李俊嶺 韓志侃

(1.福陸(中國)工程建設(shè)有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

螺桿式空壓機吸氣過程技術(shù)改造

李俊嶺*1韓志侃2

(1.福陸(中國)工程建設(shè)有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

通過設(shè)計應(yīng)用新的吸氣消聲濾氣器、優(yōu)化吸氣管長，對螺桿式空壓機的吸氣過程進行改造。

螺桿式空壓機 消聲濾氣器 吸氣管

螺桿式空氣壓縮機是容積式壓縮機的一種，它的工作過程是靠機殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而完成的，轉(zhuǎn)子副在與它精密配合的機殼內(nèi)轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)子齒槽之間的氣體不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化而沿著轉(zhuǎn)子軸線，由吸入側(cè)推向排出側(cè),完成吸入、壓縮、排氣3個步驟。螺桿式空氣壓縮機使用性能優(yōu)良可靠、機組重量輕、振動小、噪音低、操作方便、易損件少、運行效率較高，是主要的重型機械工程設(shè)備，廣泛應(yīng)用在礦山、石化及建筑等行業(yè)。隨著我國采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，礦山壓氣設(shè)備已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用螺桿式空壓機來代替多缸復(fù)動水冷式空壓機。但螺桿式空壓機吸氣過程存在吸氣口噪聲大、吸氣管道長度不合理等問題，需要對它進行優(yōu)化改造。

1 存在的問題

一般來說，螺桿式空氣壓縮機的設(shè)計安裝對吸氣管道的長度并沒有明確要求，很多廠家一般都設(shè)定吸氣管長為7～12m左右， 這種設(shè)定缺乏嚴謹性，沒有從振動產(chǎn)生的原理方面去驗證。

在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中，螺桿式空氣壓縮機以吸氣口的噪聲最明顯，且該噪聲具有明顯的低頻性。

如果吸氣口沒有合理的除塵裝置，其所吸入的空氣中一般都含有較多的粉塵， 這不僅給螺桿式空氣壓縮機帶來不良的影響，而且還會一定程度地減少其使用壽命。

1.1 振動

在空氣壓縮機的運轉(zhuǎn)過程中，陰、陽兩個轉(zhuǎn)子由電機驅(qū)動快速旋轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生大量的熱能和機械能，由于熱能和機械能不能快速的轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變成一部分對外部做功的能量，這部分能量就是轉(zhuǎn)子給空氣壓縮機帶來振動的原因。

機殼是空氣壓縮機的重要組成部分，同時也是空氣壓縮機的外部結(jié)構(gòu)，它給壓縮機帶來的振動比較有限。

同步齒輪安裝在主機前端，能夠保證壓縮機內(nèi)部陰、陽兩轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)動，一旦陰、陽轉(zhuǎn)子的嚙合出現(xiàn)問題，同步齒輪會受影響振動；另一方面，同步齒輪自身的材料或后期加工不合理也會引發(fā)振動。

軸承是轉(zhuǎn)動機構(gòu)，一般情況下不會產(chǎn)生不良狀況，但如果軸承出現(xiàn)磨損、超溫或抱軸也可能引發(fā)振動。在日常的運行中，一般設(shè)備操作人員會精心操作，空氣壓縮機的潤滑系統(tǒng)失靈導(dǎo)致溫度過高發(fā)生抱軸的情況很少出現(xiàn)。

綜上所述，空氣壓縮機振動產(chǎn)生的最大原因可能是陰、陽兩個轉(zhuǎn)子，一旦兩轉(zhuǎn)子的嚙合產(chǎn)生問題，那么空氣壓縮機的其他結(jié)構(gòu)也會受到影響。

螺桿式空氣壓縮機工作時曲軸的旋轉(zhuǎn)處于不平衡的動力狀態(tài)，再加上吸、排氣閥不斷工作，一定程度使得螺桿式空氣壓縮機產(chǎn)生了不同形式的振動，例如機身的彈性振動，氣柱帶來的管道振動和設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)振動。如果設(shè)計螺桿式空氣壓縮機不去考慮設(shè)備的固有頻率與受迫引起的激振頻率的關(guān)系，會使得振動部位產(chǎn)生較大振幅的振動，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)共振損壞空壓機。

1.2 噪聲

螺桿式空氣壓縮機的噪聲頻率主要取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即：f=2n/60，其中n為空壓機轉(zhuǎn)速(r/min)，f為頻率。一般市面上的螺桿式空氣壓縮機吸氣過程的噪聲處于低頻。因此考慮抗性消聲的治理措施，這樣能夠進一步降低吸氣過程噪聲里的低頻成分。筆者考慮使用超細玻璃棉作為吸聲材料。

1.3 粉塵

螺桿式空氣壓縮機的工作環(huán)境一般比較惡劣，吸入的空氣里含有較多的灰塵。而一旦空壓機吸進灰塵，可能會污染設(shè)備中的氣閥，導(dǎo)致閥片的損壞加劇，也磨損了其他的運動件，更加大了空壓機的清洗工作量。

2 改造方法

2.1 減振

螺桿式空氣壓縮機的吸氣管道振動較為復(fù)雜，可以整體看作彈性系統(tǒng)，多種因素都會影響它的結(jié)構(gòu)共振。想要通過精確計算得到真實的解比較復(fù)雜，而就工程問題而言, 能得出一個較好的近似解就可以滿足實際要求。筆者對吸氣管道進行簡化，將管道及其上附件的分布質(zhì)量按等效集中質(zhì)量處理，也就是說將吸氣管道簡化為一個無質(zhì)量的彈性管道，其上連接著6個集中等效質(zhì)量分別為：簡化吸氣管道的水平段為兩個集中質(zhì)量塊M1、M2；濾風(fēng)器和卸荷閥也簡化成質(zhì)量塊M3、M4、M5和M6?？蓪⒑喕到y(tǒng)看作是整個的振動系統(tǒng)。為簡化計算過程，約定等效質(zhì)量產(chǎn)生的動能與實際管道系統(tǒng)的動能相等，根據(jù)這一規(guī)定，導(dǎo)出等效質(zhì)量為:

其中，Mi為單位長度管道的質(zhì)量，θi為Mi的相對轉(zhuǎn)動角速度。當(dāng)整個系統(tǒng)發(fā)生振動時, 第i個質(zhì)量塊所具有的動能除了與自身相對轉(zhuǎn)動的角速度有關(guān)外，還受到周圍連接的質(zhì)量塊振動的影響。所以第i個質(zhì)量塊在發(fā)生振動時的動能為：

根據(jù)拉格朗日方程，某一系統(tǒng)的振動能為：

根據(jù)以上方程，結(jié)合文獻[1]提出的程序，計算了吸氣管道系統(tǒng)的前3階固有頻率，見表 1，其中fi為結(jié)構(gòu)固有頻率；fg為氣柱固有頻率。

表1 固有頻率計算結(jié)果

由表1可以看出：當(dāng)空壓機采用直徑273mm的吸氣管道時，其振動的動力主要來自設(shè)備中氣閥的開啟和關(guān)閉，另外轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)也會帶來一定的不平衡動力。其激發(fā)的頻率為f0=13.3Hz，相距管系本身的固有頻率較遠，也就是說基頻頻帶f1=(0.8～1.2)f0。為了防止管道系統(tǒng)發(fā)生共振，吸氣管的長度取6.0～6.5m較合適。當(dāng)吸氣管長度在9.5～10.0m的范圍內(nèi)時，盡管和管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的可能性大幅降低，但此時氣閥的開啟頻率接近于管道內(nèi)的氣柱三階固有頻率，也可能引起系統(tǒng)共振。如果按照7.0～8.0m的長度進行設(shè)計，雖然此時的頻率較為穩(wěn)定，部分空壓機設(shè)備的運行也比較平穩(wěn)，但是設(shè)備內(nèi)的其他一些因素，如管道支架、閥門等也可能增加管道系統(tǒng)的阻尼作用，所以這個范圍也不是合理的選擇。

經(jīng)過分析可以明確：在設(shè)計布置空壓機的吸氣管道時，首先要考慮管道振動的固有頻率，才能夠防止空壓機在運行時產(chǎn)生較大的振動與噪音。

2.2 降噪和防塵

根據(jù)我國的工業(yè)企業(yè)噪音排放標(biāo)準，針對空壓機機房，其噪聲必須小于85dB。螺桿空壓機設(shè)備的噪聲來源于多個部分的噪聲疊加，其進氣部分的消聲量至少要有15dB。同時消聲器的設(shè)置也具有較好的除塵作用，能夠減少進氣過程中的含塵量。

消聲器在設(shè)計時要注意阻力不能過高，過高會影響吸氣。如圖1所示的消聲濾氣器結(jié)構(gòu)采用了擋油板和濾油網(wǎng)，為了降低濾油網(wǎng)所產(chǎn)生的較高阻力，將濾油網(wǎng)的通氣面積變大，大于原來的網(wǎng)式濾清器的通氣面積。具體采用的是8 目的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，共75 層。擋油板和濾油網(wǎng)設(shè)計為抽屜式結(jié)構(gòu)，便于拆卸清理。

圖1 消聲濾氣結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1消聲原理

消聲濾氣器分4個擴張室，氣流在經(jīng)過時會發(fā)生4次擴張和收縮，這一動作可以抗性消聲。各段擴張比為7～ 9, 擴張和收縮動作的抗性消聲量能夠達到10dB左右。同時，位于中間的濾油網(wǎng)可以進行阻性消聲，如果濾油網(wǎng)的阻性消聲量為5dB,這就達到了降噪的設(shè)計指標(biāo)。

2.2.2除塵原理

螺桿空壓機的底箱中加入10#機油(與設(shè)備所用的潤滑油一樣)，運行時空氣通過一定長度的進風(fēng)管沿底部的進風(fēng)口進入消聲濾氣器室，由于轉(zhuǎn)子的作用，機油由旋轉(zhuǎn)氣流帶動，產(chǎn)生了大量的油滴，油滴可以粘附產(chǎn)生的塵粒。由于油滴和塵粒受到離心力的作用，受迫飛向筒體周壁，塵粒受到油液的沖洗，流到箱底。氣流通過中心管進入中間箱體室, 由于體積變大導(dǎo)致風(fēng)速降低，使得大顆粒的油滴下落， 形成油液沿著管壁流下去,這時一部分尺寸較大的油滴又被氣流吹碎成小油滴繼續(xù)上升，從而形成了良好的油滴捕塵環(huán)境。較細的油滴和塵粒繼續(xù)上升, 被濾網(wǎng)阻住，被濾清的空氣最后通過送風(fēng)管道進入空壓機。

2.2.3降噪除塵性能的檢驗

分別采用擋油板和濾油網(wǎng)進行降噪試驗，發(fā)現(xiàn)改用濾油網(wǎng)時, 降低噪聲量7 ～ 10dB，說明濾油網(wǎng)具有一定的阻性消聲作用。對螺桿式空壓機采用了所設(shè)計的消聲濾氣器，并對使用前后噪聲進行了測定，數(shù)據(jù)顯示噪聲下降比較明顯，最優(yōu)消聲量達26dB。

除塵性能的測定主要采用清理稱重法，所統(tǒng)計的灰塵重量是指沉在消聲濾氣器底部并減掉機油后的積塵重量。通過觀察濾油網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，底部的濾網(wǎng)上略有積塵，到第六層以上的濾網(wǎng)己無積塵。說明該消聲濾氣器的除塵效果較好。這主要是由于采用了多層濾網(wǎng)，其縫隙小，且氣流速度較大，濾網(wǎng)層與層互相交叉，氣流發(fā)生了多次轉(zhuǎn)彎，再結(jié)合濾網(wǎng)上的機油，使得塵粒粘住的比率高。而且這種結(jié)構(gòu)對噪聲也有比較好的阻滯作用。所以，粘有機油的濾網(wǎng)層具有一定的阻性消聲作用。

3 優(yōu)化改造方向

螺桿空壓機目前仍存在許多問題，有些地方還有改進優(yōu)化的空間，優(yōu)化方向大致有：

a. 重新設(shè)計螺桿空壓機的型線，要充分結(jié)合型線自身的嚙合特性，同時考慮到轉(zhuǎn)子的受力狀態(tài)和受熱變化狀態(tài)，設(shè)計新型的型線，從而進一步提高空氣壓縮機的工作效率；

b. 分析螺桿空氣壓縮機的噴油過程，分析該過程對空壓機是否泄漏以及對機器換熱、摩擦等方面的影響，進一步優(yōu)化噴油的工藝參數(shù)，降低噴油過程的不利影響；

c. 模擬分析空壓機在吸氣和排氣過程的流場特性，結(jié)合流場的動態(tài)特性分析，重新合理地分布吸氣口和排氣口的位置和形狀；

d. 分析空壓機產(chǎn)生噪聲的根本原因，弄清楚不同的型線和不同的孔口配置對噪聲的影響；

e. 優(yōu)化螺桿空壓機的齒間加工工藝，采用高精度的數(shù)控機床設(shè)備，結(jié)合先進的少切削甚至無切削的新型機械加工工藝；

f. 進一步擴大螺桿空壓機的參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍，使其適用于小流量、高壓力的排氣方式。同時開發(fā)新的氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)，并采用當(dāng)前主流的新型智能控制系統(tǒng)，提高螺桿空氣壓縮機運轉(zhuǎn)過程的智能化和經(jīng)濟性水平。

4 小結(jié)

4.1在設(shè)計布置空壓機的吸氣管道時，要結(jié)合管道的振動固有頻率，才能夠防止空壓機在運行時產(chǎn)生較大的振動與噪聲，筆者所研究的空壓機合理吸氣管長度可選擇6.0～6.5m。

4.2通過具體的試驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的消聲濾氣器能降低吸氣口噪聲15 ～ 17dB。

4.3設(shè)計的消聲濾氣器具有明顯的除塵作用，使進入空壓機的空氣含塵量減少，從而可減少清洗氣閥的工作量， 有利于延長機器的使用壽命。

[1] 葉會華，李明，田貴山. 空壓機吸氣管道結(jié)構(gòu)固有頻率及最佳吸氣管長[J]. 阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 1997, 12(6):125～126.

TQ051.21

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0254-6094(2016)01-0125-04

*李俊嶺，男，1973年2月生，工程師。上海市，201103。

2015-09-07)