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螺杆式空气压缩机
螺杆式空气压缩机组是为铁路系统应用而设计,专门用于铁路车辆用风的电动空气压缩机设备,主要作用是为车辆制动、空气弹簧减振、塞拉门开闭等提供压缩空气。
螺杆式空气压缩机由于结构简单、易损件少、排温低、压比大,尤其不怕带液、带尘压缩。
其维护费用低,动转稳定,因此各行业用的螺杆式压缩机,在国内外得到飞速发展。
不论从排量范围,机型多样化,还是从压缩机的性能、技术一经济指标来衡量,螺杆式空气压缩机正逐渐取代活塞式空气压缩机。
7.1嫘杆式空压机基本结构
TSA型螺杆式空气压缩机组由4大主要部件构成:
即驱动装置、空压机机体、风冷装置和底座。
它们用螺栓连接在一起,组成一个紧凑的底座支承的机组,由弹性减振器挠性地
接到一个共用底座上,共用底座与机车用螺栓刚性连接紧固。
TSA型螺杆式空气压缩机组的外形和结构如图4.38所示,其中包括:
(1)驱动装置:
三相交流电动机、直流电动机法兰式安装。
(2)压缩机机体:
空气压缩机一对螺杆组装配在机头的壳体中,组成空压机机头,机头再装人油气筒中。
油气筒组成上还装有油分离系统,这个主要的组件还装有过滤、控制系统的元件。
图4.38螺杆式空气压缩机组的外形
(3)风冷却装置:
采取强迫自通风冷却方式。
一对联轴器分别装配在驱动电机和压缩机体主动转子轴上,电机、中托架、蜗壳、风机后盖在轴向组成了一个刚性很好的结构,这一结构使其具有自支承作用。
蜗壳中容纳了离心式风扇.风扇装在电机端的联轴器上。
蜗壳上部装有扩压器与冷却器相联接。
冷却器分为前后两部分,前部起冷却油的作用,后部起冷却空气的作用。
冷却器借助离心式风扇供给的冷却空气来交换压缩过程所产生的热量。
(4)共用底座:
压缩机机体、驱动装置及冷却装置3大部件是采用弹性减震垫平稳地固定在一个钢制共用底座上,底座下方有4个安装孔用于与机车固定整机。
共用底座将以上3个部件联成一个整体,便于运输与安装。
另外,还对螺杆式空压机配置了时间计时器,记录机器的实际运行时间,便于用户对机器的维护。
采取压力开关、温度开关及安全阀等保护措施,保证了系统的运行安全。
目前螺杆式空压机安装在机车上,与空压机配套的控制按键(开关)安装在机车司机室控制台内,电力机车主电源三相AC380V/50Hz.控制电源DC110V;内燃机车DC110V,均由机车供电,空压机出风口与机车空气干燥器人口相通,压缩空气经干燥后再送往机车总风缸。
7.2螺杆式空压机工作原理
7.2.1螺杆齿形概述(见图4.39)
(1)齿形前段:
端面齿形上前段型线,旋转时在前。
图4.39空压机螺杆机啮合型而
(2)齿形后段:
端面齿形上后段型线,旋转时在后。
(3)型线种类:
摆线、圆弧、直线(蜕化的摆线)、椭圆、抛物线、包络线等,均属二次曲线。
(4)端面型线:
齿形的端面是垂直于转子轴线的平面.型线在该平面上称为端面型线。
由端面型线组成的齿形称为端面齿形,简称齿形。
(5)型面:
主、从动转子的凸出和凹人的齿面,为空间曲面。
齿形也就是型面在垂直于转子轴线平面上(即端面)的投影。
型线中,将螺杆压缩机的转子齿形分为单边和双边齿形、对称和非对称齿形。
只在转子节圆内或外的一边具有型线.称为单边齿形。
而节圆内外均具有型线,称为双边齿形。
以齿顶中心线为界的两边齿形完全相同的齿形为对称齿形,反之为非对称齿形。
7.2.2螺杆齿数选择
一对相互啮合转动的螺杆,主动螺杆(阳转子)齿数为Z1,从动螺杆(阴转子)齿数为Z2。
通常转子齿数Z1、Z2减少,可以增加齿间面积,但是刚性下降。
一般情况下,转子齿数增加.机器可达到较高的压力比(因为此时转子刚度大,允许较大的压力比)。
当压缩机的吸入压力与压出压力差值较大时,为使主动转子与从动转子有相近的刚性或抗弯强度,从动转子往往采用比主动转子较多的齿数。
目前用的最多的齿数比为5/6,此时主动转子和从动转子刚性接近,螺杆转子与机体内壁的间隙值可以减小,有利于提高机器效率。
TSA系列螺杆空压机采用的是国内外先进的单边非对称摆线齿形,主、从转子齿数比为Z1/Z2=5/6。
试验证明,非对称齿形的泄漏比对称齿形小,容积效率较高。
7.2.3螺杆空压机工作原理
TSA系列空压机是一种双轴回转容积型压缩机.采用国内外成熟的双螺杆喷油结构。
进气口开于机头上部,排气口开于下部,采用先进的单边非对称摆线齿形,齿数比Z1/Z2=5/6,一对相互啮合、旋向一左一右的高精度主(阳)、从(阴)转子水平平行装于机壳内部,主(阳)转子有5个形齿,从(阴)转子有6个形齿。
主转子直径较大,从转子直径较小。
齿形成螺旋状,环绕于转子外缘,两者齿形相互啮合。
具有非对称的啮合型面。
主、从转子两端分别由轴承支承,进气端各装有一只滚柱轴承,排气端各装有一只推力轴承及一只滚柱轴承支持。
滚柱轴承承担径向力,推力轴承承担轴向力。
传动方式为直接传动式。
电机通过弹性联轴器直接驱动压缩机主动(阳)转子,由于两转子相互啮合,主动转子即直接带动从动转子一同旋转。
利用机组运转使自身产生压力差,在空气被压缩过程中,冷却润滑油通过压缩机机壳下部的喷嘴直接注入转子间啮合部分及轴承部位,并与空气混合,带走因压缩而产生的热量,达到冷却效果.同时形成油膜,防止转子间金属与金属直接摩擦,油膜能自动封闭转子之间和转子与机壳之间的间隙。
TSA系列螺杆式空气压缩机属于容积型空压机,这就决定了其工作原理。
双螺杆的一对互相啮合的主从(阳阴)转子,其中阴转子的齿是凹型,阳转子的齿为凸型。
如将阳转子的凸齿视作活塞,阴转子的齿槽视作气缸。
就如同活塞式压缩机的工作过程。
随着一对转子按一定传动比的旋转运动,转子的基元容积(齿槽与机体内圆柱面、端壁面共同构成的工作容积称为基元容积)由于阴阳转子的齿相继侵入而发生改变。
压缩原理分为4个过程,如图4.40所示。
TSA-230A压缩机结构如图4.41所示。
(1)吸气过程
在转子机体的一端有吸气口,必须设计得使压缩机可以充分吸气,而螺杆式压缩机进气只靠进气阀的开启、关闭调节。
当吸气时,气体经吸气口进入基元容积对(阴阳转子各有一基元容积共同组成一对基元容积),当阳转子转动时.转子的齿峰连续地脱离阴转子的齿槽,齿槽空间容积增大.直到容积达最大值时,齿沟空间与进气口空气相通,因排气充了时齿沟处于真空状态.因此进气口外界空气即被吸人,沿轴向流入主从转子的基元容积内。
当空气充满了整个齿沟,吸气终了,如图4.40(a)所示。
图4.40一个槽容积的工作过程
(a)吸气终了;(b)压缩;(c)压缩终了;(d)排出气体。
(2)封闭及输送过程
当转子之进气侧端面转离机体的进气口时,在基元容积列内的空气与吸气口即被封闭。
两转子继续转动,其齿峰与齿沟在吸气端啮合,随着转子的转动,啮合面逐渐向排气端移动即开始进行空气的输送过程。
图4.41TSA-230A压缩机结构
(3)压缩及喷油过程
在输送过程中.啮合面逐渐向排气端移动,即不断地对吸人的气体进行压缩。
在压缩过程中,基元容积对逐渐向排气端推移,齿沟空间(容积)电逐渐的缩小,气体逐渐被压缩、压力提高,此即压缩过程。
在压缩空气的同时,润滑油因压力差的作用喷人压缩室及轴承处,与空气混合,如图4.40(b)所示。
(4)排气过程
转子继续旋转.当转子的基元容积转到与机头排气口相通时,如图4.40(c)所示,压缩终了(此时压缩气体的压力达到最高),被压缩气体开始排出,直至气体排尽为止,此时齿沟空间基元容积为零,即完成排气过程。
在排气的同时,基元容积对在吸气端再次进行吸气,随后又封闭输送、压缩、排气.如此循环不息,完成压缩机的吸气、压缩、排气的工作循环。
螺杆式压缩机阴阳螺杆转向互相迎合侧面,气体受到压缩,这一侧面称高压力区;相反.螺杆转向彼此背离侧面,齿间容积在扩大并在吸气阶段,称为低压力区。
两转子轴线所在平面是高低压力区的分界面。
一对转子的空间封闭的啮合接触线使每一对基元容积分成不同的压力腔。
由于啮合接触线的分隔,一个基元容积对(阳转子的齿数即为参加吸气压缩排气过程的容积对数)可以是气体的吸人一压缩,或压缩一排气,或排气吸气等过程。
另外压缩机转子的导程比转子的长度长,同时一对转子旋转速度又高达约3000r/min,每转一圈可以吸排气5次,因此螺杆式空风机的工作过程可视为连续而脉动小的工作过程。
上述分析可知,阳转子的齿峰周期性地侵人阴转子的齿槽,并且空间接触线不断向排气端推移,其一侧进行压缩或排出而容积减少,另一侧的空间基元容积就增大,进行下一个吸气过程。
这样就类似于双作用的往复活塞式压缩机.再加上转速高、齿数多,因此压缩作用完全是连续的,吸气和排气中没有往复式活塞压缩机的脉动现象,也没有离心压缩机的喘振现象。
7.2.4螺杆式空压机的喷油特性
螺杆式空气压缩机由于喷油,使其性能大大改善。
喷油对螺杆式空压机有以下益处:
1.降温
螺杆式空压机在压缩过程中不断向压缩室及轴承注入润滑油后,油可以吸收大量的压缩热并将其带出机头外,使螺杆压缩机接近等温压缩,排气温度大大降低。
转子与机壳之间不会因热膨胀系数不同而产生摩擦。
2.密封
注入的润滑油可在转子之间形成油膜,使其阳阴转子的齿面并不直接接触。
由于啮合运动中存在着一定间隙,间隙值的大小与啮合接触线长度积称为泄漏面积。
间隙值直接影响气体的泄漏量,因此它对容积效率有直接的影响。
喷人润滑油后,汕可减少工质泄漏和充填间隙,使转子之间、转于端面与端盖之间、转子与机壳之间产生油膜密封,以达到螺杆转子间的密封效果,减少压缩空气的内泄漏。
3.润滑
油对螺杆式空气压缩机的零件和运动副均有润滑作用,使螺杆零部件寿命提高.达到长期经济运行的目的。
4.降噪
喷入润滑油后,由于转子之间有油膜隔开.运转中无金属直接撞击和摩擦,并且油对声波有吸收和阻尼作用。
螺杆式空压机喷油与不喷油,其噪声级别大不相同,一般喷油后可降低10~20dB(A)。
5.冲洗尘埃杂质的作用
喷油螺杆的出现,带来螺杆的发展。
但由于压缩空气中含油,所以螺杆式空压机中必须增设油处理元件。
7.2.5气路系统及其组成元件
1.空气流程(见图4.42系统流程图)
图4.42系统流程图
外界空气由空气滤清器5滤去尘埃后,经由进气止回阀6到机头吸气口进入机体压缩室1,压缩机内的一对转子由电机带动旋转,润滑油因压力差喷入,此时气与油混合,气油混合物被压缩后从排气口到油气筒7进行一次分离。
由于在较大的油气简中气油混合物突降流速,被筒内挡流板折挡后改变气体运动方向.与空气混合的油分较重,凝聚成液相油被沉降在油气筒底部,这时气油混合的压缩气体中仅含有少量未被分离的油。
经油细分离器8再次分离气体中的含油后,纯净的压缩空气经压力维持阀9被进至后冷却器10,冷却后的压缩空气送人机车空气干燥器。
如果空气压缩机在其壳体内空载起动,则压力维持阀将保持闭合,从而帮助在机头内迅速建立起压力,在运动中迅速形成油的循环。
当空压机体内压力达到0.6MPa时,压力维持阀开启,使通向机车空气干燥器的通道打开。
当压缩空气系统中的压力达到断开压力,而螺杆式空气压缩机停机时,压力维持阀和进气止回阀关闭,在进气口中通过从空压机螺杆组的空气回流而使压力接着提高,在气压控制作用下,致使卸荷阀打开,压缩机体中的压力空气通过卸荷阀泄放,机体内压力很快下降,系统压力保持在安全起动压力范围内。
2.气路系统元件主气源通路中各组件功能说明。
(1)空气滤清器(见图4.43)
图4,43空气滤清黼组成
1-外壳;2-滤芯;3-螺母M10;4-垫圈10;5-真空指示器;6-壳盖;7-胶垫。
空气滤请器为一干式纸质过滤器,过滤纸细孔度约为10μm左右,过滤后的洁净空气进入压缩机。
空气过滤器座上装有一真空指示器5,指示器显示红色时,应清洁或更换滤清器。
重新组装后,按下指示器顶端的复位按钮复位。
(2)进气阀(吸气阀)(见图4.44)
进气阀专门用于间歇工作的螺杆式
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