活塞式空氣壓縮機性能影響因素分析及排氣量調節

翟五洲

摘 要：為了保證空壓機在最佳條件下運轉，分析了余隙容積、壓力損失等因素對活塞式空壓機性能的影響，并對空壓機的排氣量的調節進行分析，以提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

關鍵詞：活塞式空氣壓縮機 影響因素 排氣量調節

中圖分類號：TH458 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0099-02

煤礦中廣泛使用著各種由壓縮空氣驅動的機械及工具，例如采掘工作面的氣動鑿巖機、氣動裝巖機及鑿井使用的氣動抓巖機、地面使用的空氣錘等，空氣壓縮設備就是指為這些氣動機械提供壓縮空氣的整套設備[1]。為了保證空壓機在最佳條件下運轉，必須分析與空壓機性能有關的因素，進而分析其對空壓機性能的影響；同時，對空壓機的排氣量調節進行分析，以便提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

1 性能影響因素分析

1.1 余隙客積對排氣量的影響

余隙容積是活塞處于外止點時，活塞外端面與氣缸蓋之間的容積和氣缸與氣閥連接通道的容積之和。余隙容積的大小還可用相對余隙容積α來表示，它定義為余隙容積V0與氣缸工作容積Vg的比值，即：

余隙容積對空壓機排氣量的影響常用氣缸的容積系數λ0來表示，定義為氣缸的吸入空氣量Vs與工作客積Vg之比，即：

經分析可以得到：

式中：ε為壓縮比；m為膨脹過程多變指數。

上式說明：容積系數的大小不僅取決于相對余隙容積值α，還取決于壓縮比ε和膨脹指數m。由此可知，要增加空壓機的排氣量，必須減少α或ε，或增大m值。因此，若提高空壓機排氣量，須從以下兒方面著手：盡量減少余隙容積；空氣的壓縮比不能太大；使余隙容積中的壓縮空氣按絕熱過程進行膨脹。

1.2 余隙容積對功的影響

只考慮余隙容積時，空壓機的工作循環如圖1所示。

若無余隙容積時，總循環功為：

若有余隙容積，總循環功為：

膨脹過程多變指數m取決于熱交換情況，當n=m時：

1.3 壓力損失的影響

在空壓機的吸氣過程中，壓力隨著吸氣管的阻力而變化。壓力損失是由于過濾器、吸氣管和吸氣閥阻力而產生的。其中閥的壓力損失是主要的，該壓力損失與閥中氣體流速的平方成正比。同樣，在排氣過程中排氣閥及排氣管道也具有阻力，空壓機在排氣過程中氣缸壓力要高于排氣管中的壓力。

如圖1（a）所示，吸氣過程和排氣過程開始時具有較大凸起的波折線，這是由于閥及彈簧的慣性阻力引起的，此阻力只在打開閥片時才有。由于吸氣壓力降低和排氣壓力升高的影響，使空壓機的每一循環過程所消耗的總功增加，所增加的數值如圖1（a）中的3-2-6-c和4-d-a-1所包圍的面積。

由于吸氣壓力降低，吸氣終了壓力小于氣缸外原始壓力p1，因此當折算到壓力p1時，實際的吸氣體積有一定的下降，從而排氣量也有所下降。常用壓力系數λp來表示吸氣阻力對排氣能力的影響，即：

通常空壓機的第1級中，進氣壓力等于或接近大氣壓時，取λp=0.95～0.98。

2 排氣量調節

空壓機生產的壓氣主要供井下風動工具使用。由于井下風動工具開動的臺數經常變化，因此耗氣量也經常變化[2～5]。當耗氣量大于空壓機的排氣量時，可啟動備用空壓機；小于空壓機的排氣量時，多余的壓氣雖然可以暫時儲存在風包中，但如時間較長，風包內壓氣數量較多，風壓增加太大，容易產生危險，因此，必須進行空壓機排氣量的調節。

2.1 打開進氣閥調節

如圖2所示，圖中左側為壓力調節器，由缸體、滑閥（帶有閥桿）、彈簧等組成，經管5與風包或壓氣管相連，用管6通往右側的減荷裝置。

風包中風壓正常時，彈簧把滑閥推到缸內最上端位置，此時管5被滑閥上端面堵死。當風包中風壓超過正常值時，把滑閥壓到下側位置，使管5和管6連通。此時風包中的壓縮空氣進入減荷裝置的缸體內，推動活塞克服彈簧的彈性力而向下移動，利用桿的叉頭將進氣閥的閥片壓開。氣缸與大氣相通，當其活塞左行時，氣缸進氣；右行時，又將吸進氣缸的氣體由進氣閥排到大氣中，此時空壓機空轉，不向壓氣管網供應壓氣。

對于雙作用式氣缸，可將兩側工作腔的進氣閥分別連接2個壓力調節器A和B，同時將2個壓力調節器的動作壓力、恢復壓力整定成不同的值，則可實現100%，50%，0%排氣量的三級調節。當風包中壓力升到某一額定數值時，壓力調節器A起作用，打升氣缸一側的進氣閥，排氣量減為額定值的50%。若此時排氣量仍然大于耗氣量，則風包中壓力繼續上升，壓力調節器B隨后起作用，打開氣缸另一側的進氣閥，空壓機進入空轉。恢復情況類似。

這種調節方法簡便易行，缺點是調節器動作時負荷立即下降，產生的慣性力較大。為了不使慣性力太大，需加大飛輪質量以產生較大的慣性。

2.2 關閉進氣管調節

目前礦山使用的L型空壓機大多采用關閉進氣管的調節方式，其結構如圖3所示。與打開進氣閥調節法一樣，關閉進氣管調節也是靠壓力調節器來調節的。當風包中風壓超過整定值時，壓力調節器起作用，風包中的高壓風通過管路進入減荷缸，推動活塞帶動盤形閥，克服彈簧的壓力而向上移動，把進氣管通路堵死，從而使空壓機不能進氣，因而也不能排氣，空壓機空轉。風包中風壓降低時，其作用與上述打開進氣閥調節時類似。

當風包中有相當風壓時，為了能夠不帶負荷啟動空壓機而備有手輪，啟動前把活塞托起，封閉進氣管，于是空壓機可以空載啟動。在空壓機轉速達到額定值時，再轉動手輪脫離活塞，利用彈簧的力量使活塞連同盤形閥一起下降，恢復原值，進氣管打開，空壓機升始正常工作。

2.3 改變余隙容積調節

如圖4所示，氣缸壁上帶有附加的余隙容積，此附加余隙容積靠閥的作用可以和氣缸連通或隔斷。當風包中壓力增大超過整定值時，壓力調節器起作用，壓氣通過壓力調節器后沿風管進入減荷氣缸內，克服彈簧的作用，推動活塞，將閥打開而使余隙積增大，空壓機的排氣量減小。

用改變余隙容積法調節時，往往在氣缸上帶有4個附加的余隙容積，分別由4整定成不同壓力的壓力調節器控制。當各個余隙容積依次和氣缸連通時，空壓機的排氣量將逐步減少25%左右，于是能進行5級調節，分別給出l00%、75%、50%、25%和0%的排氣量。

3 結語

活塞式空壓機在礦山得到了廣泛的應用，本文主要對活塞式空壓機性能影響因素及空壓機的排氣量的調節進行分析，以保證空壓機在最佳條件下運轉，提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

參考文獻

[1] 龔勛，趙勇.空氣壓縮機在煤礦中的應用淺析[J].今日科苑，2010（4）：42.

[2] 朱峰.礦用壓縮機的維護保養[J].科技創業家，2013（3）：111.

[3] 肖忠臣，王瑞森.煉廠用往復壓縮機級列數選擇原則[J].壓縮機技術，2002（1）：32-33.

[4] 王佑坤，朱榮東.空氣壓縮機變工況試驗研究[J].石油礦場機械，2007，36（11）：33-35.

[5] 李炳文，王啟廠.礦山機械[M].徐州：中園礦業大學出版社，2007.endprint

摘 要：為了保證空壓機在最佳條件下運轉，分析了余隙容積、壓力損失等因素對活塞式空壓機性能的影響，并對空壓機的排氣量的調節進行分析，以提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

關鍵詞：活塞式空氣壓縮機 影響因素 排氣量調節

中圖分類號：TH458 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0099-02

煤礦中廣泛使用著各種由壓縮空氣驅動的機械及工具，例如采掘工作面的氣動鑿巖機、氣動裝巖機及鑿井使用的氣動抓巖機、地面使用的空氣錘等，空氣壓縮設備就是指為這些氣動機械提供壓縮空氣的整套設備[1]。為了保證空壓機在最佳條件下運轉，必須分析與空壓機性能有關的因素，進而分析其對空壓機性能的影響；同時，對空壓機的排氣量調節進行分析，以便提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

1 性能影響因素分析

1.1 余隙客積對排氣量的影響

余隙容積是活塞處于外止點時，活塞外端面與氣缸蓋之間的容積和氣缸與氣閥連接通道的容積之和。余隙容積的大小還可用相對余隙容積α來表示，它定義為余隙容積V0與氣缸工作容積Vg的比值，即：

余隙容積對空壓機排氣量的影響常用氣缸的容積系數λ0來表示，定義為氣缸的吸入空氣量Vs與工作客積Vg之比，即：

經分析可以得到：

式中：ε為壓縮比；m為膨脹過程多變指數。

上式說明：容積系數的大小不僅取決于相對余隙容積值α，還取決于壓縮比ε和膨脹指數m。由此可知，要增加空壓機的排氣量，必須減少α或ε，或增大m值。因此，若提高空壓機排氣量，須從以下兒方面著手：盡量減少余隙容積；空氣的壓縮比不能太大；使余隙容積中的壓縮空氣按絕熱過程進行膨脹。

1.2 余隙容積對功的影響

只考慮余隙容積時，空壓機的工作循環如圖1所示。

若無余隙容積時，總循環功為：

若有余隙容積，總循環功為：

膨脹過程多變指數m取決于熱交換情況，當n=m時：

1.3 壓力損失的影響

在空壓機的吸氣過程中，壓力隨著吸氣管的阻力而變化。壓力損失是由于過濾器、吸氣管和吸氣閥阻力而產生的。其中閥的壓力損失是主要的，該壓力損失與閥中氣體流速的平方成正比。同樣，在排氣過程中排氣閥及排氣管道也具有阻力，空壓機在排氣過程中氣缸壓力要高于排氣管中的壓力。

如圖1（a）所示，吸氣過程和排氣過程開始時具有較大凸起的波折線，這是由于閥及彈簧的慣性阻力引起的，此阻力只在打開閥片時才有。由于吸氣壓力降低和排氣壓力升高的影響，使空壓機的每一循環過程所消耗的總功增加，所增加的數值如圖1（a）中的3-2-6-c和4-d-a-1所包圍的面積。

由于吸氣壓力降低，吸氣終了壓力小于氣缸外原始壓力p1，因此當折算到壓力p1時，實際的吸氣體積有一定的下降，從而排氣量也有所下降。常用壓力系數λp來表示吸氣阻力對排氣能力的影響，即：

通常空壓機的第1級中，進氣壓力等于或接近大氣壓時，取λp=0.95～0.98。

2 排氣量調節

空壓機生產的壓氣主要供井下風動工具使用。由于井下風動工具開動的臺數經常變化，因此耗氣量也經常變化[2～5]。當耗氣量大于空壓機的排氣量時，可啟動備用空壓機；小于空壓機的排氣量時，多余的壓氣雖然可以暫時儲存在風包中，但如時間較長，風包內壓氣數量較多，風壓增加太大，容易產生危險，因此，必須進行空壓機排氣量的調節。

2.1 打開進氣閥調節

如圖2所示，圖中左側為壓力調節器，由缸體、滑閥（帶有閥桿）、彈簧等組成，經管5與風包或壓氣管相連，用管6通往右側的減荷裝置。

風包中風壓正常時，彈簧把滑閥推到缸內最上端位置，此時管5被滑閥上端面堵死。當風包中風壓超過正常值時，把滑閥壓到下側位置，使管5和管6連通。此時風包中的壓縮空氣進入減荷裝置的缸體內，推動活塞克服彈簧的彈性力而向下移動，利用桿的叉頭將進氣閥的閥片壓開。氣缸與大氣相通，當其活塞左行時，氣缸進氣；右行時，又將吸進氣缸的氣體由進氣閥排到大氣中，此時空壓機空轉，不向壓氣管網供應壓氣。

對于雙作用式氣缸，可將兩側工作腔的進氣閥分別連接2個壓力調節器A和B，同時將2個壓力調節器的動作壓力、恢復壓力整定成不同的值，則可實現100%，50%，0%排氣量的三級調節。當風包中壓力升到某一額定數值時，壓力調節器A起作用，打升氣缸一側的進氣閥，排氣量減為額定值的50%。若此時排氣量仍然大于耗氣量，則風包中壓力繼續上升，壓力調節器B隨后起作用，打開氣缸另一側的進氣閥，空壓機進入空轉。恢復情況類似。

這種調節方法簡便易行，缺點是調節器動作時負荷立即下降，產生的慣性力較大。為了不使慣性力太大，需加大飛輪質量以產生較大的慣性。

2.2 關閉進氣管調節

目前礦山使用的L型空壓機大多采用關閉進氣管的調節方式，其結構如圖3所示。與打開進氣閥調節法一樣，關閉進氣管調節也是靠壓力調節器來調節的。當風包中風壓超過整定值時，壓力調節器起作用，風包中的高壓風通過管路進入減荷缸，推動活塞帶動盤形閥，克服彈簧的壓力而向上移動，把進氣管通路堵死，從而使空壓機不能進氣，因而也不能排氣，空壓機空轉。風包中風壓降低時，其作用與上述打開進氣閥調節時類似。

當風包中有相當風壓時，為了能夠不帶負荷啟動空壓機而備有手輪，啟動前把活塞托起，封閉進氣管，于是空壓機可以空載啟動。在空壓機轉速達到額定值時，再轉動手輪脫離活塞，利用彈簧的力量使活塞連同盤形閥一起下降，恢復原值，進氣管打開，空壓機升始正常工作。

2.3 改變余隙容積調節

如圖4所示，氣缸壁上帶有附加的余隙容積，此附加余隙容積靠閥的作用可以和氣缸連通或隔斷。當風包中壓力增大超過整定值時，壓力調節器起作用，壓氣通過壓力調節器后沿風管進入減荷氣缸內，克服彈簧的作用，推動活塞，將閥打開而使余隙積增大，空壓機的排氣量減小。

用改變余隙容積法調節時，往往在氣缸上帶有4個附加的余隙容積，分別由4整定成不同壓力的壓力調節器控制。當各個余隙容積依次和氣缸連通時，空壓機的排氣量將逐步減少25%左右，于是能進行5級調節，分別給出l00%、75%、50%、25%和0%的排氣量。

3 結語

活塞式空壓機在礦山得到了廣泛的應用，本文主要對活塞式空壓機性能影響因素及空壓機的排氣量的調節進行分析，以保證空壓機在最佳條件下運轉，提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

參考文獻

[1] 龔勛，趙勇.空氣壓縮機在煤礦中的應用淺析[J].今日科苑，2010（4）：42.

[2] 朱峰.礦用壓縮機的維護保養[J].科技創業家，2013（3）：111.

[3] 肖忠臣，王瑞森.煉廠用往復壓縮機級列數選擇原則[J].壓縮機技術，2002（1）：32-33.

[4] 王佑坤，朱榮東.空氣壓縮機變工況試驗研究[J].石油礦場機械，2007，36（11）：33-35.

[5] 李炳文，王啟廠.礦山機械[M].徐州：中園礦業大學出版社，2007.endprint

摘 要：為了保證空壓機在最佳條件下運轉，分析了余隙容積、壓力損失等因素對活塞式空壓機性能的影響，并對空壓機的排氣量的調節進行分析，以提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

關鍵詞：活塞式空氣壓縮機 影響因素 排氣量調節

中圖分類號：TH458 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0099-02

煤礦中廣泛使用著各種由壓縮空氣驅動的機械及工具，例如采掘工作面的氣動鑿巖機、氣動裝巖機及鑿井使用的氣動抓巖機、地面使用的空氣錘等，空氣壓縮設備就是指為這些氣動機械提供壓縮空氣的整套設備[1]。為了保證空壓機在最佳條件下運轉，必須分析與空壓機性能有關的因素，進而分析其對空壓機性能的影響；同時，對空壓機的排氣量調節進行分析，以便提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

1 性能影響因素分析

1.1 余隙客積對排氣量的影響

余隙容積是活塞處于外止點時，活塞外端面與氣缸蓋之間的容積和氣缸與氣閥連接通道的容積之和。余隙容積的大小還可用相對余隙容積α來表示，它定義為余隙容積V0與氣缸工作容積Vg的比值，即：

余隙容積對空壓機排氣量的影響常用氣缸的容積系數λ0來表示，定義為氣缸的吸入空氣量Vs與工作客積Vg之比，即：

經分析可以得到：

式中：ε為壓縮比；m為膨脹過程多變指數。

上式說明：容積系數的大小不僅取決于相對余隙容積值α，還取決于壓縮比ε和膨脹指數m。由此可知，要增加空壓機的排氣量，必須減少α或ε，或增大m值。因此，若提高空壓機排氣量，須從以下兒方面著手：盡量減少余隙容積；空氣的壓縮比不能太大；使余隙容積中的壓縮空氣按絕熱過程進行膨脹。

1.2 余隙容積對功的影響

只考慮余隙容積時，空壓機的工作循環如圖1所示。

若無余隙容積時，總循環功為：

若有余隙容積，總循環功為：

膨脹過程多變指數m取決于熱交換情況，當n=m時：

1.3 壓力損失的影響

在空壓機的吸氣過程中，壓力隨著吸氣管的阻力而變化。壓力損失是由于過濾器、吸氣管和吸氣閥阻力而產生的。其中閥的壓力損失是主要的，該壓力損失與閥中氣體流速的平方成正比。同樣，在排氣過程中排氣閥及排氣管道也具有阻力，空壓機在排氣過程中氣缸壓力要高于排氣管中的壓力。

如圖1（a）所示，吸氣過程和排氣過程開始時具有較大凸起的波折線，這是由于閥及彈簧的慣性阻力引起的，此阻力只在打開閥片時才有。由于吸氣壓力降低和排氣壓力升高的影響，使空壓機的每一循環過程所消耗的總功增加，所增加的數值如圖1（a）中的3-2-6-c和4-d-a-1所包圍的面積。

由于吸氣壓力降低，吸氣終了壓力小于氣缸外原始壓力p1，因此當折算到壓力p1時，實際的吸氣體積有一定的下降，從而排氣量也有所下降。常用壓力系數λp來表示吸氣阻力對排氣能力的影響，即：

通常空壓機的第1級中，進氣壓力等于或接近大氣壓時，取λp=0.95～0.98。

2 排氣量調節

空壓機生產的壓氣主要供井下風動工具使用。由于井下風動工具開動的臺數經常變化，因此耗氣量也經常變化[2～5]。當耗氣量大于空壓機的排氣量時，可啟動備用空壓機；小于空壓機的排氣量時，多余的壓氣雖然可以暫時儲存在風包中，但如時間較長，風包內壓氣數量較多，風壓增加太大，容易產生危險，因此，必須進行空壓機排氣量的調節。

2.1 打開進氣閥調節

如圖2所示，圖中左側為壓力調節器，由缸體、滑閥（帶有閥桿）、彈簧等組成，經管5與風包或壓氣管相連，用管6通往右側的減荷裝置。

風包中風壓正常時，彈簧把滑閥推到缸內最上端位置，此時管5被滑閥上端面堵死。當風包中風壓超過正常值時，把滑閥壓到下側位置，使管5和管6連通。此時風包中的壓縮空氣進入減荷裝置的缸體內，推動活塞克服彈簧的彈性力而向下移動，利用桿的叉頭將進氣閥的閥片壓開。氣缸與大氣相通，當其活塞左行時，氣缸進氣；右行時，又將吸進氣缸的氣體由進氣閥排到大氣中，此時空壓機空轉，不向壓氣管網供應壓氣。

對于雙作用式氣缸，可將兩側工作腔的進氣閥分別連接2個壓力調節器A和B，同時將2個壓力調節器的動作壓力、恢復壓力整定成不同的值，則可實現100%，50%，0%排氣量的三級調節。當風包中壓力升到某一額定數值時，壓力調節器A起作用，打升氣缸一側的進氣閥，排氣量減為額定值的50%。若此時排氣量仍然大于耗氣量，則風包中壓力繼續上升，壓力調節器B隨后起作用，打開氣缸另一側的進氣閥，空壓機進入空轉。恢復情況類似。

這種調節方法簡便易行，缺點是調節器動作時負荷立即下降，產生的慣性力較大。為了不使慣性力太大，需加大飛輪質量以產生較大的慣性。

2.2 關閉進氣管調節

目前礦山使用的L型空壓機大多采用關閉進氣管的調節方式，其結構如圖3所示。與打開進氣閥調節法一樣，關閉進氣管調節也是靠壓力調節器來調節的。當風包中風壓超過整定值時，壓力調節器起作用，風包中的高壓風通過管路進入減荷缸，推動活塞帶動盤形閥，克服彈簧的壓力而向上移動，把進氣管通路堵死，從而使空壓機不能進氣，因而也不能排氣，空壓機空轉。風包中風壓降低時，其作用與上述打開進氣閥調節時類似。

當風包中有相當風壓時，為了能夠不帶負荷啟動空壓機而備有手輪，啟動前把活塞托起，封閉進氣管，于是空壓機可以空載啟動。在空壓機轉速達到額定值時，再轉動手輪脫離活塞，利用彈簧的力量使活塞連同盤形閥一起下降，恢復原值，進氣管打開，空壓機升始正常工作。

2.3 改變余隙容積調節

如圖4所示，氣缸壁上帶有附加的余隙容積，此附加余隙容積靠閥的作用可以和氣缸連通或隔斷。當風包中壓力增大超過整定值時，壓力調節器起作用，壓氣通過壓力調節器后沿風管進入減荷氣缸內，克服彈簧的作用，推動活塞，將閥打開而使余隙積增大，空壓機的排氣量減小。

用改變余隙容積法調節時，往往在氣缸上帶有4個附加的余隙容積，分別由4整定成不同壓力的壓力調節器控制。當各個余隙容積依次和氣缸連通時，空壓機的排氣量將逐步減少25%左右，于是能進行5級調節，分別給出l00%、75%、50%、25%和0%的排氣量。

3 結語

活塞式空壓機在礦山得到了廣泛的應用，本文主要對活塞式空壓機性能影響因素及空壓機的排氣量的調節進行分析，以保證空壓機在最佳條件下運轉，提高空壓機工作的可靠性和經濟性。

參考文獻

[1] 龔勛，趙勇.空氣壓縮機在煤礦中的應用淺析[J].今日科苑，2010（4）：42.

[2] 朱峰.礦用壓縮機的維護保養[J].科技創業家，2013（3）：111.

[3] 肖忠臣，王瑞森.煉廠用往復壓縮機級列數選擇原則[J].壓縮機技術，2002（1）：32-33.

[4] 王佑坤，朱榮東.空氣壓縮機變工況試驗研究[J].石油礦場機械，2007，36（11）：33-35.

[5] 李炳文，王啟廠.礦山機械[M].徐州：中園礦業大學出版社，2007.endprint