丁兆亮，沈冬明，金軒輊

(蘇州壽力氣體設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215024)

1 引言

無油螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生純凈無油的壓縮空氣，在食品、醫(yī)藥、電子、化工等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。由于無油螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣內(nèi)不能含油，因此，無油螺桿壓縮機(jī)的使用環(huán)境以及壓縮腔內(nèi)部的潔凈度都有較高的要求。

針對(duì)無油螺桿壓縮機(jī)的這一特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)前提出三點(diǎn)要求：(1)防止?jié)櫥透Z入壓縮腔；(2)防止齒輪箱中的油氣泄漏到環(huán)境中；(3)防止壓縮腔銹蝕。

基于以上三點(diǎn)要求，我們選取了合適的“防止竄油”方案，增加了“壓縮腔自動(dòng)干燥”功能，并在壓縮機(jī)控制器中加入相應(yīng)的程序，通過電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。該系統(tǒng)，在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，能有效的防止?jié)櫥透Z入壓縮腔；在停機(jī)后，能將壓縮機(jī)內(nèi)部的冷凝水帶走，保持內(nèi)部的干燥，有效防止壓縮機(jī)內(nèi)部銹蝕。因此，我們將該系統(tǒng)稱作“干氣系統(tǒng)”。

2 技術(shù)背景

無油螺桿壓縮機(jī)機(jī)頭的基本結(jié)構(gòu)。在機(jī)殼中，平行地配置著一對(duì)相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子(陰、陽轉(zhuǎn)子)。空氣從轉(zhuǎn)子的一端吸入，經(jīng)過壓縮后，從轉(zhuǎn)子的另一端被排出。

在噴油螺桿壓縮機(jī)中，潤(rùn)滑油被噴入壓縮腔，起到潤(rùn)滑、冷卻和密封等作用。在無油螺桿壓縮機(jī)中，為了獲得純凈無油的壓縮氣體，潤(rùn)滑油不能被噴入壓縮腔中。由于沒有潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑，無油螺桿的陰、陽轉(zhuǎn)子不能相互接觸，兩者之間需要保持著微小的間隙，這個(gè)間隙是靠安裝在陰、陽轉(zhuǎn)子軸伸端的同步齒輪予以保證。陰、陽螺桿在兩端的軸承支撐下，在同步齒輪的帶動(dòng)下，相互嚙合做高速轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)地“吸入-壓縮-排出”氣體。

由于軸承、齒輪是需要潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑的。因此，整個(gè)無油螺桿機(jī)頭被分為有油區(qū)域和無油區(qū)域兩部分。安裝在軸上的螺旋油封(又稱螺紋密封，黃色部分)會(huì)阻止?jié)櫥拖驂嚎s腔方向遷移，而壓縮腔兩端的氣封(碳環(huán)，黑色部分)會(huì)阻止壓縮氣體向外泄露。

壓縮機(jī)在正常的情況下，油封和氣封能有效的將潤(rùn)滑油和壓縮空氣隔開，兩者互不干涉。但是，由于螺旋油封的結(jié)構(gòu)特性，在某些特定的條件下，會(huì)造成油封失效。下面，我們結(jié)合油封和氣封的示意圖來解釋一下這種情況，如圖1。

圖1 氣封和油封示意圖

主軸高速旋轉(zhuǎn)，在油封的螺旋槽中產(chǎn)生微小的向右的推力，將泄露到油封螺旋槽中潤(rùn)滑油(油霧)又推回到齒輪箱中。這個(gè)推力是很小的，當(dāng)軸封軸承側(cè)有一定壓力(建議不要超過20 mmH2O)[2]，軸封就會(huì)失效。這種情況下，潤(rùn)滑油(油霧)會(huì)沿著主軸表面慢慢地往壓縮腔遷移，直至“竄”入壓縮腔中，污染壓縮空氣。

這種現(xiàn)象在壓縮機(jī)卸載時(shí)會(huì)發(fā)生。當(dāng)壓縮機(jī)卸載時(shí)，壓縮腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓(約-0.1 bar左右)，從而導(dǎo)致油封的左側(cè)部分(大氣開放口部分)呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)即使齒輪箱中為大氣壓力，也會(huì)導(dǎo)致油封失效，引起潤(rùn)滑油(油霧)往壓縮機(jī)腔遷移的現(xiàn)象。所以，如果發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)大氣開放口處有油滴，很有可能壓縮腔已被潤(rùn)滑油污染。

3 防止竄油的技術(shù)方案

了解油封的失效原理后，我們比較容易找到解決問題的方法--使軸封兩端的壓差小于20 mmH2O(即P右端-P左端<20 mmH2O)。

有三種方法可以解決以上的問題，我們分別取名為：負(fù)壓法、常壓法、正壓法。

3.1 負(fù)壓法

所謂“負(fù)壓法”，就是通過特定的方法，在齒輪箱中(即油封軸承側(cè))產(chǎn)生一定的負(fù)壓(油封右端約為-3～-8 kPa[3])。這樣即使壓縮機(jī)處于卸載狀態(tài)時(shí)，油封左側(cè)的壓力仍然大于右側(cè)的壓力，油封依然有效，潤(rùn)滑油(油霧)會(huì)被有效地隔離。

產(chǎn)生負(fù)壓的方法一般有兩種，離心風(fēng)機(jī)抽氣和真空發(fā)生器，如圖2。

圖2 負(fù)壓法示意圖

離心風(fēng)機(jī)抽氣的方法一般會(huì)使用在齒輪箱容積較大，負(fù)壓程度較高的地方，例如離心式壓縮機(jī)齒輪箱。使用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓的方法一般使用在齒輪箱容積較小，負(fù)壓程度較低的地方，無油螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合正合適。而且，真空發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，不需要額外的動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 常壓法

所謂“常壓法”，就是齒輪箱中始終處于常壓狀態(tài)。

此法，齒輪箱的頂部?jī)H安裝油霧過濾器(也可稱為呼吸器)，防止含油的空氣直接排放到空氣中，污染周圍的環(huán)境。但是，這種結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生如上描述的“竄油”現(xiàn)象。這就需要對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在氣封和油封之間再增加一個(gè)大氣開放口，形成“雙大氣開放口”[4]，如圖3。如此，壓縮空氣對(duì)應(yīng)大氣開放口A，潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)大氣開放口B。當(dāng)壓縮機(jī)處于卸載狀態(tài)時(shí)，只會(huì)在大氣開放口A形成負(fù)壓，而大氣開放口B不受影響，從而不影響油封的功能。

圖3 雙大氣開放口示意圖

這種方案無需增加任何輔助的設(shè)備，也不消耗額外的壓縮空氣。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于，即使油封磨損失效，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，會(huì)從大氣開放口B流出，不會(huì)竄入壓縮腔中。缺點(diǎn)在于，主機(jī)殼體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

3.3 正壓法

所謂“正壓法”，就是在油封的左側(cè)第一道螺旋槽中開一個(gè)小孔，然后將干燥的空氣從小孔充入，使軸封的左側(cè)一直保持一定的壓力，如圖4。

圖4 正壓法示意圖

如此，充入的空氣膨脹后將油封和氣封隔離開。這樣，只要保持充入的干燥空氣壓力稍高于大氣壓力，在壓縮機(jī)卸載運(yùn)行時(shí)，油封左側(cè)的壓力一直大于右側(cè)壓力，油封就能夠正常工作，不會(huì)發(fā)生竄油的現(xiàn)象。

4 干氣系統(tǒng)介紹

基于需要具備的三點(diǎn)要求，我們采用了“負(fù)壓法”，并增加“壓縮腔自動(dòng)干燥”功能，形成“干氣系統(tǒng)”，其流程圖如圖5。

圖5 干氣系統(tǒng)流程圖

干燥壓縮空氣(壓縮空氣壓力在0.55～0.65 MPa之間)經(jīng)調(diào)壓閥18調(diào)壓，壓力(壓力表21上顯示讀數(shù))保持在0.15～0.18 MPa之間。此時(shí)，消耗的空氣量約為50 L/min，相當(dāng)少。

當(dāng)壓縮機(jī)在運(yùn)行期間，三通電磁閥22得電，壓縮空氣流過真空發(fā)生器16后，由放空消音器23排放入大氣。由于真空發(fā)生器16的文丘里效應(yīng)，在油過濾器15中會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，將齒輪箱2中的油霧不斷地“往外抽”，使得齒輪箱2中的壓力(壓力表27上顯示讀數(shù))維持在-50 mmH2O左右。齒輪箱中的油霧在通過油濾芯14時(shí)，油霧會(huì)被“捕獲”，吸附在濾芯14上。隨著時(shí)間推移，濾芯中的油霧會(huì)慢慢匯合形成小油滴、大油滴，最終匯集在油過濾器15底部，通過管道流入浮球閥24中。浮球閥24的底部和油泵4的進(jìn)口相連。當(dāng)浮球閥24中沒有潤(rùn)滑油時(shí)，浮塊會(huì)遮住閥底的出口，此時(shí)浮球閥24相當(dāng)于處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)浮球閥24中的潤(rùn)滑油匯聚到一定的高度，使得浮塊漂浮起來，浮球閥24被打開，油就會(huì)通過閥底部的出口被吸回油泵，完成油霧的收集、回收。

當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)后，三通電磁閥22失電，管路進(jìn)行自動(dòng)切換，壓縮空氣會(huì)經(jīng)過減壓閥22和單向閥26后，被緩緩地充入機(jī)頭和級(jí)間管路中，帶走壓縮機(jī)內(nèi)部的“濕氣”，保持內(nèi)部干燥，防止零件銹蝕。

5 干氣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

干氣系統(tǒng)由于采用“負(fù)壓法”，增加了空氣在油濾芯中的流速，油霧在濾芯中不容易“結(jié)成”油膜，油霧更容易凝結(jié)成油滴，延長(zhǎng)了油濾芯得更換周期。如圖6，在油濾芯規(guī)格相同的情況下，“常壓法”油濾芯的更換時(shí)間，曲線A，“負(fù)壓法”油濾芯的更換時(shí)間，曲線B。

圖6 濾芯更換時(shí)間對(duì)比

干氣系統(tǒng)的“自動(dòng)干燥”功能能夠有效地緩減壓縮腔內(nèi)部的銹蝕，減少由此引發(fā)的故障。

我們知道，無油螺桿機(jī)頭內(nèi)部以及所有氣管路中是沒有潤(rùn)換油的。在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)頭處于高溫狀態(tài)，沒有什么問題。一旦壓縮機(jī)停機(jī)后，機(jī)頭的溫度會(huì)逐漸降低，機(jī)頭中的飽和高溫空氣由于溫度降低會(huì)有冷凝水析出。這些冷凝水會(huì)吸附在轉(zhuǎn)子表面，銹蝕轉(zhuǎn)子表面。雖然轉(zhuǎn)子表面和壓縮腔內(nèi)表面都有涂層，但隨著氣流的沖蝕，涂層會(huì)逐漸被磨損，失去保護(hù)作用。據(jù)售后部門不完全統(tǒng)計(jì)，在無油螺桿機(jī)頭“咬死”的故障中，75%的情況直接或間接與轉(zhuǎn)子停機(jī)后銹蝕有關(guān)。

6 結(jié)語

本文對(duì)“干氣系統(tǒng)”的技術(shù)背景、原理、流程以及在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。該系統(tǒng)不但對(duì)壓縮機(jī)的使用環(huán)境以及壓縮腔內(nèi)部的潔凈度給予保證，確保壓縮氣體的質(zhì)量，而且能夠防止壓縮機(jī)內(nèi)部銹蝕，對(duì)壓縮機(jī)有一定的保護(hù)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以得到廣泛的應(yīng)用。