活塞式空气压缩机性能影响因素分析及排气量调节

活塞式空气压缩机性能影响因素分析及排气量调节

作者：翟五洲

来源：《科技资讯》2014年第09期

摘要：为了保证空压机在最佳条件下运转，分析了余隙容积、压力损失等因素对活塞式空压机性能的影响，并对空压机的排气量的调节进行分析，以提高空压机工作的可靠性和经济性。

关键词：活塞式空气压缩机影响因素排气量调节

中图分类号：TH458 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0099-02

煤矿中广泛使用着各种由压缩空气驱动的机械及工具，例如采掘工作面的气动凿岩机、气动装岩机及凿井使用的气动抓岩机、地面使用的空气锤等，空气压缩设备就是指为这些气动机械提供压缩空气的整套设备[1]。为了保证空压机在最佳条件下运转，必须分析与空压机性能有关的因素，进而分析其对空压机性能的影响；同时，对空压机的排气量调节进行分析，以便提高空压机工作的可靠性和经济性。

1 性能影响因素分析

1.1 余隙客积对排气量的影响

余隙容积是活塞处于外止点时，活塞外端面与气缸盖之间的容积和气缸与气阀连接通道的容积之和。余隙容积的大小还可用相对余隙容积α来表示，它定义为余隙容积V0与气缸工作容积Vg的比值，即：

余隙容积对空压机排气量的影响常用气缸的容积系数λ0来表示，定义为气缸的吸入空气量Vs与工作客积Vg之比，即：

经分析可以得到：

式中：ε为压缩比；m为膨胀过程多变指数。

上式说明：容积系数的大小不仅取决于相对余隙容积值α，还取决于压缩比ε和膨胀指数m。由此可知，要增加空压机的排气量，必须减少α或ε，或增大m值。因此，若提高空压机排气量，须从以下儿方面着手：尽量减少余隙容积；空气的压缩比不能太大；使余隙容积中的压缩空气按绝热过程进行膨胀。

1.2 余隙容积对功的影响

只考虑余隙容积时，空压机的工作循环如图1所示。

若无余隙容积时，总循环功为：

若有余隙容积，总循环功为：

膨胀过程多变指数m取决于热交换情况，当n=m时：

1.3 压力损失的影响

在空压机的吸气过程中，压力随着吸气管的阻力而变化。压力损失是由于过滤器、吸气管和吸气阀阻力而产生的。其中阀的压力损失是主要的，该压力损失与阀中气体流速的平方成正比。同样，在排气过程中排气阀及排气管道也具有阻力，空压机在排气过程中气缸压力要高于排气管中的压力。

如图1（a）所示，吸气过程和排气过程开始时具有较大凸起的波折线，这是由于阀及弹簧的惯性阻力引起的，此阻力只在打开阀片时才有。由于吸气压力降低和排气压力升高的影响，使空压机的每一循环过程所消耗的总功增加，所增加的数值如图1（a）中的3-2-6-c和4-d-a-1所包围的面积。

由于吸气压力降低，吸气终了压力小于气缸外原始压力p1，因此当折算到压力p1时，实际的吸气体积有一定的下降，从而排气量也有所下降。常用压力系数λp来表示吸气阻力对排气能力的影响，即：

通常空压机的第1级中，进气压力等于或接近大气压时，取λp=0.95～0.98。

2 排气量调节

空压机生产的压气主要供井下风动工具使用。由于井下风动工具开动的台数经常变化，因此耗气量也经常变化[2～5]。当耗气量大于空压机的排气量时，可启动备用空压机；小于空压机的排气量时，多余的压气虽然可以暂时储存在风包中，但如时间较长，风包内压气数量较多，风压增加太大，容易产生危险，因此，必须进行空压机排气量的调节。

2.1 打开进气阀调节

如图2所示，图中左侧为压力调节器，由缸体、滑阀（带有阀杆）、弹簧等组成，经管5与风包或压气管相连，用管6通往右侧的减荷装置。

风包中风压正常时，弹簧把滑阀推到缸内最上端位置，此时管5被滑阀上端面堵死。当风包中风压超过正常值时，把滑阀压到下侧位置，使管5和管6连通。此时风包中的压缩空气进入减荷装置的缸体内，推动活塞克服弹簧的弹性力而向下移动，利用杆的叉头将进气阀的阀片压开。气缸与大气相通，当其活塞左行时，气缸进气；右行时，又将吸进气缸的气体由进气阀排到大气中，此时空压机空转，不向压气管网供应压气。

对于双作用式气缸，可将两侧工作腔的进气阀分别连接2个压力调节器A和B，同时将2个压力调节器的动作压力、恢复压力整定成不同的值，则可实现100%，50%，0%排气量的三级调节。当风包中压力升到某一额定数值时，压力调节器A起作用，打升气缸一侧的进气阀，排气量减为额定值的50%。若此时排气量仍然大于耗气量，则风包中压力继续上升，压力调节器B随后起作用，打开气缸另一侧的进气阀，空压机进入空转。恢复情况类似。

这种调节方法简便易行，缺点是调节器动作时负荷立即下降，产生的惯性力较大。为了不使惯性力太大，需加大飞轮质量以产生较大的惯性。

2.2 关闭进气管调节

目前矿山使用的L型空压机大多采用关闭进气管的调节方式，其结构如图3所示。与打开进气阀调节法一样，关闭进气管调节也是靠压力调节器来调节的。当风包中风压超过整定值时，压力调节器起作用，风包中的高压风通过管路进入减荷缸，推动活塞带动盘形阀，克服弹簧的压力而向上移动，把进气管通路堵死，从而使空压机不能进气，因而也不能排气，空压机空转。风包中风压降低时，其作用与上述打开进气阀调节时类似。

当风包中有相当风压时，为了能够不带负荷启动空压机而备有手轮，启动前把活塞托起，封闭进气管，于是空压机可以空载启动。在空压机转速达到额定值时，再转动手轮脱离活塞，利用弹簧的力量使活塞连同盘形阀一起下降，恢复原值，进气管打开，空压机升始正常工作。

2.3 改变余隙容积调节

如图4所示，气缸壁上带有附加的余隙容积，此附加余隙容积靠阀的作用可以和气缸连通或隔断。当风包中压力增大超过整定值时，压力调节器起作用，压气通过压力调节器后沿风管进入减荷气缸内，克服弹簧的作用，推动活塞，将阀打开而使余隙积增大，空压机的排气量减小。

用改变余隙容积法调节时，往往在气缸上带有4个附加的余隙容积，分别由4整定成不同压力的压力调节器控制。当各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5级调节，分别给出l00%、75%、50%、25%和0%的排气量。

3 结语