泵（一般般用齿轮泵泵）、油管管、压力表表和压力调调节阀组成成。润滑油流动动路线：油油池→粗滤滤油器→齿齿轮泵→油油冷却器→→滤油器→→曲轴中心心孔→曲柄柄销和连杆杆大头瓦的的配合面→→连杆中心心孔→连杆杆小头瓦和和十字销配配合面→十十字头滑轨轨→油池。。油压的大小小可通过油油压调节阀阀来控制。。2、气缸部部件润滑系系统按润滑油达达及气缸镜镜面的方式式，气缸润润滑可分为为飞溅润滑滑、压力润润滑和喷雾雾润滑三种种。飞溅润滑一一般用于单单作用式空空压机。曲曲轴箱中被被旋转的平平衡铁头部部或拨油杆杆溅起的油油雾及油滴滴，当活塞塞接近上止止点时落于于气缸未被被活塞遮盖盖的镜面，，并在活塞塞的下一循循环进入活活塞环槽中中，再由活活塞环分布布至需要润润滑的表面面。低压的的第一级，，在吸气过过程中气缸缸里能产生生真空，润润滑很易被被吸入气缸缸内，并在在压缩气体体高温度作作用挥发，，然后和压压缩气体一一起排出空空压机，所所以，飞溅溅润滑往往往容易出现现压气中含含油过多和和耗油量过过多的现象象。喷雾润滑———在空压压机的气缸缸进气接管管处，喷入入一定量的的润滑油，，油和气体体相混合一一起进入气气缸，然后后一部分粘粘附在气缸缸镜面上供供气缸润滑滑。飞溅润滑的的优点是简简单，缺点点是耗油量量难以控制制。喷雾润润滑的结构构也很简单单，且第一一级进气阀阀可得到润润滑，但油油雾仅与气气缸接触的的一部分能能粘附在缸缸壁上，其其它部分仍仍和气体一一起被排出出气缸而得得不到利用用，同时增增加压气的的含油量，，此外，油油和空气密密切混合容容易氧化积积炭。所以以喷雾润滑滑目前应用用不多。压力润滑是是应用最广广泛的润滑滑方式。润润滑油由专专门的多头头注油器经经油管和注注油逆止阀阀注入气缸缸及填料处处。（图9—11）空压机气缸缸的无油润润滑：1973年在我国个个别矿井开开始应用，，由于节约约了润滑油油，杜绝了了积炭爆炸炸，断油烧烧缸等事故故隐患，改改善了环境境卫生，减减轻了相关关零件的磨磨损，延长长了气缸、、活塞环的的寿命，减减少了维修修量等，效效果良好。。实验表明，，空压机气气缸润滑方方式的改变变还可增加加排气量，，提高排气气效率，降降低电耗，，减小比功功率，从而而改善空压压机的性能能。气缸无油润润滑采用填填充聚四氟氟乙烯固体体材料的活活塞环，代代替油膜润润滑的铸铁铁活塞环。。四、冷却系系统1、空压机冷冷却的意义义和方式（1）意义（2）方式空压机的冷冷却方式可可分为风冷冷式和水冷冷式两种，，风冷是使使压缩过程程放出的热热量由气缸缸壁辐射，，发散于大大气中。为为了增加发发散面积，，通常在气气缸外壁制制成许多散散热薄片。。但其散热热效果很差差，只限于于小型空压压机采用。。一般空压压机采用水水冷方式。。2、空压机的的水冷系统统（见图9-12））空压机的水水冷系统由由气缸水套套、中间冷冷却器（见见图9-13）、后后冷却器、、水泵、管管路以及冷冷却水池（（或冷却水水塔）组成成。五、排气量量调整机构构1、停止空压压机工作n=0，则Q=0。此法虽能能节省电能能消耗，但但电动机经经常启动和和停止，对对于电路负负荷极为不不利。因此此，只能用用于小容量量的空压机机调节。采采用此法调调节时，应应根据空压压机的功率率，电网容容量，以及及启动的次次数，来选选择电动机机及启动方方式。2、关闭吸气气管调节关闭吸气管管调节装置置由减荷阀阀和压力调调节器。（（见图9—14和图9—15）注意：1）调节器的的动作压力力，由微调调螺管6控制弹簧4的压紧程度度来实现。。粗调螺管管5的作用是调调节阀开启启的灵敏度度，即阀芯芯的开启高高度，此高高度不宜过过大，否则则将引起调调节器强烈烈的振动使使调节器的的动作压力力改变。2）减荷阀上上装有手轮轮，盘动手手轮使螺杆杆上升或下下降实现蝶蝶形阀的关关闭和开启启。因此，，可以实现现空压机的的空载启动动和自动控控制状态。。此种调节阀阀，在吸气气管完全关关闭时，空空压机吸气气量为零，，只有残存存在气缸余余隙中的空空气膨胀和和压缩。由由于活塞和和气缸壁间间有摩擦阻阻力，故消消耗的功不不为零。此此时，空压压机所消耗耗的功率只只有额定功功率的2～3%，所以此种种调节方法法具有较好好的经济性性。不过减减荷阀切断断进气口后后，吸气压压力过分降降低接近真真空，如果果背压不变变，在活塞塞前后所形形成的压差差会造成吸吸气时峰值值增加，这这种情况下下启动空压压机会出现现困难。3、压开吸气阀阀调节利用一个压开开装置，把吸吸气阀强制压压开，使吸气气阀全部或部部分地丧失正正常工作能力力，吸进的空空气在压缩和和排气行程中中仍回到吸气气管路，不向向排气管道输输送压气，以以达到调节排排气量的目的的。压开吸气阀调调节装置由压压力调节器和和压开叉两部部分构成，压压开叉的动作作由压力调节节器控制。压开吸气阀的的调节装置可可分为两种形形式：（1）完全压开吸吸气阀调节时，在空空压机的全部部行程中吸气气阀始终处于于压开状态，，吸进的气体体将全部自吸吸气阀返回到到吸气管中，，故排气量为为零，属间断断调节。压开吸气阀时时，空压机处处于空运行状状态，因为仅仅需克服吸气气阀阻力造成成的功耗，故故调节的经济济性较好。压开叉因其驱驱动机构不同同分为隔膜式式压开叉和活活塞式压开叉叉（图9—16）两种。对于两级空压压机，各级吸吸气阀均应设设置压开叉，，调节时各级级吸气阀应同同时压开。根根据气量变化化，压开一侧侧或两侧的吸吸气阀，可以以实现排气量量100%、50%、0%三级调节。气气量的变化是是通过双压力力调节器来控控制压开叉动动作。调节压力调节节器中弹簧的的预紧力，可可以改变压力力调节器的开开闭压力。2）部分行程压压开吸气阀调调节当进气行程结结束时，气阀阀仍被强制顶顶开，在进入入压缩行程后后气体从气缸缸中回入进气气管，但到行行程的一定时时候强制作用用取消，吸气气阀关闭，在在剩余的行程程中气体受到到压缩并排出出。按照吸气气阀在压缩行行程中压开时时间的长短，，可以得到连连续的多级调调节。压开吸气阀调调节，运转经经济性好，但但阀开因受额额外的负荷（（弯曲与冲击击），寿命较较短，密封性性差。4、余隙容积调调节法余隙容积的调调节一般通过过连通补助容容积，补助容容积可以采用用不同的连通通方式（1）连续接通补补助容积，其其补助缸中的的补助容积可可以改变。调调节时，先打打开接通补助助容积的阀门门，再打开旁旁通阀，使高高压气体也通通至补助缸活活塞的背面，，使活塞两边边压力平衡。。调节补助缸缸中的丝杆，，可使活塞移移动以改变补补助容积的大大小，对排气气量进行连续续地调节。（2）分级接入补补助容积，逐逐个地接入一一定的补助容容积，便可得得到分级的排排气量调节。。这种调节方法法经济性好；；但这种调节节装置结构复复杂，且增大大了气缸尺寸寸，只用于大大型空压机。。六、安全保护护装置温、水、油、、压的保护。。防止超温、、断水、断油油、超压。§9—4活塞式空压机机的附属设备备一、滤风器1、作用2、结构滤风器的结构构主要由壳体体和滤芯组成成。按滤芯材材料的不同分分为许多种：：如纸质的、、织物的、泡泡沫塑料的、、金属的等。。空压机中用用得最普遍的的是纸质和金金属滤芯的滤滤风器。金属网滤风器器的结构（见见图9-18）：机壳壳由筒体、两两端封头组成成；筒内滤芯芯由多层波纹