空压系统毕业设计论文.doc

中央广播电视大学(芜湖分校)

中央广播电视大学

二号华文中宋
毕 业 论 文
四号黑体

题 目 空压机恒压供气控制系统的设计

姓 名 孙 锋

学 号 1334001203635

专 业 机械制造与自动化技术
三
号
黑
体

入学时间 2013.03

指导教师 胡朗

完成日期 2015.11.29

目录

一、前言 05
二、螺杆压缩机的基本结构和工作原理及优点 06
2.1、螺杆压缩机的基本结构 06
2.2、螺杆压缩机的工作原理 06
2.3、螺杆压缩机的优点 07
三、螺杆压缩机的排气量 07
3.1、影响螺杆空压机实际排气量的因素 07
四、空压机加、卸载供气控制方式简介 08
五、加、卸载供气控制方式存在的问题 .08
5.1、能耗分析 08
5.2、卸载时调节方法不合理所消耗的能量 09
5.3、其他不足之处 09
六、恒压供气控制方案的设计 09
七、系统元器件的选型及系统的安装与调试 09
7.1、系统元器件的选型 09
7.2、系统的安装与调试 10
八、结束语 13
九、致谢 14
十、参考文献 15

摘要

螺杆压缩机是一种比较新颖的压缩机，因其可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强等优点，而广泛地应用于矿山、建筑、化工、冶金、动力、机械、制冷等工业部门。螺杆压缩机已经超过所有工业压缩机的50 ％，其市场份额超过80 ％，今后其市场份额还将继续扩大。可见，研究双螺杆压缩机具有十分重要的意义。本课题主要是设计通用的喷油双螺杆空气压缩机，采用单边不对称摆线-销齿圆弧型型线，阴、阳转子齿数比为6：4。设计新型转子型线，目的是使接触线长度、泄漏三角形面积和封闭余隙容积3者达到最优化设计，以进一步提高双螺杆压缩机的机械性能。重点研究的是双螺杆压缩机的转子型线设计、几何特性、受力分析、热力学计算。   

【关键词】双螺杆压缩机；转子型线；啮合线齿间容积                           
Abstract
The twin-screw compressor is a kind of newly emerging compressor. Because of its high reliability, easy repair, good balance and good adaptability etc, and widely applied to such industrial departments as mine, chemical industry, power, metallurgy, architecture, machinery, refrigeration, etc. By designing the project, the volumetric efficiency is 70%, the compressed temperature is more 80℃。It is very important to design and research a twin-screw compressor in industrial. The project is to design a universal twin-screw air compressor, and to adopt single side asymmetric swept line unilaterally and dowel tooth circular rotor profile. There are six lobes on the female rotor and four lobes on the male rotor. The aim of designing a new rotor profile is to optimize the contact line length, blowhole area and clearance volume. That can improve the mechanical performance of a twin-screw compressor further. The project is mainly to research a twin-screw compressor rotor profile, geometry characteristic, mechanics analysis, thermodynamics calculation    

[Keywords] A twin-screw compressor；rotor profile；mesh curve；tooth space volume.
一、前言
螺杆式压缩机的发展历史 20 世纪 30 年代，瑞典工程师 Alf Lysholm 在对燃气轮机进行研究时，希望找到一种作 回转运动的压缩机，要求其转速比活塞压缩机高得多，以便可以由燃气轮机直接驱动，并且不 会发生喘振。为了达到上述目标，他发明了螺杆压缩机。 在理论上，螺杆压缩机具有他所需要的特点，但由于必须具有非常大的排气量，才能满 足燃气轮机工作的要求，螺杆压缩机并没有在此领域获得应用。尽管如此，Alf Lysholm 及 其所在的瑞典 SRM 公司，对螺杆压缩机在其它领域的应用，继续进行了深入的研究。 1937 年，Alf Lysholm 在 SRM 公司研制成功了两类螺杆压缩机试验样机，并取得了令 人满意的测试结果。 1946 年， 位于苏格兰的英国 James Howden 公司， 第一个从瑞典 SRM 公司获得了生产 螺杆压缩机的许可证。 随后，欧洲、美国和日本的多家公司也陆续从瑞典 SRM 公司获得了这种许可证，从事 螺杆压缩机的生产和销售。最先发展起来的螺杆压缩机是无油螺杆压缩机。 1957 年喷油螺杆空气压缩机投入了市场应用。 1961 年又研制成功了喷油螺杆制冷压缩机和螺杆工艺压缩机。 过随后持续的基础理论研究和产品开发试验， 通过对转子型线的不断改进和专用转子加 工设备的开发成功，螺杆压缩机的优越性能得到了不断的发挥。在煤矿，井下巷道的开拓，以及少数使用风动工具的地点，都少不掉压缩空气源。目前，在淮北矿区，乃至全国煤矿系统，仍然还有相当一部分活塞式老空压机在正常的生产中投入运行着。这类空压机，最显著的特点是能耗高、效率低、噪音大，维护工作量大。活塞型连杆式空压机，多为70 年代的产品。它在造气的过程中，由于活塞的往复运动，其惯性力非常大，转速不能太高，致使机器体积大而笨重。其能耗非常高、噪音特别大、排气温度也高（一般均在140℃左右，夏季容易出现风包超温现象），工作效率也非常低，而且结构复杂、易损件较多。它的吸排气阀等部件，最容易损坏。维护工作量大，操作劳动强度大。这种空压机多配用同步电动机为动力，采用同步电动机可控励磁。这种设备已相对比较落后，性能较差，事故时有发生，是煤矿生产中需要尽快更新换代的机电设备之一。前两年推广的单螺杆空压机，主机为星轮体，但运行也不稳定，容易出现超温现象，使用寿命较短。虽然比老式活塞型空压机在性能、能耗和噪音上优越的多，但是还不十分理想。当前新引进的双螺杆空压机，在单螺杆的基础上又有所改进，工作效率和节能效果又上了一个台阶。

二、螺杆压缩机的基本结构、工作原理及优点
2.1基本结构
通常所称的螺杆压缩机指的是螺杆压缩机。螺杆压缩机的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机。
螺杆压缩机是一种容积式的回转机械。由一对阴、阳螺杆，一个壳体与一对端盖组成。在倒“8”形的气缸中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，分别称为阴、阳转子。它们和机体之间构成一个“V”字形的一对密封的齿槽空间随着转子的回转而逐渐变小，并且其位置在空间也不断从吸气口向排气口移动，从而完成吸气-压缩-排气的全部过程。
一般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用，称作吸气孔口；另一个供排气用，称作排气孔口。
2.2工作原理
螺杆压缩机的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，这里只研究其中一对齿。
（1）吸气过程
图1示出的螺杆压缩机的吸气过程，所讨论的一对齿用箭头标出，阳转子按逆时针方向旋转，阴转子按顺时针方向旋转，图中的转子端面是吸气端面。机壳上有特定形状的吸气孔口如图1粗实线所示。

图1 双螺杆压缩机的吸气过程
a）吸气过程即将开始 b）吸气过程中 c）吸气过程结束
图1（a）示出的是吸气过程即将开始时的转子位置。在这一时刻，这一对齿前端的型线完全啮合，且即将与吸气孔口连通。
随着转子开始运动，由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成齿间容积，这个齿间容积的扩大，在其内部形成了一定的真空，而此齿间容积又仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中，如图1（b）中阴影部分所示。在随后的转子旋转过程中，阳转子齿不断从阴转子的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔口保持连通。
吸气过程结束时的转子位置如图1（c）所示，其最显著的特征是齿间容积达到最大值，随着转子的旋转，所研究的齿间容积不会再增加。齿间容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。
(2) 压缩过程
a）吸气过程即将开始 b）吸气过程中 c）吸气过程结束、排气过程即将开始
图2示出螺杆压缩机的压缩过程。这是从上面看相互啮合的转子，图中的转子端面是排气端面，机壳上的排气孔口如图中粗实线所示。在这里，阳转子沿顺时针方向旋转，阴转子沿逆时针方向旋转。

图2 双螺杆压缩机的压缩过程
图2（a）示出压缩过程即将开始时的转子位置。
随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少。被密封在容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，图2（b）。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口连通之前。
（3）排气过程

图3 双螺杆压缩机的排气过程
a）排气过程中 b）排气过程结束
图3螺杆压缩机的排气过程。齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着齿间容积的不断缩小，具有排气压力的气体逐渐通过排气孔口被排出，图3（a）。这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合，图3(b) 。此时，齿间容积内的气体通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积变为零。
2.3优点
高性能、高效率、无人值守
空压机设备-螺杆式空气压缩机采用高容量压缩组件，其转子外圆速度低而且达到最佳注油，实现了高效率、高可靠性。最新设计确保系统温度及压缩空气温度极低。保证所有部件均达到最佳冷却效果及最高使用寿命。
1 、螺杆空压机具有：稳定性高，效率高，振动小，噪意低等优点。
2 、阴阳转子以及转子与机壳的配合是设定的，这样气体的回流泄漏少，同时无余间隙容积，故效率高。
3 、喷入的润滑油具有密封，冷却、降噪和润滑作用
4 、相比活塞机而言，易损件少，故障率更低。
5、螺杆压缩工作曲线平滑，相对于活塞机震动小，噪音低。
6、冷却方式一般分为：水冷和风冷。
7、散热系统：采用板翅式结构，及优质材料，确保冷却器耐压，散热效率高，抗腐蚀性能好。
8、空气过滤器：重载、多级空气进口过滤器，除尘精度1um（98%被滤除），工作面大，相对使用寿命长。
9、油/气分离器：新一代的分离器采用全新的过滤器材料，效率更高，空气含油率低于2ppm。
10、智能控制器：空压机运行的所有操作及相关数据均显示于控制面板上，尽控制于你的手指间，轻松方便准确，欲降低运行费用，精密的操作控制必不可少。所有康普艾旋转螺杆式压缩机均装有智能控制系统，其控制菜单简便易用。
三、排气量
空压机单位时间内排出的、换算为吸气状态下的空气体积。
3.1影响螺杆空压机实际排气量的因素
3.1.1.设备转速：
螺杆空压机的排气量与转速成正比，而转速往往会随电网的电压、频率而变化。当电压降低或频率降低时，转速将下降，使螺杆空压机排气量减少。
3.1.2.吸气状态：
螺杆空压机是容积型压缩机，吸气体积不变。当吸气温度升高，或吸气管路阻力过大而使吸入压力降低时，气体的密度减小，相应地会减少螺杆空压机排气量；
3.1.3.气体泄漏：
转子相互之间及转子与外壳之间在运转时没有接触，保持有一定的缝隙，所以会产生气体泄漏。压力升高后的气体通过缝隙向吸气管道及正在吸气的啮槽泄漏时，将使排气量减小。为了减少泄漏量，在从动转子的齿顶做有密封齿，主动转子的齿根开有密封槽，端面也加工有环状或条状的密封齿。如果这些密封线磨损，将使泄漏量增加，因此平时维护的时候应该考虑到这些因素；
3.1.4.冷却效果：
气体在压缩过程中温度会升高，转子与机壳的温度也相应升高，所以在吸气过程中，气体会受到转子和机壳的加热而膨胀，因此相应地会减少吸气量。螺杆式空气压缩机的转子中有的采用了油冷却，机壳用水冷却，其目的之一就是为了降低其温度。当冷却效果不好时，温度则升高，螺杆空压机排气量便会减少。
空压机在工业生产中有着广泛地应用。在供水行业中，它担负着为水厂所有气动元件，包括各种气动阀门，提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响水厂生产工艺。 
     空压机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如我厂使用的南京三达活塞式空压机、美国寿力螺杆压缩机和Atlas螺杆式空压机都采用了这种控制方式。根据我们多年的运行经验，该供气控制方式虽然原理简单、操作简便，但存在能耗高，进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题。 
随着社会的发展和进步，高效低耗的技术已愈来愈受到人们的关注。在空压机供气领域能否应用变频调速技术，节省电能同时改善空压机性能、提高供气品质就成为我们关心的一个话题。结合生产实际，我们选择了一台美国寿力LS-10型固定式螺杆空压机进行了研究。 
四 、空压机加、卸载供气控制方式简介 
1、空气压缩机的加载的定义：
一般来说，加卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间变化。Pmin是能够保证用户正常工作的最低压力，又叫最低压力值。Pmax、Pmin的换算关系如这个公式:Pmax＝(1＋δ)Pmin，其中的参数δ是一个在10%～25%之间的百分数。当我们采用变频调速技术实现可连续调节供气量时，那么管网压力就会一直维持在最低压力值Pmin附近。
2、空气压缩机的卸载的定义：
一般来说，当压力达到最高压力值Pmax时，空压机主要通过以下这个方法来降压卸载：关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气放空。这种方法导致了大量压缩空气的白白浪费，会造成很大的能量浪费。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再作功，但空压机在空转状态下还是在带动螺杆做回转，这样，空压机卸载时的能耗大概占到空压机满载运行时的15%～20%。简而言之，该空压机15%的时间处于空载状态，在作无用功。因此我们知道当空压机在加卸载供气控制方式下，空压机电机有巨大的节能潜力。
空气压缩机是工业现代化的基础产品，常说的电气与自动化里就有全气动的含义；而空气压缩机就是提供气源动力，是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。
五、加、卸载供气控制方式存在的问题 
5.1 能耗分析 
     我们知道，加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示: 
Pmax＝(1＋δ)Pmin  (1) δ是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。 而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。 
由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分: (1) 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量 在压力达到Pmin后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。 另一方面，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这一过程同样是一个耗能过程。 
5.2 卸载时调节方法不合理所消耗的能量 
通常情况下，当压力达到Pmax时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。 关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动，据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～15%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空压机10%的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。 
5.3其它不足之处 
(1) 靠机械方式调节进气阀，使供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。 
(2) 频繁采用打开和关闭放气阀，放气阀的耐用性得不到保障。 
六、恒压供气控制方案的设计 
     针对原有供气控制方式存在的诸多问题，经过上述对比分析，本人认为可应用变频调速技术进行恒压供气控制。采用这一方案时，我们可以把管网压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。同时，该方案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。 具体的控制系统流程图如图4所示。
电源

PO
图4    恒压供气控制系统流程图
 变频与工频电源的切换电路如图5所示; 
变频调速控制系统接线图见图6。

七  系统元器件的选配及系统的安装与调试
 7.1 元器件的选型
 7.1.1变频器

图5   变频和工频电源的切换电路  
LS-10型固定式螺杆压缩机电机型号:LS286TSC-4，功率22kW，频率50Hz，额定电压380V，额定电流42A，4极，转速1470r/min，我们选用一台“台达牌”VFD300B43A型变频器。因为LS-10型空压机是一种大转动惯量负载，因此选用加大一级变频器(30kW)。
7.1.2变频器的主要参数 
输出:最大适用电机输出功率30kW，输出额定容量45.7kVA，输出额定电流60A，输出频率范围0.10~400Hz，过载能力为额定输出电流的150%，运行60s，最大输出电压对应输入电源。     
输入:3相，380~460V AC，50/60Hz，电压容许变动范围±10%，频率容许变动范围±5%。输入电流60A，采用强迫风冷。 
7.1.3该变频器的主要特点: 
 a) 采用了新一代电力元件IGBT作为驱动交流电动机的核心元件，应用高速微处理器实现正弦波脉宽调制(SPWM)技术，具有无传感器矢量控制及电压/频率(V/f)控制。 
 b) 配有RS-485接口，可与计算机联结，构成计算机监控、群控系统。 
 c) 自动转矩补偿。  
d) 自动调整加减速时间。 
e) 禁止电机反转。
 f) 带过载(过热保护)。 
7.1.4 PID智能控制器 
兰利牌PID智能控制器一个，型号:AL808，单路输入、输出，输出为4~20mA模拟信号，测量精度0.2%，厂家:深圳市亚特克电子有限公司。 
7.1.5 压力变送器 
压力变送器一个型号:DG1300-BZ-A-2-2，量程:0~1Mpa，输出4~20mA的模拟信号。精确度0.5%FS。厂家:广州森纳士压力仪器有限公司。 
7.2、系统的安装与调试

图6 控制系统接线图 
7.2.1安装 
控制柜安装在空压机房内，与原控制柜分离，但与压缩机之间的主配线不要超过30m。控制回路的配线采用屏蔽双绞线，双绞线的节距在15m以下。另外控制柜上装有换气装置，变频器接地端子按规定不与动力接地混用，以上措施增强了系统的稳定性、可靠性。
7.2.2调试 
 a)变频器功能设定 
00-09设定为00(V/f电压频率控制) 
01-00最大操作频率:设定为50Hz(对应最大电压380V) 
01-01最大频率:设定为50Hz(等于电机额定频率) 
01-07上限频率:设定为48Hz 
01-08下限频率:设定为40Hz 
01-09第一加速时间:设定为10S 
01-10第一减速时间:设定为10S 
02-00设定为02，即由外部4~20mA输入(ACI) 
02-01设定为01:运行指令由外部端子控制 
02-02设定为00(以减速制动方式停止) 
02-04设定为01:禁止反转 
02-07设定为00:ACI断线时减速至0Hz 
06-04设定为:150%(过载保护)，其它功能遵照变频器出厂设定值。   
 b) PID参数的整定 
     由于用于控制变频器，根据在不允许输出信号频繁变化的应用系统中应选择PI调节方式原则，因此只能采用PI调节方式，以减少对变频器的冲击。 
在对PID进行参数整定的过程中，我们首先根据经验法，将比例带设定在70%，积分时间常数设定在60s;为不影响生产，我们采取改变给定值的方法使压力给定值有个突变(相当于一个阶跃信号)，然后观察其响应过程(即压力变化过程)。经过多次调整，在比例带P=40%，积分时间常数Ti=12s时，我们观察到压力的响应过程较为理想。压力在给定值改变5min左右(约一个多周期)后，振幅在极小的范围内波动，对扰动反应达到了预期的效果。 
7.2.3调试中其他事项 
从图3可以看出，整套改造装置并不改变空压机原有控制原理，也就是说原空压机系统保护装置依然有效。并且工频/变频切换采用了电气及机械双重联锁，从而大大的提高了系统的安全、可靠性。 我们在调试过程中，将下限频率调至40Hz，然后用红外线测温仪对空压机电机的温升及管路的油温进行了长时间、严格的监测，电机温升约3~6℃之间，属正常温升范围，油温基本无变化(以上数据均为以原有工频运行时相比较)。所以40Hz下限频率运行对空压机机组的工作并无多大的影响。 

八、结束语
经过一系列的反复调整，最终系统稳定在40.5~42.5Hz的频率范围，管线压力基本保持在0.62Mpa，供气质量得到提高。改造后空压机的运行安全、可靠，同时达到了公司用气的工艺要求。

九、致谢
三年的学习生活即将结束，回顾三年的学习生活，感受颇深，收获丰厚。在论文的写作过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到胡朗老师的悉心指导和帮助。借此机会我向每位毕业论文指导老师表示衷心的感谢！同时，我要感谢芜湖广播电视大学授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。同时我也要感谢我的同学给予我的帮助，他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助。我要感谢，非常感谢我的胡朗老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在闲聊中他总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和措辞等方面他们也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，胡朗老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是胡朗老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢老师！还要感谢三年的大学生活，感谢我的家人和那些永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。

十、参考文献 
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[5] 《变频器世界》杂志，2002年第3期、第4期. 
[6]杨起行. 电动单元组合仪表[M]. 北京:机械工业出版社,1982

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