浅议无润滑氮气增压压缩机的设计与开发

摘 要： 若要有效落实小气量的立式压缩机开发工作，使产品质量与功能性满足客户的使用需求，一方面需做好客户对设备使用要求的调查工作，结合压缩机开发经验与设计要素进行深入设计;另一方面，需从各个部件设计与系统结构着手，确保所有设计要素具备可控性，以便压缩机产品开发质量得到保障。文章基于无润滑氮气增压压缩机设计项目展开分析，在明确设计参数与开发要素同时，期望能够为后续相关类型的压缩机产品设计与开发提供良好参照。

关键词： 氮气增压压缩机;部件设计;控制系统

一、 引言

空气压缩机作为一种重要的能源产生形式，被广泛应用于机械、冶金、电子电力、医药，包装、化工、食品、采矿、纺织、交通等众多领域。压缩机就是把一个标准大气压的空气通过能量转化的方式输出来满足用户需求的空气的设备。其中，小气量的立式压缩机因其结构简单，易于组装成一个机组运行，占地面积小，移动灵活等优点在工矿企业广泛应用。文章结合无润滑氮气增压压缩机设计项目，分析氮气体压缩机的设计要点，以期为类似压缩机项目的设计提供借鉴。

二、项目概况

该项目为公司Z型系列新氮气气体压缩机设计与开发，项目设备设计目标是通过性小气量立体压缩机简单的结构与运行状态，赋予占地面积小与移动灵活的工矿产业应用优势。并且，在技术的选用上准备采用以氮气为介质的压缩设备，为避免受设备内部压力影响，使机组机构产生气体泄漏等风险，如何做好现场防爆设计，也是产品开发工作的重点。从市场价值与产品优势角度来看，无润滑氮气增压压缩机气缸内无须添加润滑油，可有效保障气缸内压缩气体的洁净度，拓宽此类设备的应用市场。

三、 无润滑氮气增压压缩机设计参数

无润滑氮气增压压缩机是根据市场产品消费倾向开发的新型设备，根据目前主要使用环境，设备设计介质主要采用氮气。设备排气量需控制在900Nm3/h;进气压力与排气压力分别为0.55MPa与3.0MPa;设备进气为40℃，排气温度需不高于130℃;通过联轴器传动进行联接，系统控制方式采用自动启停机。压缩机的型式为Z型，压缩级数用2级。无润滑氮气增压压缩机结构将采用立式两级双缸复动水冷式。其中，轴功率需控制在12.5kW左右，转速为600r/min，活塞行程为110mm，气缸直径分为95与65mm两种，系统冷却水的损耗速率为0.7t/h。

四、 无润滑氮气增压压缩机主要部件设计分析

通过对用户参数和氮气介质的分析，确定压缩机的型式为Z型，两级双作用;为减少占地空间，采用立式结构。

（一）曲轴箱

曲轴箱由铸铁制成，需在立式板材结构两端对称位置设二轴承孔，以便为曲轴零件的安装留出位置。另外，曲轴箱也兼具油池功能，为控制油量，需在侧面可视位置安装油标。

（二）机身

压缩机机身结构由铸铁构成，上端设置十字头滑道。为安装十字头与连杆装置，需在机身结构四壁上设置窗口，并做好盖板封实，以避免灰尘与水蒸气进入。另外，需在机身结构上设置刮油盒，避免润滑油进入气缸内。最后，机身需设置螺孔，以便为气缸填料提供氮气接管渠道。

（三）曲轴

曲轴结构由优质碳素钢锻造，曲轴需设置两处曲拐位置，分别需安装连杆装置。其中，曲轴伸出端需安装联轴器，通过平键装置链接。另外，曲轴结构中两处轴承需安装在Z型压塑机的跻身于轴承盖上，以便使曲轴运动的稳定性与得到保障。

（四）连杆

连杆零件材料选择优质碳素钢，零件整体结构为椎体“工”字形，常与十字头销与十字头体连接。零件结构端头内装有巴氏合金轴瓦，通过此种设计更便于螺栓装配至曲拐颈上，使连杆衔接强度更便于管控。

（五）十字头体

十字头体零件材料为优质灰铸铁。通常零件两端销孔内会装有弹性挡圈，以避免十字头体发生偏移或窜动等风险。另外，顶端螺纹主要连接活塞杆构件，摩擦面结构需设置润滑油槽，以便使十字头体的运行稳定性与摩擦耗能控制在合理状态内。

（六）活塞

活塞结构中的活塞环与导向环采用填充聚四氟乙烯材料;活塞杆零件需要与十字头连接，通过螺纹的进行衔接，能够有效调节活塞零件在气缸结构中的间隙;一级活塞与二级活塞为盘形活塞。其一级活塞将导向环（两个）与活塞环（四个）结构连接至一起，经计算导向环的比压值（0.19）在安全系数内。二级活塞将导向环（两个）与活塞环（五个）结构连接至一起，经计算导向环的比压值（0.17）在安全系数内，此设计优于常规无油润滑装置，延长设备零件的整体使用寿命。

（七）气缸结构

气缸结构主要由气缸与缸盖构成。其中，气缸结构主要采用了铸铁材料，并在结构主体中设置冷却水腔，给设备提供持续散热渠道;气缸结构上需设置四处安装阀孔，两个用于进气，两个用于排气。根据计算参数选取缸径，一级气缸缸径95mm，进排气口径DN40mm，壁厚内壁取25mm，外壁取23mm。为更好的控制氮气反应与协调环境，进气系统需设置缓冲分离罐装置，以便降低缓冲气流的脉动影响，使氮气进入气缸的温度更适宜，避免对气阀等零件质量造成损伤。

（八）刮油盒部件

刮油盒零件主要应用至曲轴箱内，需要根据结构与零件尺寸提供密封功能，避免曲轴箱零件润滑油进入气缸与填料体系内，使内部反应与运作环境受影响。在材料的选用上，内部刮油环需要采用铸锡铅青铜材料，环零件需将刃口朝向十字头零件，并保持适宜的距离，以避免零件相互剐蹭。另外，刮油盒与密封填料构件之间需要安装挡油圈，以实现气缸和填料部位的活塞杆无油效果。

（九）填料

填料结构主要由聚四氟乙烯材料构成，包含了节流环与密封圈，凭借弹簧预紧力与内部气体压力能够显著提升密封圈与活塞杆的紧密型，避免氮气泄露等風险出现。填料设计中，整组填料构建需通过螺栓连接至一体;密封圈结构采用三六瓣剖分式，密封圈的厚度进行加厚，选用的尺寸充分考虑易损件的寿命的延长。

（十）冷却器

该项目冷却器采用列管式结构，主要采用多根铜管输送气体与冷却水，并借助气液分离装置将使用过的液体排除。因此，所有铜管衔接位置均需要做好密封措施，以避免出现漏液等风险。

（十一）安全阀

安全阀主要安装在冷却器设备上，开启压力需控制在1.8MPa左右，并且安全阀与铜管结构衔接位置需做好密封处理，以避免出现氮气泄露等风险。

五、无润滑氮气增压压缩机自动控制系统设计

项目每台压缩机配套一台变频控制柜，变频控制系统由PLC、触摸屏、变频器以及一套一次仪表组成，其控制核心采用可编程序控制器和可视化触摸屏技术，实现母管气体压力控制，自动调节产、需气量的平衡，进而提高压缩机的运行效率。自动控制系统具体设计如下：①系统设计参数：电机标称15KW;电机2台;输入电压为380V±10 % ;②对于变频调节功能设置，通过PID控制和变频调速的共同作用，系统能够随时调节压缩机的运行速度，保证压缩机站能够实现恒压供气;③PLC控制部分采用SIEMENS S7-200系列可编程序控制器，运用模拟量信号的参数测量方式，根据MODBUS485通信议保留原有通信接口，为远方DCS提供起停点，并根据工艺需要设定模拟参数，应用触摸屏界面，保证自动控制系统的扩展空间。

六、 结语

无润滑氮气增压压缩机设计工作的落实，既能够根据客户需求提供富有针对性的设计方案，使压缩机性能得到更充分的发挥，同时凭借自动控制系统设计，提高压缩机的运行效率。故而，在进行无润滑氮气增压压缩机的设计与开发期间，必须明确压缩机设计难点与技术要求，做好气体防漏，现场防爆设计，保障气缸内压缩气体的洁净度。

参考文献：

[1]施国江，何雪明，张荣.双螺杆压缩机阴阳转子型线设计系统的开发研究[J].压缩机技术，2018，271（5）：14-21.

作者简介：  常爱华，南京顺风压缩机有限公司。