淺析兩級壓縮中壓螺桿空氣壓縮機的系統(tǒng)設(shè)計

徐偉+蔣建江

摘 要：研發(fā)了一款兩級壓縮、雙機頭組合應(yīng)用的中壓螺桿壓縮機，以滿足國內(nèi)市場對中壓螺桿空氣壓縮機的需求。嘗試運用1臺雙軸伸電機實現(xiàn)對2個壓縮主機的驅(qū)動，在此基礎(chǔ)上，進行了整機系統(tǒng)設(shè)計，運用三維造型軟件Pro/E進行了整機系統(tǒng)的虛擬設(shè)計，以縮短設(shè)計周期，樣機試制與樣機檢測數(shù)據(jù)達到了設(shè)計輸入的要求。結(jié)果證明，雙螺桿壓縮主機的組合應(yīng)用在中高壓領(lǐng)域是可行的，且相比傳統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)式兩級壓縮機有很多突出優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：螺桿壓縮機；兩級壓縮；Pro/E；排氣壓力

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.104

空氣壓縮機作為傳統(tǒng)的通用機械，在我國的工業(yè)體系中有著舉足輕重的地位，而排氣壓力在3.0～5.0 MPa范圍內(nèi)的中壓空壓機主要應(yīng)用在冶金、化工、PET吹瓶等行業(yè)中。傳統(tǒng)的單級壓縮螺桿空氣壓縮機受其工作原理的限制，其排氣壓力無法做到中高壓，市場上的中壓空壓機也主要以活塞壓縮機為主，而活塞壓縮機有著噪聲大、故障點多、售后維修不方便等缺點。比如，合肥通用研究院的李奇等人通過螺桿壓縮機與活塞壓縮機串聯(lián)的形式來實現(xiàn)高的排氣壓力，這種方案的兩種壓縮機之間匹配和聯(lián)動技術(shù)一直是研究的熱點，也是難點所在，氣流脈動也是難以客服的難點之一。

單螺桿壓縮機雖然在單級高壓領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢，但星輪易磨損，磨損后的整機效率下降明顯，在市場上應(yīng)用不夠成熟。因此，我公司針對中壓空壓機市場，特別是針對PET吹瓶壓縮機市場，研發(fā)了一款兩級壓縮螺桿壓縮機，目標(biāo)是在兩級壓縮及雙機頭組合應(yīng)用領(lǐng)域有所突破。

本文重點闡述了該中壓螺桿空氣壓縮機的系統(tǒng)設(shè)計，尋求最優(yōu)的水冷兩級壓縮噴油螺桿壓縮機的整機系統(tǒng)方案，制造出系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有自動精準(zhǔn)控制、低能耗、低故障率的螺桿中壓空壓機。

1 整機方案

1.1 設(shè)計輸入的確定

目前，國內(nèi)聚酯瓶的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在碳酸軟飲料、礦泉水、食用油、調(diào)味類食品、農(nóng)藥、醫(yī)藥、日化產(chǎn)品、熱灌裝飲料、酒類等領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，且在持續(xù)擴大。PET吹瓶空壓機市場最常用的排氣壓力為4.0 MPa，根據(jù)市場調(diào)研及綜合考慮技術(shù)開發(fā)的可行性，設(shè)計輸入?yún)?shù)如表1所示。

1.2 主機設(shè)計

螺桿壓縮機的工作原理是利用一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的相互轉(zhuǎn)動實現(xiàn)封閉容積的變化，從而實現(xiàn)空氣壓縮。螺桿轉(zhuǎn)子的長徑比需控制在一定的范圍內(nèi)，陰陽轉(zhuǎn)子共軛嚙合的原理尺寸決定了軸承的布置和尺寸，加之螺桿轉(zhuǎn)子的接觸線、泄漏三角形等的存在，導(dǎo)致螺桿壓縮機在單級高壓領(lǐng)域表現(xiàn)不足，或即使實現(xiàn)了單級高壓，也會因其泄漏量大、壓比過大而導(dǎo)致容積效率低、能耗大。

傳統(tǒng)的高壓螺桿機采用兩級壓縮是必然的選擇，目前，市場上常見的兩級壓縮螺桿壓縮機（比如開山）通常采用并聯(lián)的方式，這種主機需要在機頭內(nèi)布置大量的齒輪傳動，加之機頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸承受力等因素，該種機頭通常的排氣壓力在3.0 MPa以下。本項目拋開傳統(tǒng)的兩級機頭并聯(lián)和串聯(lián)的思維，運用雙機頭組合的方案，利用雙軸伸電機頭尾帶動2個機頭，即一級壓縮主機和二級壓縮主機采用一個驅(qū)動電機帶動，空氣經(jīng)一級壓縮至一定壓力后經(jīng)過級間冷卻再進入二級壓縮，進而得到理想的排氣壓力。

1.3 冷卻方式

常見的中高壓空氣壓縮機冷卻方式有水冷式和風(fēng)冷式，相比于風(fēng)冷式壓縮機，水冷式壓縮機的優(yōu)點有冷卻效果更好、冷卻塔布置在主機之外（整機更易布置）、冷卻水有一定的清潔作用，有助于延長設(shè)備的保養(yǎng)清洗周期和提高壓縮空氣質(zhì)量。

1.4 系統(tǒng)流程設(shè)計

機組采用整體結(jié)構(gòu)，除水冷卻塔和水泵外，所屬的主、輔設(shè)備都布置在同一底架上，整機包括雙軸伸電機、一級螺桿壓縮機主機、二級螺桿壓縮機主機、一級和二級油氣分離器、一級和二級油冷卻器、一級和二級冷卻器及空濾、止回閥、進氣閥、溫控閥、比例閥和自動控制系統(tǒng)等。

自動控制系統(tǒng)包括主電機的變頻控制，一、二級主機的進、排氣溫度，一、二級進、排氣壓力，潤滑油溫度，冷卻水溫度的過臨界點的超溫，超壓保護或過低保護，電機和控制系統(tǒng)的過載保護、短路保護等。電機啟動采用軟啟動，以減少對電網(wǎng)的沖擊。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與樣機試驗

在Pro/E軟件中虛擬設(shè)計的整機如圖2所示。

在完成主機的熱力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行整機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與布局。為了降低新產(chǎn)品開發(fā)的成本和縮短研發(fā)周期，我們采用PTC公司的三維造型設(shè)計軟件PROE進行整機三維模型及圖紙的設(shè)計，建立主要零部件的三維模型和系統(tǒng)管道模型，確定各設(shè)備的相對位置與銜接關(guān)系，并虛擬裝配，消除零件之間的干涉。為了優(yōu)化水管系統(tǒng)的布置，將一級冷卻器與一級油冷卻器進行一體化設(shè)計，將二級冷卻器與二級油冷卻器合并成一體，這樣做的好處是不僅節(jié)省了空間，還降低了水路布置的難度，將流程圖中的4路進水管縮減為2路，將4路排水管也縮減至2路。在油氣分離器的布置上，遵循“就近”的原則，即一級油氣分離器靠近一級壓縮主機，二級油氣分離器靠近二級壓縮主機，目的是有效降低管道布置的難度，減小氣流脈動引起的整機振動。在各類氣閥、控制閥、比例閥及電磁閥、儀表等輔助元件的布局滿足功能性需要的同時，兼顧安裝、維修的便利性。在電氣系統(tǒng)的布局上，充分利用整機的空間，并使主要的電氣元件、電控柜避開整機高溫區(qū)域。在整機布局大致完成后，考慮整體系統(tǒng)的空氣流場和溫度分布，在可能的高溫區(qū)域?qū)?yīng)的外罩上開設(shè)排風(fēng)風(fēng)機，且在相應(yīng)的外罩上開設(shè)百葉窗和網(wǎng)孔，以使整機的溫度與氣流分布合理。

在完成系統(tǒng)設(shè)計后，本項目組進行樣機試制與試驗，進行整機的各項參數(shù)測試，測試數(shù)據(jù)（取平均值）如表2所示。

3 結(jié)束語

測試數(shù)據(jù)表明整機的排氣壓力、排氣溫度、整機的穩(wěn)定性及能效都達到了設(shè)計輸入的要求。樣機的成功研制及現(xiàn)場應(yīng)用測試數(shù)據(jù)表明，水冷兩級壓縮及單電機驅(qū)動方案的具有可行性，也證明了螺桿壓縮機雙機頭組合應(yīng)用在中高壓領(lǐng)域應(yīng)用是完全可行的，同時，雙軸伸電機驅(qū)動壓縮機主機技術(shù)則是本產(chǎn)品的重要創(chuàng)新。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕