2.2 气源设备

产生、处理和储存压缩空气的设备称为气源设备。由气源设备组成的系统称为气源系统，典型的气源系统如图2-2所示。

空气压缩机1用以产生压缩空气，由电动机6驱动。压力开关7根据压力的大小控制电动机的启动和停转。启动空气压缩机后，空气经压缩，其压力和温度同时升高，高温高压气体进入后冷却器10降温冷却，经过油水分离器11除去凝结的水和油，最后存入贮气罐12。在后冷却器、油水分离器、贮气罐等器件的最低处，都设有自动排水器5，排掉凝结的油水等污染物。

2.2.1 空气压缩机

1.空气压缩机的分类

空气压缩机是产生压缩空气的装置，它将机械能转化为气体的压力能。按压力高低，空气压缩机分为低压型（0.2～1MPa）、中压型（1～10MPa）、高压型（10～100MPa）和超高压型（＞100MPa）；按流量可分为微型（≤1m3/min）、小型（1～10m3/min）、中型（10～100m3/min）和大型（＞100m3/min）；按工作原理分为几种类型，见表2-2。

表2-2 空气压缩机的分类

下面介绍几种常用的空气压缩机。

（1）活塞式压缩机

单级活塞式压缩机的工作原理如图2-3所示。只要一个行程就将吸入的空气压缩到所需要的压力。活塞上移，容积增加，缸内压力小于大气压，空气便从进气阀进入缸内。在行程末端，活塞向下移动，进气阀关闭，空气被压缩，同时排气阀被打开，输出压缩空气。

在单级活塞式压缩机中，若空气压力超过0.6MPa，温度过高将大大地降低压缩机的效率。因此，工业中使用的活塞式压缩机通常是两级。两级活塞式压缩机的工作原理如图2-4所示。若最终压力为0.7MPa，则第一级气缸通常将气体压缩到0.3MPa，然后通过中间冷却器冷却，再进入第二级气缸。压缩空气经冷却后，温度大幅度下降，因此，相对单级压缩机提高了效率。

（2）叶片式压缩机

叶片式压缩机又称为滑动叶片式压缩机，如图2-5所示。在压缩机机体内，转子1的中心和压缩机定子2的内表面中心有一个偏心量，此偏心量决定了每转的输出量。在转子上面嵌有滑动叶片3，当转子回转时，由于离心力的作用使叶片紧贴定子内壁，两片滑动叶片之间形成一个密封的空间。转子回转时，空气吸入口处的密封空间由小逐渐变大，吸入空气；而在输出口，密封空间由大变小，空气渐渐被压缩而排出。

滑动叶片最多为12片，被磨损后有自动补偿功能，且输出的压缩空气压力的脉动较小，故输出平稳。

滑动叶片式压缩机输出量可达1 500m3/min，输出压力在0.015～0.7MPa范围内，效率比往复式低，且振动小，不需要坚固的地基，适用于低使用率的场合。

（3）螺杆式压缩机

螺杆式压缩机的工作原理如图2-6所示。两个咬合的螺旋转子以相反方向转动，它们当中自由空间的容积沿轴向逐渐减少，从而压缩两个转子间的空气。若转子和机壳之间相互不接触，则不需润滑，这样的压缩机便可输出不含油的压缩空气。它能连续输出无脉动的大流量的压缩空气，出口空气温度为60℃左右。

（4）离心式压缩机

离心式压缩机的工作原理如图2-7所示。空气从其中心进入，叶片高速旋转时将气体加速，气体沿径向离开中心点直到蜗形内壁，再沿内壁流动直到从出口排出。由于空气流速降低，所以压力得以升高。

离心式压缩机的输出压力不高，故多采用多级式离心压缩机。当气体离开第一级叶片后再被送入第二级叶片的中心，以此类推，直至完成多级压缩。离心式压缩机在高速回转时易产生噪声，必须注意隔声措施。一般常用于冶炼、采矿、化学工业等。

（5）轴流式压缩机

轴流式压缩机的工作原理如图2-8所示。其压缩原理和离心式相似，叶轮高速回转，高速流动的空气沿着转轴轴线方向流动以获得一定的压力。轴流式压缩机主要由一个略呈圆锥形的转子、与转子形状相配合的机体及两者间的许多小叶片组合而成。在转子圆周上装有许多排列整齐的小叶片，随转子回转，在机体内壁与轴垂直的多个圆周上也装有许多排列整齐的小叶片，与转子上的小叶片相间安装。

轴流式压缩机可输出大量的压缩空气。但高速运转时噪声大，一般常用在矿场、碎石场及喷射引擎等需高排量设备上。

2.空气压缩机的选用

首先按空气压缩机的性能要求选择类型。活塞式压缩机成本相对低，但其振动大、噪声大，需防振、防噪声。为防止压力脉动，需设贮气罐。活塞式压缩机若冷却良好，排出空气温度约为70℃～180℃；若冷却不好，可达到200℃以上，易出现油雾炭化为炭末的现象，故需对压缩空气进行特别处理。螺杆式压缩机能连续排气，不需设置贮气罐。螺杆式压缩机传动平稳、噪声小，但成本高。

其次，再根据气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数进行选择。当确定压缩机输出压力时，要考虑系统的总压力损失；当确定流量时，要考虑管路泄漏和各气动设备是否同时用气等因素，加以一定的备用余量。

3.使用注意事项

（1）润滑油的使用

往复式压缩机若冷却良好，排出的空气温度约为70℃～180℃；若冷却不好，可达到200℃以上。为防止高温下因油雾炭化变成铅黑色微细炭粒子，并在高温下氧化而形成焦油状的物质（俗称油泥），必须使用厂家指定的不易氧化和不易变质的压缩机油，并要定期更换。

（2）安装要求

① 压缩机必须安装在粉尘少、湿度小的专用房内，并对外隔声；

② 厂房要通风，以利于压缩机散热；

③ 避免日光直射及靠近热源；

④ 为使压缩机保养检查容易，压缩机周围应留有空间。

2.2.2 气源净化装置

虽然由空气压缩机输出的压缩空气能够满足一定压力和流量的要求，但还不能被气动装置使用。压缩机从大气中吸入含有水分和灰尘的空气，经压缩后空气温度高达140℃～170℃，这时压缩机气缸里的润滑油也有一部分成为气态。这些油分、水分及灰尘便形成混合的胶体微雾及杂质，混合在压缩空气中一同排出。这些杂质若进入气动系统，会造成管路堵塞和锈蚀，加速元件磨损，以及泄漏量增加、缩短使用寿命。水汽和油汽还会使气动元件的膜片和橡胶密封件老化、失效。因此必须设置气源净化处理装置，提高压缩空气的质量。净化装置一般包括后冷却器、油水分离器、干燥器、贮气罐、空气过滤器等。

1.后冷却器

后冷却器安装在空气压缩机出口管道上，其作用是将高温高压空气冷却至40℃～50℃，将压缩空气中含有的油汽和水汽冷凝成液态水滴和油滴，以便于油水分离器将它们排出。后冷却器有风冷式和水冷式两种。

（1）风冷式后冷却器

风冷式后冷却器是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气的温度的，其结构及工作原理如图2-9所示。风冷式后冷却器不需要冷却水设备，不用担心断水或水冻结。风冷式后冷却器占地面积小，质量轻且结构紧凑，运转成本低，易维修，但只在进口空气温度低于100℃，且处理空气量较小的场合。

（2）水冷式后冷却器

水冷式后冷却器是靠冷却水与压缩空气的热交换来降低压缩空气的温度的，其结构及工作原理如图2-10所示。热的压缩空气由管内流过，冷却水在管外的水套中沿热空气的反方向流动，通过管壁进行热交换，使压缩空气获得冷却。为了提高降温效果，使用时要特别注意冷却水与压缩空气的流动方向。后冷却器最低处应设置自动或手动排水器，以排除冷凝水。水冷式后冷却器散热面积大、热交换均匀，适用于进口空气温度大于100℃且空气量较大的场合。在使用过程中，要定期检查压缩空气的出口温度，发现冷却性能降低时，应及时找出原因予以排除。同时，要定期排放冷凝水，特别是冬季要防止水冻结。

2.油水分离器

油水分离器安装在后冷却器之后的管道上，其作用是分离并排除压缩空气中所含的水分、油分和灰尘等杂质，使压缩空气得到初步净化。

撞击折回式油水分离器的结构如图2-11（a）所示。当压缩空气自入口进入分离器后，气流受隔板2的阻挡被撞击而折回向下，继而又回升向上，产生环形回转，最后从输出管子排出。此间，压缩空气中的水滴、油滴和杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀6定期排出。旋转离心式油水分离器的结构如图2-11（b）所示。当压缩空气进入分离器后即产生涡流，由于空气的回旋使压缩空气中的水滴、油滴和杂质因离心力作用被分离出来并附着在分离器的内壁而滴下，再由放水阀定期排出。

3.干燥器

干燥器的作用是进一步除去压缩空气中含有的水蒸气。干燥器的结构示意图如图2-12所示。目前使用最广泛的是冷冻法和吸附法。

冷冻法是利用制冷设备使压缩空气冷却到一定的露点温度，析出空气中的多余水分，从而达到所需要的干燥程度。

吸附法的除水效果较好。它是利用硅胶、活性氧化铝、焦炭或分子筛等具有吸附性能的干燥剂来吸附压缩空气中的水分，以达到干燥的目的。

4.贮气罐

贮气罐的主要作用是消除气源输出气体的压力脉动；储存一定数量的压缩空气，解决短时间内用气量大于空气压缩机输出气量的矛盾，保证供气的连续性和平稳性，进一步分离压缩空气中的水分和油分。

贮气罐的安装有直立式和平放式。可移动式压缩机应水平安装；而固定式压缩机因空间大则多采用直立式安装。贮气罐安装示意图如图2-13所示。贮气罐上应配置安全阀、压力计、排水阀。容积较大的贮气罐应有入孔或清洗孔，以便检查和清洗。

5.空气过滤器

由外界吸入的灰尘、水分和压缩机所产生的油渣大部分已在进入干燥器以前除去，留存在压缩空气中的少部分尘埃、水分，尚需用空气过滤器加以清除。空气过滤器视工作条件可以单独安装，也可和油雾器、调压阀联合使用。使用时，宜安装在用气设备的附近。

空气过滤器的结构和工作原理图如图2-14所示。当压缩空气从输入口进入后被引进旋风叶片1，在旋风叶片上冲制出许多小缺口，迫使空气沿切线方向产生强烈旋转，在空气中的水滴、油滴和杂质微粒由于离心力的作用被甩向存水杯3的内壁，沉积在存水杯底。然后，气体通过滤心2，微粒灰尘被滤网拦截而滤除，洁净的空气从输出口流出。挡水板4能防止下部的液态水被卷回气流中。聚积在存水杯中的冷凝水，应及时通过手动放水阀或自动排水器5排出。

2.2.3 气源系统中的其他必备元件

1.自动排水器

自动排水器用于自动排除管道低处、油水分离器、贮气罐及过滤器底部等处的冷凝水，可安装于不便于进行人工排污的地方，以防止人工排污水被遗忘而造成压缩空气被冷凝水重新污染。

浮子式自动排水器的外形图如图2-15所示。在无气压时，图2-15（a）的排水口处于关闭状态，属于常闭型；图2-15（b）的排水口处于开启状态，属于常开型。

自动排水器的排水口应垂直向下，安装排水管要避免上弯，如图2-16（b）所示的是正确的结构，图2-16（a）所示的是错误的结构。

2.减压阀和压力计

空气压缩机产生的压缩空气通常储存在贮气罐内，再由管路输送到系统各处，贮气罐的压力通常比实际使用的压力要高，使用时必须根据实际使用条件而减压。而在各种气压控制中，都可能出现压力波动。若压力太高，将造成能量损失；太低的空气压力则出力不足，造成低效率。此外，压缩机开启和关闭所造成的压力波动对系统也有不良的影响。因此必须使用减压阀和调压阀。减压阀和调压阀虽功能不同，但实际结构却无差异。

减压阀按调节压力方式的不同可分为直动式和先导式两类。

直动式减压阀的工作原理图如图2-17所示。膜片上方承受弹簧弹力并与大气相通，膜片下方则受压缩空气的作用。当进口压力下降，弹簧弹力加上大气压力大于系统压力时，膜片被推向下方，膜片压迫阀杆下降，阀门打开的程度加大，允许更多压缩空气进入，提高了输出口处的压力。当进口压力升高，超过弹簧弹力和大气压力时，膜片被顶上，阀杆被底部另一个弹簧顶起，阀门打开的程度减小，进气量减少，降低了输出口压力。减压阀的输出压力是膜片上方的弹簧弹力与大气压力的总和，因此，调节弹簧的弹力，便控制了减压阀输出压力的大小。

所有的减压阀上都装有压力计，用于指示流过减压阀的压缩空气的压力。常用的压力计是波顿管压力计。压力计的工作原理图如图2-18（a）所示。波顿管压力计有一弧形波顿管2，此管一端封闭，另一端开口接至系统管路上。当压缩空气进入波顿管内时，波顿管扩张，压力越大扩张的半径越大。管的封闭端向外移动，经由连接杆3使扇形齿轮4转动，扇形齿轮带动小齿轮5使指针6发生偏转，偏转角度正比于管路的压力，故由刻度盘7上可知压力的大小。压力计的外形图如图2-18（b）所示。

3.安全阀

安全阀用于防止系统内压力超过最大允许压力以保护回路或气压设备的安全。安全阀的工作原理与调压阀相似。控制系统的管道或容器直接与安全阀的P口接通，当系统内压力升高到弹簧调定值时，气体推开阀芯，经过阀口从T口排至大气，使系统压力下降。当压力低于调定值时，在弹簧作用下阀口关闭，使系统压力维持在安全阀调定压力值之下，从而保证系统不会因压力过高而发生事故。调整弹簧的压缩量，即可调节安全阀的开启压力。球阀式安全阀的调压范围较大，其工作原理如图2-19（a）所示；膜片式安全阀的密封性好，压力损失较小，其工作原理如图2-19（b）所示。

4.单向阀

为了防止因气源压力下降或因耗气量增大造成的压力下降而出现逆流，在贮气罐的输出端近处必须安装单向阀。单向阀只允许压缩空气单方向流动而不允许其逆向流动。

单向阀主要是利用圆锥、圆球、盘片或膜片作为止回块。单向阀的工作原理及外形图如图2-20所示。当气体正向流动时，进口气压推动止回块的力大于作用在止回块上的弹簧力，阀芯被推开，造成流通状态。而当压缩空气由输出口进入时，气体压力与弹簧力使止回块顶在阀座上而封闭了通道，气体不能流通。