李俊嶺 韓志侃

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

螺桿式空壓機吸氣過程技術改造

李俊嶺*1韓志侃2

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

通過設計應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互相平行嚙合的陰陽轉子的齒槽之容積變化而完成的，轉子副在與它精密配合的機殼內轉動使轉子齒槽之間的氣體不斷地產生周期性的容積變化而沿著轉子軸線，由吸入側推向排出側,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備，廣泛應用在礦山、石化及建筑等行業(yè)。隨著我國采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，礦山壓氣設備已經大規(guī)模應用螺桿式空壓機來代替多缸復動水冷式空壓機。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，很多廠家一般都設定吸氣管長為7～12m左右， 這種設定缺乏嚴謹性，沒有從振動產生的原理方面去驗證。

在現實生產過程中，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過程中，陰、陽兩個轉子由電機驅動快速旋轉，同時產生大量的熱能和機械能，由于熱能和機械能不能快速的轉化，出現了轉變成一部分對外部做功的能量，這部分能量就是轉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構，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，能夠保證壓縮機內部陰、陽兩轉子的同步轉動，一旦陰、陽轉子的嚙合出現問題，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。

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

綜上所述，空氣壓縮機振動產生的最大原因可能是陰、陽兩個轉子，一旦兩轉子的嚙合產生問題，那么空氣壓縮機的其他結構也會受到影響。

螺桿式空氣壓縮機工作時曲軸的旋轉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備自身的結構振動。如果設計螺桿式空氣壓縮機不去考慮設備的固有頻率與受迫引起的激振頻率的關系，會使得振動部位產生較大振幅的振動，嚴重時甚至會出現共振損壞空壓機。

1.2 噪聲

螺桿式空氣壓縮機的噪聲頻率主要取決于轉子轉速，即：f=2n/60，其中n為空壓機轉速(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，可能會污染設備中的氣閥，導致閥片的損壞加劇，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雜，可以整體看作彈性系統，多種因素都會影響它的結構共振。想要通過精確計算得到真實的解比較復雜，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量按等效集中質量處理，也就是說將吸氣管道簡化為一個無質量的彈性管道，其上連接著6個集中等效質量分別為：簡化吸氣管道的水平段為兩個集中質量塊M1、M2；濾風器和卸荷閥也簡化成質量塊M3、M4、M5和M6?？蓪⒑喕到y看作是整個的振動系統。為簡化計算過程，約定等效質量產生的動能與實際管道系統的動能相等，根據這一規(guī)定，導出等效質量為:

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

根據拉格朗日方程，某一系統的振動能為：

根據以上方程，結合文獻[1]提出的程序，計算了吸氣管道系統的前3階固有頻率，見表 1，其中fi為結構固有頻率；fg為氣柱固有頻率。

表1 固有頻率計算結果

由表1可以看出：當空壓機采用直徑273mm的吸氣管道時，其振動的動力主要來自設備中氣閥的開啟和關閉，另外轉子的旋轉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。為了防止管道系統發(fā)生共振，吸氣管的長度取6.0～6.5m較合適。當吸氣管長度在9.5～10.0m的范圍內時，盡管和管道發(fā)生結構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的氣柱三階固有頻率，也可能引起系統共振。如果按照7.0～8.0m的長度進行設計，雖然此時的頻率較為穩(wěn)定，部分空壓機設備的運行也比較平穩(wěn)，但是設備內的其他一些因素，如管道支架、閥門等也可能增加管道系統的阻尼作用，所以這個范圍也不是合理的選擇。

經過分析可以明確：在設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生較大的振動與噪音。

2.2 降噪和防塵

根據我國的工業(yè)企業(yè)噪音排放標準，針對空壓機機房，其噪聲必須小于85dB。螺桿空壓機設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構采用了擋油板和濾油網，為了降低濾油網所產生的較高阻力，將濾油網的通氣面積變大，大于原來的網式濾清器的通氣面積。具體采用的是8 目的鍍鋅鐵絲網，共75 層。擋油板和濾油網設計為抽屜式結構，便于拆卸清理。

圖1 消聲濾氣結構示意圖

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，位于中間的濾油網可以進行阻性消聲，如果濾油網的阻性消聲量為5dB,這就達到了降噪的設計指標。

2.2.2除塵原理

螺桿空壓機的底箱中加入10#機油(與設備所用的潤滑油一樣)，運行時空氣通過一定長度的進風管沿底部的進風口進入消聲濾氣器室，由于轉子的作用，機油由旋轉氣流帶動，產生了大量的油滴，油滴可以粘附產生的塵粒。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, 由于體積變大導致風速降低，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, 被濾網阻住，被濾清的空氣最后通過送風管道進入空壓機。

2.2.3降噪除塵性能的檢驗

分別采用擋油板和濾油網進行降噪試驗，發(fā)現改用濾油網時, 降低噪聲量7 ～ 10dB，說明濾油網具有一定的阻性消聲作用。對螺桿式空壓機采用了所設計的消聲濾氣器，并對使用前后噪聲進行了測定，數據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。通過觀察濾油網發(fā)現，底部的濾網上略有積塵，到第六層以上的濾網己無積塵。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，其縫隙小，且氣流速度較大，濾網層與層互相交叉，氣流發(fā)生了多次轉彎，再結合濾網上的機油，使得塵粒粘住的比率高。而且這種結構對噪聲也有比較好的阻滯作用。所以，粘有機油的濾網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. 重新設計螺桿空壓機的型線，要充分結合型線自身的嚙合特性，同時考慮到轉子的受力狀態(tài)和受熱變化狀態(tài)，設計新型的型線，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，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，采用高精度的數控機床設備，結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可調節(jié)范圍，使其適用于小流量、高壓力的排氣方式。同時開發(fā)新的氣量調節(jié)機構，并采用當前主流的新型智能控制系統，提高螺桿空氣壓縮機運轉過程的智能化和經濟性水平。

4 小結

4.1在設計布置空壓機的吸氣管道時，要結合管道的振動固有頻率，才能夠防止空壓機在運行時產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，設計的消聲濾氣器能降低吸氣口噪聲15 ～ 17dB。

4.3設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. 空壓機吸氣管道結構固有頻率及最佳吸氣管長[J]. 阜新礦業(yè)學院學報(自然科學版), 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)