淺議無潤滑氮氣增壓壓縮機的設計與開發

摘 要： 若要有效落實小氣量的立式壓縮機開發工作，使產品質量與功能性滿足客戶的使用需求，一方面需做好客戶對設備使用要求的調查工作，結合壓縮機開發經驗與設計要素進行深入設計;另一方面，需從各個部件設計與系統結構著手，確保所有設計要素具備可控性，以便壓縮機產品開發質量得到保障。文章基于無潤滑氮氣增壓壓縮機設計項目展開分析，在明確設計參數與開發要素同時，期望能夠為后續相關類型的壓縮機產品設計與開發提供良好參照。

關鍵詞： 氮氣增壓壓縮機;部件設計;控制系統

一、 引言

空氣壓縮機作為一種重要的能源產生形式，被廣泛應用于機械、冶金、電子電力、醫藥，包裝、化工、食品、采礦、紡織、交通等眾多領域。壓縮機就是把一個標準大氣壓的空氣通過能量轉化的方式輸出來滿足用戶需求的空氣的設備。其中，小氣量的立式壓縮機因其結構簡單，易于組裝成一個機組運行，占地面積小，移動靈活等優點在工礦企業廣泛應用。文章結合無潤滑氮氣增壓壓縮機設計項目，分析氮氣體壓縮機的設計要點，以期為類似壓縮機項目的設計提供借鑒。

二、項目概況

該項目為公司Z型系列新氮氣氣體壓縮機設計與開發，項目設備設計目標是通過性小氣量立體壓縮機簡單的結構與運行狀態，賦予占地面積小與移動靈活的工礦產業應用優勢。并且，在技術的選用上準備采用以氮氣為介質的壓縮設備，為避免受設備內部壓力影響，使機組機構產生氣體泄漏等風險，如何做好現場防爆設計，也是產品開發工作的重點。從市場價值與產品優勢角度來看，無潤滑氮氣增壓壓縮機氣缸內無須添加潤滑油，可有效保障氣缸內壓縮氣體的潔凈度，拓寬此類設備的應用市場。

三、 無潤滑氮氣增壓壓縮機設計參數

無潤滑氮氣增壓壓縮機是根據市場產品消費傾向開發的新型設備，根據目前主要使用環境，設備設計介質主要采用氮氣。設備排氣量需控制在900Nm3/h;進氣壓力與排氣壓力分別為0.55MPa與3.0MPa;設備進氣為40℃，排氣溫度需不高于130℃;通過聯軸器傳動進行聯接，系統控制方式采用自動啟停機。壓縮機的型式為Z型，壓縮級數用2級。無潤滑氮氣增壓壓縮機結構將采用立式兩級雙缸復動水冷式。其中，軸功率需控制在12.5kW左右，轉速為600r/min，活塞行程為110mm，氣缸直徑分為95與65mm兩種，系統冷卻水的損耗速率為0.7t/h。

四、 無潤滑氮氣增壓壓縮機主要部件設計分析

通過對用戶參數和氮氣介質的分析，確定壓縮機的型式為Z型，兩級雙作用;為減少占地空間，采用立式結構。

（一）曲軸箱

曲軸箱由鑄鐵制成，需在立式板材結構兩端對稱位置設二軸承孔，以便為曲軸零件的安裝留出位置。另外，曲軸箱也兼具油池功能，為控制油量，需在側面可視位置安裝油標。

（二）機身

壓縮機機身結構由鑄鐵構成，上端設置十字頭滑道。為安裝十字頭與連桿裝置，需在機身結構四壁上設置窗口，并做好蓋板封實，以避免灰塵與水蒸氣進入。另外，需在機身結構上設置刮油盒，避免潤滑油進入氣缸內。最后，機身需設置螺孔，以便為氣缸填料提供氮氣接管渠道。

（三）曲軸

曲軸結構由優質碳素鋼鍛造，曲軸需設置兩處曲拐位置，分別需安裝連桿裝置。其中，曲軸伸出端需安裝聯軸器，通過平鍵裝置鏈接。另外，曲軸結構中兩處軸承需安裝在Z型壓塑機的躋身于軸承蓋上，以便使曲軸運動的穩定性與得到保障。

（四）連桿

連桿零件材料選擇優質碳素鋼，零件整體結構為椎體“工”字形，常與十字頭銷與十字頭體連接。零件結構端頭內裝有巴氏合金軸瓦，通過此種設計更便于螺栓裝配至曲拐頸上，使連桿銜接強度更便于管控。

（五）十字頭體

十字頭體零件材料為優質灰鑄鐵。通常零件兩端銷孔內會裝有彈性擋圈，以避免十字頭體發生偏移或竄動等風險。另外，頂端螺紋主要連接活塞桿構件，摩擦面結構需設置潤滑油槽，以便使十字頭體的運行穩定性與摩擦耗能控制在合理狀態內。

（六）活塞

活塞結構中的活塞環與導向環采用填充聚四氟乙烯材料;活塞桿零件需要與十字頭連接，通過螺紋的進行銜接，能夠有效調節活塞零件在氣缸結構中的間隙;一級活塞與二級活塞為盤形活塞。其一級活塞將導向環（兩個）與活塞環（四個）結構連接至一起，經計算導向環的比壓值（0.19）在安全系數內。二級活塞將導向環（兩個）與活塞環（五個）結構連接至一起，經計算導向環的比壓值（0.17）在安全系數內，此設計優于常規無油潤滑裝置，延長設備零件的整體使用壽命。

（七）氣缸結構

氣缸結構主要由氣缸與缸蓋構成。其中，氣缸結構主要采用了鑄鐵材料，并在結構主體中設置冷卻水腔，給設備提供持續散熱渠道;氣缸結構上需設置四處安裝閥孔，兩個用于進氣，兩個用于排氣。根據計算參數選取缸徑，一級氣缸缸徑95mm，進排氣口徑DN40mm，壁厚內壁取25mm，外壁取23mm。為更好的控制氮氣反應與協調環境，進氣系統需設置緩沖分離罐裝置，以便降低緩沖氣流的脈動影響，使氮氣進入氣缸的溫度更適宜，避免對氣閥等零件質量造成損傷。

（八）刮油盒部件

刮油盒零件主要應用至曲軸箱內，需要根據結構與零件尺寸提供密封功能，避免曲軸箱零件潤滑油進入氣缸與填料體系內，使內部反應與運作環境受影響。在材料的選用上，內部刮油環需要采用鑄錫鉛青銅材料，環零件需將刃口朝向十字頭零件，并保持適宜的距離，以避免零件相互剮蹭。另外，刮油盒與密封填料構件之間需要安裝擋油圈，以實現氣缸和填料部位的活塞桿無油效果。

（九）填料

填料結構主要由聚四氟乙烯材料構成，包含了節流環與密封圈，憑借彈簧預緊力與內部氣體壓力能夠顯著提升密封圈與活塞桿的緊密型，避免氮氣泄露等風險出現。填料設計中，整組填料構建需通過螺栓連接至一體;密封圈結構采用三六瓣剖分式，密封圈的厚度進行加厚，選用的尺寸充分考慮易損件的壽命的延長。

（十）冷卻器

該項目冷卻器采用列管式結構，主要采用多根銅管輸送氣體與冷卻水，并借助氣液分離裝置將使用過的液體排除。因此，所有銅管銜接位置均需要做好密封措施，以避免出現漏液等風險。

（十一）安全閥

安全閥主要安裝在冷卻器設備上，開啟壓力需控制在1.8MPa左右，并且安全閥與銅管結構銜接位置需做好密封處理，以避免出現氮氣泄露等風險。

五、無潤滑氮氣增壓壓縮機自動控制系統設計

項目每臺壓縮機配套一臺變頻控制柜，變頻控制系統由PLC、觸摸屏、變頻器以及一套一次儀表組成，其控制核心采用可編程序控制器和可視化觸摸屏技術，實現母管氣體壓力控制，自動調節產、需氣量的平衡，進而提高壓縮機的運行效率。自動控制系統具體設計如下：①系統設計參數：電機標稱15KW;電機2臺;輸入電壓為380V±10 % ;②對于變頻調節功能設置，通過PID控制和變頻調速的共同作用，系統能夠隨時調節壓縮機的運行速度，保證壓縮機站能夠實現恒壓供氣;③PLC控制部分采用SIEMENS S7-200系列可編程序控制器，運用模擬量信號的參數測量方式，根據MODBUS485通信議保留原有通信接口，為遠方DCS提供起停點，并根據工藝需要設定模擬參數，應用觸摸屏界面，保證自動控制系統的擴展空間。

六、 結語

無潤滑氮氣增壓壓縮機設計工作的落實，既能夠根據客戶需求提供富有針對性的設計方案，使壓縮機性能得到更充分的發揮，同時憑借自動控制系統設計，提高壓縮機的運行效率。故而，在進行無潤滑氮氣增壓壓縮機的設計與開發期間，必須明確壓縮機設計難點與技術要求，做好氣體防漏，現場防爆設計，保障氣缸內壓縮氣體的潔凈度。

參考文獻：

[1]施國江，何雪明，張榮.雙螺桿壓縮機陰陽轉子型線設計系統的開發研究[J].壓縮機技術，2018，271（5）：14-21.

作者簡介：? 常愛華，南京順風壓縮機有限公司。