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062.2、螺杆压缩机的工作原理062.3、螺杆压缩机的优点07三、螺杆压缩机的排气量073.1、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.085.1、能耗分析08 5.2、卸载时调节方法不合理所消耗的能量095.3、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097.2、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 Thetwin-screwcompressorisakindofnewlyemergingcompressor.Becauseofitshighreliability,easyrepair,goodbalanceandgoodadaptabilityetc,andwidelyappliedtosuchindustrialdepartmentsasmine,chemicalindustry,power,metallurgy,architecture,machinery,refrigeration,etc.Bydesigningtheproject,thevolumetricefficiencyis70%,thecompressedtemperatureismore80。Itisveryimportanttodesignandresearchatwin-screwcompressorinindustrial.Theprojectistodesignauniversaltwin-screwaircompressor,andtoadoptsinglesideasymmetricsweptlineunilaterallyanddoweltoothcircularrotorprofile.Therearesixlobesonthefemalerotorandfourlobesonthemalerotor.Theaimofdesigninganewrotorprofileistooptimizethecontactlinelength,blowholeareaandclearancevolume.Thatcanimprovethemechanicalperformanceofatwin-screwcompressorfurther.Theprojectismainlytoresearchatwin-screwcompressorrotorprofile,geometrycharacteristic,mechanicsanalysis,thermodynamicscalculation KeywordsAtwin-screwcompressor；rotorprofile；meshcurve；toothspacevolume. 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PminPmax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)Pmin，其中的参数是一个在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PminPmax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)Pmin(1)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0.10400Hz，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，380460VAC，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420mA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:01Mpa，输出420mA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48Hz01-08下限频率:设定为40Hz01-09第一加速时间:设定为10S01-10第一减速时间:设定为10S02-00设定为02，即由外部420mA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0Hz06-04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