面向无油空气压缩机的复合式冷却风扇及其布局设计滕连栋
（大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116000）
摘 要：近年来，经济发展迅速，我国的各行各业建设的发展也有了创新。小型摇摆活塞式无油空气压缩机广泛应用于家庭装修装饰、汽车维修维护、医疗按摩康复等行业，该类压缩机普遍采用直联式电动机来进行驱动，工作期间因空气被压缩产生的热量、密封皮碗与气缸摩擦产生的热量、电动机运转产生的热量会导致压缩机核心零部件（如活塞密封皮碗、连杆大头轴承、曲轴支撑主轴承等）热负荷过大，也是造成压缩机工作可靠性下降的主要原因之一。因此，有效解决上述关键零部件的散热问题是压缩机科研工作者十分重视的研究课题。传统小型摇摆活塞式无油空气压缩机的散热解决方案基本采用在曲柄端部（亦即在连杆大头端侧或电动机尾端处）布设离心式径流风扇并辅以导流壳罩来予以实现。这种做法的不足之处在于径流风扇受限于其风量产出特性，仅能满足冷却压缩机泵头部件的散热需求而不能顾及其它零部件的散热。事实上，用以支撑曲轴及电动机的主轴承、连接曲柄销与连杆的连杆大头轴承，它们的热负荷问题同样制约着压缩机的工作可靠性。鉴于此，本文提出包含有轴流单元与径流单元的复合式冷却风扇，试图同时完成面向压缩机泵头和面向曲轴主轴承及连杆大头轴承的两个不同散热任务。
关键词：无油空气压缩机；复合式冷却风扇；布局设计引言
空压机，全称空气压缩机，是一种通过压缩气体提高气体压力的机械，能够生产出一定压力的压缩空气。压缩空气应用很广，一般作为一种动力源，用于驱动气缸、气动马达、射流元件，或进行喷砂清理、喷漆等，是很多企业不可缺少的设备。
1 复合式冷却风扇结构形式与特点
区别于传统小型摇摆活塞无油空气压缩机的径流式冷却风扇，本文设计的复合式冷却风扇布设有能同时产生径向流量和轴向流量的驱动单元与分流构造，借助这些功能部件，复合式冷却风扇可在其运转时能同时派生出两股指向显著不同的冷却风流量。容易看出，复合式冷却风扇用以产生径向流量和轴向流量的驱动单元（即叶片）有两种基本组配：一个是径-径叶片复合结构，其内圈的轴流单元和外圈的径流单元均采用径向叶片来产生风速和流量；另一个则是径-轴叶片复合结构，布局在外圈的径流单元采用径向叶片构造，布置在内圈的轴流单元则采用轴流叶片构造。在轴流单元与径流单元之间设置有一个分流筒壳，由分流筒壳形成并分流出两股指向完全不同的冷却风量。这两种复合叶片结构的特点不同，可以依照实际情形进行选用。一般而言，对于匹配转速较高的两极电动机的压缩机建议采用径-径叶片形式，对于匹配转速相对低一些的四极电动机的压缩机可考虑径-轴叶片形式，当然选用时还需考虑压缩机曲轴箱的结构型式。
2 螺杆式空压机的基本结构和工作原理
所有螺杆式空压机的基本结构和工作原理大同小异，一般由螺杆主机、电机、润滑系统、油气分离器、冷却器、水分离器、空气调节系统、安全系统及电气控制箱等组成，只是主机结构各自不同。单螺杆式空压机在市场上比较少见，目前大多为双螺杆式空压机。双螺杆式空压机主机内部平行安置着一对相互啮合的螺旋形转子，这对阴阳转子相互啮合，与机壳形成压缩腔。单螺杆式空压机主机内部有一个螺杆（转子）与两个星轮相互啮合，转子、星轮及机壳共同形成压缩腔。螺杆式空压机的整个工作过程分为：吸气过程、封闭及输送过程、压缩及喷油过程、排气过程，其中吸气、压缩和排气三个过程最为关键。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。双螺杆两级空压机的工作原理来源于螺杆式空压机的压缩过程产生的两根螺杆的啮合。空气首先通过进气空滤器进入第一级压缩，将空气压缩到级间压力；然后，在通往第二级压缩的途中，空气要经过一个冷却油幕，大量与冷却油接触，大大降低第二级的进气温度；再然后，压缩空气进入第二级压缩，被压缩到最终排气压力；最后，压缩空气通过排气法兰排出，进入分离器，冷却油与空气分离。冷却油冷却后，回到空压机出口。空气被排出分离器后进入后冷却器，被冷却到最终排气温度。冷凝水在水分离器中被分离出来，通过排放阀排出。优质空气以适当的排气压力排出机组，排出机组的压缩空气进入储气罐，通过管网被分配到各用户。
3 优化措施分析
3.1 冷却润滑系统造成的故障
（1）温控阀损坏：油的流动由系统中的压差推动，从分离器罐流向压缩机主机，油温低于 77℃时，温控阀关闭，油不经过冷却器而直接流过油过滤器，到达主机各工作点，由于吸收压缩过程中产生的热量，油温逐渐升高，当油温高于 77℃（88℃24KT 机型），温控阀开始打开，部分油流过冷却器，经油过滤器到主机。如果温控阀损坏，高度数的油不流过冷却器而直接由油过滤器进行冷却，不仅会造成高温报警，同时会造成油滤器的滤芯高温变形，甚至造成滤芯部件融化，进一步加剧设备磨损。油过滤器堵塞、旁通阀失灵：油过滤器内有可更换滤芯和内置压力旁通阀。油过滤器堵塞造成油不能及时到达主机的各个工作点，形成不了润滑加剧设备磨损造成高温。当旁通阀失灵，油流经过滤器的压降会超过 0.14MPa，此时监控系统显示报警信号。 （2）其他因素：分离器罐油位过低：当分离器罐油位过低时，会造成油冷却器不能及时进行温度传递，润滑过程中的形不成有效油膜，也会造成高温报警。油/汽冷却器翅片过脏：油/汽冷却器翅片过脏会造成温度不能及时得到有效排除，设备出现高温报警。热电阻温度传感器失效：
热电阻温度传感器是压缩机机头部分温度测量的一个重要元件，它的数据直接反馈压缩机工况的状态和磨损程度，在热电阻温度传感器失效时极易造成压缩机损坏，甚至报废。
3.2 外部因素
除造成高温报警的因素之外，空压机连接附件的部分设施也会造成高温报警。①排气口设计或安装不合理造成弯头过多，排气口堵塞也会造成散热不畅而形成高温；②容易忽略的疏水阀，疏水管线。在部分螺杆式压风机的压缩气体出口处安装了疏水阀，该部分主要作用是对经压缩后的气体进行过滤，压缩气体中存在的水分和杂质会做一个简单的过滤，该部分若出现问题不仅会对随后的空气干燥造成麻烦，长期堵塞或得不到有效排除也会造成压缩气体滞留，压缩气体得不到有效排出，蹩压或高温。
结语
小型摇摆活塞式无油空气压缩机存在两个明显区域不同的热负荷集中部位：一个位于压缩机泵头区域（气缸及缸盖处），其热负荷主要源自于压缩空气产生的热及皮碗与气缸摩擦产生的热；另一个则位于支撑电动机与曲轴的主轴承座及连接连杆与曲柄销的连杆大头轴承处，其热负荷主要受电动机运行热的影响，同时也有来自泵头的热量，上述部位散热效果的好坏直接关系到压缩机的工作可靠性。长久以来，小型摇摆活塞式无油空气压缩机基本采用单一构造形式的叶片结构，只能产生单股冷却风量，难以同时兼顾泵头及轴承的冷却，本文设计的复合式冷却风扇弥补了这一短板，它集成了径向流量和轴向流量两种截然不同的驱动单元构造，能可靠地产生出两股指向不同的冷却风，可同时应对压缩机棘手的多目标冷却任务。经过实际产品的运行验证，复合式风扇可使上述气缸、气缸盖、主轴承及连杆大头轴承等压缩机的核心零部件温升不超标，有力地保障了压缩机运行的工作可靠性。
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