1. 電動機

一般情況下,空壓機所使用的功率低於250KW的電動機使用380V電壓,而功率超過250KW的電動機通常使用6KV或10KV的電壓。
防爆型**空氣壓縮機(即防爆型空壓機)**使用380V/660V電壓。同一台電動機透過改變接線方式,可以實現380V與660V兩種電壓的切換。在防爆空壓機的銘牌上標示的最大壓力為0.7MPa,這是因為國家並未制定0.8MPa的標準。在由國家核發的生產許可證上同樣標註為0.7MPa,但實際使用中可以達到0.8MPa。
空氣壓縮機僅使用兩種異步電動機,分別為二極與四極。
二極同步電動機的轉速為3000轉/分鐘;而在空壓機中使用的異步電動機,其二極轉速為≥3000×97% = 2910轉/分鐘,通常對外宣傳為2960轉/分鐘,誤差範圍為3%。
四極同步電動機的轉速為1500轉/分鐘;對於空壓機所用的異步電動機,四極轉速為≥1500×97% = 1455轉/分鐘,一般對客戶說明為1480轉/分鐘,誤差亦為3%。
空氣壓縮機所使用的電動機僅為二極與四極兩種,其轉速符合國家標準,可視為固定數值(1480轉/分鐘與2960轉/分鐘)。
服務係數(Service Factor):在空氣壓縮機產業中,電動機通常不依照標準設計,普遍存在「小機器卻標示大功率」的情況。服務係數一般介於1.1至1.2之間。例如,一台功率為200kW的空氣壓縮機,若其服務係數為1.15,實際最大輸出功率可達200 × 1.15 = 230kW。在向客戶解釋時,可以說是額外預留了15%的功率——這是一種「增強性能」的做法。
而一般的電動機則常見相反的情況——「大機器卻標示小功率」。例如,一台標示功率為100kW的電動機,若實際輸出功率僅達到80%就已算不錯。常見的說法是功率因數cos∮=0.8——這可視為對材料的「節省」。
防護等級:這是指電動機防水防塵的能力標準。對於IP23的等級已基本夠用,但在空壓機行業中,使用380V的電動機基本都採用IP55或IP54,而6KV與10KV的電動機則多選用IP23,但也有客戶會要求使用IP55或IP54等級。
絕緣等級:指電動機的耐熱與阻燃性能。一般採用F級絕緣,並按照B級標準進行溫升檢測,也就是比F級更高一級的測試要求。
啟動方式:採用星–三角(Star–Delta)啟動方式。
電動機類型:電動機分為普通型與變頻型。變頻空壓機所使用的是變頻電動機,透過改變輸入電源的頻率來調整電動機的轉速,從而控制空壓機的出氣流量。
2. 螺旋式空氣壓縮機的主要部件
空氣壓縮機是一種用於提高氣體壓力的機械設備。在螺旋式空氣壓縮機中,最核心的部件就是主壓縮機,一般稱為壓縮主機或主機頭。主機頭的技術核心是一對螺桿,包括陽螺桿與陰螺桿,其中陽螺桿尺寸較大,陰螺桿則較小。
主機頭的主要結構由螺桿、本體殼(亦稱為機殼或氣缸)、軸承與軸封所組成。具體來說,是一對陰陽螺桿,其兩端分別裝有軸承,並固定安裝於機殼內部。在運行過程中,空氣由一端被吸入,經由兩根螺桿的相對旋轉運動,藉由齒峰與齒槽的嚙合作用將空氣壓縮,使壓力升高,最後從另一端排出。
在壓縮空氣的過程中,主機頭需要有動力來源,並且必須具備冷卻、密封與潤滑系統。因此,主機頭只能在整體空氣壓縮機系統中正常運行。
螺旋式空氣壓縮機之所以被歸類為高科技產品,正是因為擁有這組主機頭。
主機頭被視為高科技產品的原因主要有兩點:
- 加工精度極高,無法由普通加工設備完成;
- 螺桿的形狀為三維空間曲面,其邊界設計(稱為Profile)目前僅有極少數幾家外國公司掌握技術。
就結構而言,陰陽螺桿之間並不直接接觸,兩者之間的間隙僅約2至3根頭髮粗細(也就是幾個百分之幾毫米);螺桿與機殼之間亦保持相似間隙,無接觸、無摩擦;螺桿端面與機殼之間也同樣維持微小間距。正因為沒有直接接觸與摩擦,主機頭的壽命主要取決於軸承與軸封的品質與壽命。
軸承與軸封的壽命——換句話說,也就是更換週期——與其所承受的轉速與負載密切相關。因此,那些採用直接驅動、轉速較低且軸承不承受額外負荷的壓縮主機,其壽命通常最長。相反地,使用皮帶傳動的空氣壓縮機,其主機轉速較高,軸承需承受較大負荷,壽命自然較短。
在組裝壓縮主機的軸承時,這是一道極其精密的技術工序,需在專用無塵室內完成,該空間具有恆溫與恆濕的控制,並需使用專業工具進行操作。如果軸承出現損壞——尤其是在大型主機中——則必須送回專業維修廠進行更換。從運輸到維修的整個過程耗時費工,常常為用戶帶來諸多不便。一旦空氣壓縮機停機,整條生產線將被迫中斷,工人需暫停工作,每天的經濟損失可能高達數萬元人民幣。
因此,基於對用戶負責的態度,我們始終優先推薦使用直接驅動、無增速齒輪箱、轉速較低的空氣壓縮機類型。
3. 油分離器的結構與原理
油氣分離罐是一種容器,用於對氣油混合物進行相分離處理。通常,油氣分離罐呈圓筒狀,由45#碳鋼板焊接而成罐體。採用不鏽鋼製作油氣分離罐的情況非常少見,在一般工況下也無此必要。除了分離油品的功能外,油氣分離罐還肩負儲存潤滑油的任務。
油氣分離罐內部裝有油分濾芯,簡稱油分芯,通常由約23層進口玻璃纖維材料捲繞而成。有些廠家為了節省成本,僅使用約18層,這將直接影響油氣分離的效果。
油分濾芯的工作原理為:當氣油混合物以一定速度通過玻璃纖維層時,細小的油滴會被濾層攔截,逐漸聚合成較大的油滴,並在重力作用下沉降至濾芯底部。這些油滴再通過回油管被導回至壓縮主機內部,進入下一輪的壓縮循環。回油管上設有單向閥,以保證油品只能從油分芯底部流入壓縮腔,防止回流。
實際上,在氣油混合物進入濾芯之前,約99%的油已經被分離並沉降到分離罐底部。
從壓縮主機排出後的高溫高壓氣油混合物(約80℃)會以切線方向進入油氣分離罐,受到離心力的作用,混合物中的大部分油滴會被甩向罐體內壁,並在重力作用下沿內壁流入罐底。其餘微小油滴經碰撞後進一步聚合,也會沉降到罐底,以供再次使用。
經油分濾芯過濾後的潔淨氣體會通過最小壓力閥(簡稱最小壓閥),然後流入後冷器進行降溫處理,最後經由空壓機系統排出。
最小壓力閥同樣是一種單向閥,又稱油氣分離罐排氣閥,安裝於分離罐出口處,即油分罐上方。其開啟壓力通常設定在0.45 MPa,具備以下三項主要功能:
(1) 啟動時,優先建立潤滑油循環所需的壓力,確保系統初始即獲得充分潤滑。
(2) 只有當罐內氣壓超過0.45 MPa 時,閥門才會開啟,此舉能降低氣體通過濾芯的流速,不僅提升油分效率,亦可避免濾芯因壓差過大而受損。
(3) 檢查功能:停機後當油氣罐壓力下降,可防止壓縮空氣由管道倒流回油氣罐。
油氣分離罐尾蓋上裝有一只安全閥。當內部氣壓超過設定值的1.1倍時,安全閥會自動打開排氣,以避免壓力過高引發危險。檢查方法為:當空壓機處於滿載運行狀態時,輕拉安全閥的排氣拉桿,若能排出氣體,即表明閥門運作正常。
分離罐上還配有壓力錶,用於測量濾芯前端的壓力。在罐底設有排污閥,需定期開啟排出運行過程中所累積的水分與雜質。
分離罐側邊裝有透明油位觀察窗,用以觀察內部油位。正確的油位應為:空壓機正常運行時,觀察窗中油面處於上下限之間的中間位置。若油位過高則可能導致潤滑油外溢,若過低則會影響整機的運行安全。
作為承壓設備,油氣分離罐必須由具有相關製造資質的廠家生產,每個分離罐均需隨附一份品質合格證明文件。
4. 冷卻器
在風冷式螺旋式空壓機中,油冷卻器與後段壓縮空氣冷卻器通常設計為一體式結構。其構造為鋁製板翅式結構,採用真空爐焊接技術進行密封焊接。一旦發生漏油現象,幾乎無法修復,只能整體更換。
其工作原理為:高溫潤滑油與高溫壓縮空氣(約80℃)分別流經冷卻器內部的管道,由電動馬達驅動風扇旋轉,將冷風垂直吹過熱油與熱氣管道,從而達到熱交換效果。若用手觸碰從冷卻器排出的氣流,會明顯感覺到灼熱。
在水冷式螺桿機中,冷卻器通常為管殼式結構,冷卻水流經管內,高溫潤滑油則流經管外,通過熱交換過程,冷水被加熱成熱水。不過,為了節省成本,許多製造商不再使用銅管,而改用鋼管。
水冷式空壓機需要另建冷卻塔,以對已進行熱交換的水進行降溫處理,便於水的再次循環使用。冷卻水的水質對冷卻器的散熱效率有極大影響,而冷卻塔的建設亦會大幅提高投資成本。因此,水冷式空壓機的數量相較於風冷式來說並不多。然而,在水泥廠等粉塵環境較重的場所,以及如靜電噴塗廠這類有易燃粉塵的場合,則應優先考慮使用水冷式空壓機。
一旦水冷式冷卻器內部產生水垢,清洗工作將非常困難,通常需先浸泡於化學藥劑中數日,再以高壓水或高壓氣進行沖洗。根據《JB/T6430-2002》標準,水冷機所需的冷卻水量有明確規範。估算結果為:每壓縮1立方公尺的空氣,約需消耗4公升的冷卻水。
對於風冷式冷卻器,冷卻後的高溫氣流必須通過導風管或其他有效的散熱方式進行引導,例如安裝工業風扇將熱氣從機房中抽出。
若冷卻後的熱氣未被有效排出,反而回流並再次進入空壓機的吸氣系統,後果將非常嚴重:整機將因過熱而自動停機。
經後段冷卻器降溫後的壓縮空氣仍含有大量水蒸氣,這部分水氣大多可在儲氣罐中被分離出來。
冷卻後的壓縮空氣溫度:對於水冷式設備而言,氣體溫度通常比環境溫度高約10℃;而風冷式設備的氣體溫度則比環境溫度高約15℃。
5. 溫控閥
溫控閥的主要功能是控制噴入壓縮機主機內的潤滑油溫度,從而調節壓縮機主機排氣端的氣體溫度。若主機排氣溫度過低,壓縮空氣中的水蒸氣容易在油氣分離罐中凝結,導致潤滑油乳化的現象。
當油溫 ≤ 70℃ 時,溫控閥會阻止潤滑油進入油冷卻器。
當油溫 > 70℃ 時,溫控閥會允許部分高溫潤滑油流經油冷卻器進行冷卻,冷卻後的潤滑油會與未經冷卻的熱油混合,再一同流入主機,繼續壓縮循環。
當油溫 ≥ 76℃ 時,溫控閥將完全開啟通往油冷卻器的通道,所有高溫潤滑油將全部經過冷卻後再返回主機。
簡單理解,溫控閥就是調節潤滑油在進入壓縮主機前溫度的調節閥。
6. PLC與顯示螢幕
PLC 可視為壓縮機的大腦處理器,而壓縮機的 LCD 顯示螢幕則相當於電腦的螢幕。PLC 整合了接收輸入訊號、輸出訊號(傳送至顯示螢幕)、計算與數據儲存等功能。
PLC 使螺旋式壓縮機變成一台極為智慧化的“對焦拍照機器”,任何一個部件出現異常,PLC 都會即時透過顯示螢幕反映出來,便於維修保養。
在壓縮機運行過程中,電流強度、氣壓、溫度高低等各項參數皆會經由 PLC 處理,並完整顯示於螢幕上。
當濾清器(如空氣濾芯、油濾芯、油氣分離芯)或潤滑油達到更換週期時,PLC 也會自動在螢幕上發出警告,提醒操作人員及時更換。
顯示螢幕上設有操作按鍵,可如同操作電腦一般,調整排氣壓力,使之符合下游用氣設備的需求。
7. 螺杆空压机的其他部件
1. 空气过滤器
空气过滤芯属于干式纸质过滤器,是空气过滤系统的核心部件。其褶皱设计增加了空气通过面积,从而提升过滤效率。
过滤芯上的通气孔直径约为3μm,主要作用是过滤空气中直径大于3μm的灰尘颗粒和固体杂质,以避免螺杆过早磨损,并防止油滤芯和油气分离芯过早堵塞。
通常每运行500小时(或根据具体环境条件缩短时间),需将过滤芯取出,并用≤0.3MPa的压缩空气从内向外吹扫,以清除堵塞的通气孔。若使用过高的气压,容易导致滤芯破裂或孔洞膨胀,影响过滤性能。因此,使用储气罐内剩余气体清洗过滤芯时,必须注意压力表读数,避免超过0.3MPa,否则会损坏过滤芯,导致主机严重故障。
2. 进气阀(也称进气调节阀)
进气阀用于调节进入主机的空气量,从而控制空压机的排气量。
调节型进气阀属于线性控制阀,由比例阀和气动伺服缸控制。伺服缸的推杆控制进气阀内部的阀板,实现0%至100%的连续流量调节。
控制气路由油气桶引出,经过比例阀分为两个分支:A路通往伺服缸控制进气阀阀板,B路经过排气电磁阀后进入进气阀内部。
3. 比例阀与伺服缸
比例在此指的是A、B两路气流的分配比例,“反”意为相反:进入伺服缸的气体越少,进气阀阀板开度越大;反之,气量越大,开度越小。
4. 排气电磁阀
该阀安装在进气阀旁,作用是在空压机停止运行时,将油气桶和主机内部的压缩空气通过空气过滤芯排出,以防止主机内残留润滑油,在重新启动时产生重载,增加启动电流,甚至烧毁电机。
5. 温度传感器
温度传感器安装在主机排气口处,用于测量压缩后的油气混合物的温度。另一端连接PLC,并将温度值直接显示在LCD屏幕上。
6. 压力传感器
压力传感器安装在空压机的排气端(即油分之后),用于监测压缩空气的压力。油分前的压力称为“过滤前压力”。当过滤前后压差≥0.1MPa时,需更换油气分离芯。
传感器一端连接PLC,显示压力数据在LCD屏幕上。此外,油气桶外部配有机械压力表显示“过滤前压力”,而电子屏幕显示“过滤后压力”。
7. 油过滤器
油过滤器为纸质过滤器,过滤精度在10至15微米之间。其作用是滤除润滑油中的金属微粒、灰尘、氧化产物和胶状物,保护轴承和螺杆正常运行。
若油过滤器堵塞,会导致供油不足,影响轴承寿命,使排气温度升高,并形成局部碳沉积。
8. 单向回油阀
被油气分离芯分离出的残油会聚集在油分芯底部,通过回油管重新流回主机以循环使用。为防止主机腔体内的润滑油反向流入分离芯,回油管上设有单向阀。若运行中发现润滑油消耗量突然增加,应检查单向阀节流孔是否堵塞。
9. 空压机内部油管系统
这些为润滑油循环使用的输送管道。高温高压下的油气混合物从主机排出后进入油管。油管外需包裹螺纹钢丝软管,以防止因高压导致爆裂。油分与主机之间的回油管通常采用金属管(如铁管)制成。
10. 散热风扇
通常采用轴流风扇,由小电机驱动,将冷风垂直吹过散热器。
部分机型未配备温控阀,因此通过控制风扇启停来调节油温。当排气温度上升至85℃时,风扇开始运行;当温度降至75℃以下时,风扇自动停止,以保持温度在稳定范围内。对于配有温控阀的机型,风扇控制方式亦基本相同。
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