第九章 矿山空气压缩设备
§ 9— 1 概述
现代企业中, 使用压缩气体的机愈来愈多, 例
如：化工, 石油, 冶金, 轻工, 纺织及采矿等, 许
多工业中无不广泛使用各种各类的气体压缩机 。 因
此, 气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用
机械 。
压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用以带
动凿岩机、风镐及其它风动机械进行。由于像凿岩机这
类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬的岩石，而且
风动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯
和煤层爆炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。
虽然整个气力系统（包括压缩空气的生产和输送，以及
在风动机具中的使用）的效率很低，成本较高，但目前
矿山采掘工作，仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。
空气压缩设备是指压缩和输送气体的整套设备。包
括空气压缩机（简称空压机）、输气管路和附属设备。
一, 矿山空压机站的组成
矿山空压机站主要包括：空压机, 电动机及电控设备, 冷却泵
站, 附属设备, 管路等 。
二, 空压机的分类
现代工业中使用的压缩机种类很多, 按其结构型式不同, 分类
如下：
目前矿山最广泛使用的是低压（ p≤ 106Pa）活塞式压
缩机，近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用也逐渐增多。
常见的活塞式压缩机有以下几种：
1、按气缸中心线的相对位置分 可分为立式、卧式、
角式（可分为 V型,L型,W型）三种。
2、按压缩级数分 可分为单级、双级、多级三种。
3、按活塞往复一次作用次数分 可分为单作用、双作用。
4、按冷却方式分 可分为水冷式、风冷式。
三, 活塞式空压机的 工作原理
图 9— 3
1,吸气过程
2,压缩过程
3,排气过程
4、膨胀过程
§ 9— 2 活塞式空压机的工作循环
一, 活塞式空压机的性能参数
1,排气量 （ V）
在单位时间内测得空压机排出的气体体积数, 然后换算到空压
机吸气状态下的体积数, 称为空压机的排气量 。 单位 m3/min。
2,排气压力 （ p）
空压机出口的压力称为空压机的排气压力, 用相对压力度量
（ 理论计算时采用绝对压力 ） 。 单位 Pa。
3,吸, 排气温度
空压机吸入气体与排出气体的温度 。 用 T1,T2表示, 单位 K。
4,比功率 （ Nb）
当吸入的空气为标准状态时, 其轴功率与排气量之比称为空压
机的比功率 。 单位 Kw/m3/min。
二, 一级活塞式空压机的工作循环
（ 一 ） 一级活塞式空压机的理论工作循环
几点假设：
（ 1） 无余隙容积；
（ 2） 在整个吸气过程, 气缸内空气的状态保持不变并与周围
大气状态相同；
（ 3） 在整个排气过程, 气缸内空气的状态保持不变并与风包
中的空气状态相同；
（ 4） 气缸不漏气, 气阀, 吸排气管道无阻力；
（ 5） 压缩过程为等温过程, 绝热过程或多变过程, 但压缩指
数保持不变 。
在上述假设条件下，空压机的工作循环称为理论工作循
环。它由吸气、压缩和排气三个基本过程组成，只有压缩过
程是热力过程。其工作循环可用示功图表示。（ 图 9— 4）示
功图的横坐标表示气缸容积 V，纵坐标表示空气压力。
111 VpALpW X ??
?? 1
2
V
Vy
p d VW
1、吸气过程
2、压缩过程
当活塞返回行程时, 吸气呈封闭状态, 空压机进
入压缩过程, 随着活塞向左移动, 气缸的容积不断减
小, 气体压力逐渐升高 。 此时属于热力过程, 其压缩
规律为等温, 绝热, 多变三种情况 。
（ 1） 按等温规律压缩
1
2
11
2
1
1111
2
1
1
211
11
lg3 0 3.2ln
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V
V
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（ 3） 按多变规律压缩
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K
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p d VW
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（ 2）按绝热规律压缩
22 VpW p ?
pyX WWWW ????
1
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pVpVp
p
pVpVpW ?????
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K
K
K
K
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p
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K
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p
p
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K
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3、排气过程
4、理论循环功
按等温规律压缩时：
按绝热规律压缩时：
按多变规律压缩时：
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n
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n
n
p
p
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n
n
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p
p
Vp
n
VpW
所以，等温压缩的循环功就是等温压缩的压缩功，
压缩终了空气温度 T2=T1；
因此,
K
K
p
pT
Vp
VpTT 1
1
2
1
11
22
12 )(
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??
n
n
p
p
TT
1
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2
12 )(
?
?
绝热多变等温 WWW ??
dwdbjr TTT ??；
绝热压缩过程的循环功等于绝热压缩过程功的 K
倍，压缩终了空气温度；
多变压缩循环功等于多变压缩过程功的 n倍，压
缩终了温度。
（ 二 ） 一级活塞式空压机的实际工作循环
1,实际工作循环图
图 9— 5
实际工作循环的工作过程：吸气, 压缩, 排气,
膨胀等四个过程 。
2,影响实际工作循环的因素
（ 1） 余隙容积的影响
（ 2） 吸, 排气阻力的影响
（ 3） 压缩过程中压缩规律变化的影响
（ 4） 其它因素的影响
（ 其中一般 α=0.07～ 0.15,m— 多变膨胀指数, 1〈 m〈 1.4〉
0)1(1
1
???? mV ??? 06.0??
TVV /0??
67.17)11( ??? m
?
?
三、活塞式空压机的两级压缩
（一）采用两级压缩的原因
1、压缩比受余隙容积的限制
ε ↑ ??
令,则当,时
（ V
0— 余隙容积,VT— 理论工作容积。），
m=1时，可得最小的理论极限压缩比
1
1
2
1
1
2
12
)(
)(
?
?
?
?
n
n
n
n
T
T
p
p
TT
?得：
2、压缩比受气缸润滑油温的限
制
（ 1）限制油温的原因
（ 2）单级压缩的极限压缩比
取吸气温度,T1=273+20=293K
极限排气温度：
T2=273+190=463K
n=K=1.4
因此, 大型空压机的压缩比, 一般限制在 5左右,
当需要压力较高时, 一般采用两级或多级压缩 。
96.4)
2 9 3
4 6 3
( 14.1
4.1
?? ??
（ 二 ） 两级压缩的工作系统
图 9-6
（ 三 ） 两级压缩的优点
1,节省功耗；
图 9-7
2,降低排气温度；
3,提高空压机的排气量；
4,可以降低活塞力；
5,中间冷却器可以分离一部分油和水, 提高压气的质
量 。
§ 9— 3 活塞式空压机的结构
L型空压机是两级, 双缸, 复动, 水冷式空压机 。
它主要由压缩机构, 传动机构, 润滑机构, 冷
却机构, 排气量调整机构和安全保护装置等六部分
组成 。
型号意义：
一, 压缩机构
1,气缸部件
气缸是空压机中组成压缩容积的主要部分, 根据排气压力,
排气量, 结构方案, 气体性质以及所用材料, 气缸的结构有各种
型式 。 L型空压机的气缸为开式铸铁气缸, 水冷双层壁结构 。
2,气阀部件
在空压机运行中, 气阀为主要易损件, 处于较为苛刻工况,
每分钟启闭 1000次左右 。 一台转数为 400r/min（ 4L— 20/8型 ） 的
空压机, 气阀每年启闭 21000万次以上 。 气阀将承受拉伸, 压缩,
冲击, 扭曲, 弯曲, 磨损, 高温变化的潜在破坏 。 因此, 气阀能
否正常工作, 直接影响空压机的排气量, 功率消耗以及运转的可
靠性 。
气阀有两大类：一类称为强制阀, 它的启闭是由专门机构控
制, 而与气缸内压力变化无关；这类阀结构复杂, 启闭时间固定,
不适于变工况运转, 故很少采用 。 目前空压机采用随缸内和管路
中气体压力变化而自行启闭的自动阀 。
自动阀有许多型式，如环状阀、网状阀、舌簧阀、蝶阀和直
流阀。 L型空压机的排气阀和吸气阀均为单层环状阀。
所有型式的自动阀主要由四部分组成：
（ 1） 阀座 它具有能被阀片覆盖的气体信道, 是与阀
片一起闭锁进气 （ 或排气 ） 信道, 并承受气缸内外
压力差的零件 。
（ 2） 启闭组件 它是交替地开启与关闭座道的零件,
通常制成片状者称为阀片 。
（ 3） 弹簧 是关闭时推动阀片落向阀座, 开启时抑制
阀片撞击升程器的组件 。 （ 对于条状阀, 舌簧阀和
直流阀等结构, 阀片本身具有弹性, 并起弹簧作用,
故两者合二为一 ） 。
（ 4） 升程限制器 是限制阀片的升程, 并作为承座弹
簧的零件 。
3、活塞部件
L型空压机的活塞组件由活塞杆、活塞、活
塞环及防松螺母等组成。
（ 1）活塞
L型空压机为盘状带锥活塞，盘状部分与气
缸配合。活塞用灰铸铁成空心以减轻重量，两个
端面用加强筋互相连接，以增加刚性。
（ 2）活塞环
活塞环是密封气缸内缸内壁与活塞间隙的组
件，同时兼有布油和导热的作用。对活塞环的基
本要求是：密封可靠并耐磨。
活塞环镶嵌于活塞的环槽内 。 环的外缘紧贴气缸镜面,
背向高压气体一侧的端面紧压在环槽上, 由此阻塞间隙密封
气体；但是, 常用的活塞环都采用金属开口环的结构, 因此,
气体能通过切口泄漏 。 此外, 气缸和活塞环都可能有不圆度,
不柱度, 环槽和环的端面有不平度, 这些也是造成泄漏的因
素 。 所以, 活塞环常常不是一道, 而是两道或更多道同时使
用, 使气体每通过一道环便产生一次节流作用, 进一步达到
减少泄漏的目的 。 由此可见, 活塞环密封是阻塞密封和节流
密封的组合 。
活塞环的开口形式有搭接开口, 直开口和斜开口三种,
搭接开口的环工作时漏气少, 性能较好, 但制造工艺复杂,
成本高；直开口的环漏气较严重, 使用性能差, 但制造方便
成本低；斜切口介于两者之间, 即能保证较好的使用性能,
制造又简单, 开口斜角一般为 38° ～ 45° 。 L型空压机采用
斜开口密封环 。
活塞环的材料通常用灰铸铁。有时在铸铁环上嵌青铜，
轴承合金，或填充聚四氟乙烯，防止气缸拉毛并延长环的使
用寿命。
二, 传动机构
1,机身
机身用铸铁制成，它的作用是：（ 1）作为气缸的
承座；（ 2）承受并传递作用力；（ 3）作为传动机构的
导向和定位。不同形式的空压机具有不同形状的机身。
L型空压机的机身，外形为正置的直角形，在垂直和水
平颈部分别制成立列和卧列的十字头滑道，十字头就在
其中作往复运动。颈部法兰端面分别与高、低气缸相连
，机身两侧壁上的圆孔通过轴承座安装曲轴轴承，取去
前轴承座，即可方便地拆装曲轴、连杆，机身下部曲轴
箱兼作油池，同时用地脚螺栓与基础固定。所有检查孔
盖均垫以软垫，以使机身密封。在机身立列颈部有通气
孔，通过细管与吸气管连接，以防填料不严密时漏气使
机身内产生过高的压力。
2,曲轴部件
见图 9-9
曲轴由球墨铸铁制成。 L型空压机的曲轴，它仅有
一个曲拐，为高低压缸两连杆所共有，传递电动机的
扭矩。曲柄上在曲拐的对面固定着两块平衡铁，用来
平衡曲柄部分的旋转质量，曲轴的外伸端有锥度，可
以方便地拆装皮带轮。在曲轴后端接有传动齿轮油泵
的小轴，并经过小轴上的蜗轮蜗杆机构传动柱塞油泵
。曲轴上钻有油孔，以使齿轮油泵排出的润滑油通过
曲轴瓦，十字头销瓦等摩擦面进行润滑。两个或三个
双列径向调心滚柱轴承紧配合于曲轴的两侧，一端轴
承盖与轴承间留有 1.5～ 2.5的热膨胀间隙。
3,连杆部件
连杆由大头, 小头和杆体组成 。 大头分为开式, 嵌有巴
氏合金瓦, 大头的盖子用连杆螺栓与曲柄组装在一起, 大头
的轴瓦间隙可以用垫片调节 。 小头为整体式, 在小头内镶有
整圆的铜套, 穿入十字销与十字头相连 。 杆体截面有圆形,
环形, 矩形, 工字形等, 其材料通常为球墨铸铁, 杆体内有
贯穿大小头的油孔, 该孔把润滑油输送到十字头, 使曲柄销
和连杆, 连杆和十字头销之间的相对运动部分得到润滑 。
连杆的大头与曲轴一起转动, 其小头和十字头一起作往
复运动, 连杆本身作平面摆动, 其主要作用是变旋转运动为
往复运动 。
4,十字头部件
十字头有整体式和分开式两种。整体封闭式，用球墨铸
铁制成，其一端螺孔与活塞杆相连，活塞杆拧入十字头的长
度可以变动，用以调节活塞和气缸之间的间隙改变余隙容积。
横向的圆孔内装有十字头销与连杆小头相连，十字头销内有
油孔，从连杆来的润滑油经十字头销进入十字头上下的滑履
上，以润滑滑履和滑道间的相对摩擦面，润滑后的润滑油流
回曲轴箱，即油池。
注意：十字头销在十字头内的位置不能调换, 若方向装反, 油
路完全切断, 十字头滑履得不到供油会造成摩擦面烧毁的机
械事故 。
三, 润滑机构
在空压机中, 具有相对运动的部位如活塞环与气缸壁,
填料与活塞杆, 曲轴与轴承, 连杆大小头, 连杆小头衬套及
十字滑道等处, 都必须注润滑油以达到以下目的,1） 减轻
滑动部件的磨损, 延长零件寿命； 2） 减少摩擦功耗； 3） 润
滑油有冷却作用, 可带走摩擦热, 使零件的工作温度正常,
同时保证滑动部分必要的运转间隙, 防止滑动部件过热或咬
死； 4） 密封气缸的工作容积以提高活塞和填料箱的密封性 。
空压机的润滑包括两部分：一是气缸内部的润滑，二是
传动系统（运动部件）的润滑。
1,运动部件的润滑系统
一般由滤油器, 润滑油冷却器, 润滑油泵 （ 一般用齿轮
泵 ）, 油管, 压力表和压力调节阀组成 。
润滑油流动路线：油池 → 粗滤油器 → 齿轮泵 → 油冷却器 →
滤油器 → 曲轴中心孔 → 曲柄销和连杆大头瓦的配合面 → 连杆中
心孔 → 连杆小头瓦和十字销配合面 → 十字头滑轨 → 油池 。
油压的大小可通过油压调节阀来控制 。
2,气缸部件润滑系统
按润滑油达及气缸镜面的方式, 气缸润滑可分为飞溅润滑,
压力润滑和喷雾润滑三种 。
飞溅润滑一般用于单作用式空压机 。 曲轴箱中被旋转的
平衡铁头部或拨油杆溅起的油雾及油滴, 当活塞接近上止点时
落于气缸未被活塞遮盖的镜面, 并在活塞的下一循环进入活塞
环槽中, 再由活塞环分布至需要润滑的表面 。 低压的第一级,
在吸气过程中气缸里能产生真空, 润滑很易被吸入气缸内, 并
在压缩气体高温度作用挥发, 然后和压缩气体一起排出空压机,
所以, 飞溅润滑往往容易出现压气中含油过多和耗油量过多的
现象 。
喷雾润滑 —— 在空压机的气缸进气接管处，喷入一定量的润
滑油，油和气体相混合一起进入气缸，然后一部分粘附在气缸镜
面上供气缸润滑。
飞溅润滑的优点是简单，缺点是耗油量难以控制。喷雾润滑
的结构也很简单，且第一级进气阀可得到润滑，但油雾仅与气缸
接触的一部分能粘附在缸壁上，其它部分仍和气体一起被排出气
缸而得不到利用，同时增加压气的含油量，此外，油和空气密切
混合容易氧化积炭。所以喷雾润滑目前应用不多。
压力润滑是应用最广泛的润滑方式。润滑油由专门的多头注
油器经油管和注油逆止阀注入气缸及填料处。（图 9— 11）
空压机气缸的无油润滑,1973年在我国个别矿
井开始应用, 由于节约了润滑油, 杜绝了积炭爆炸,
断油烧缸等事故隐患, 改善了环境卫生, 减轻了相
关零件的磨损, 延长了气缸, 活塞环的寿命, 减少
了维修量等, 效果良好 。
实验表明, 空压机气缸润滑方式的改变还可增
加排气量, 提高排气效率, 降低电耗, 减小比功率,
从而改善空压机的性能 。
气缸无油润滑采用填充聚四氟乙烯固体材料的
活塞环, 代替油膜润滑的铸铁活塞环 。
四、冷却系统
1、空压机冷却的意义和方式
（ 1）意义
（ 2）方式
空压机的冷却方式可分为风冷式和水冷式两种，
风冷是使压缩过程放出的热量由气缸壁辐射，发散于
大气中。为了增加发散面积，通常在气缸外壁制成许
多散热薄片。但其散热效果很差，只限于小型空压机
采用。一般空压机采用水冷方式。
2,空压机的水冷系统 （ 见图 9-12）
空压机的水冷系统由气缸水套, 中间冷却器 （ 见
图 9-13）, 后冷却器, 水泵, 管路以及冷却水池 （ 或
冷却水塔 ） 组成 。
五, 排气量调整机构
1,停止空压机工作
n=0,则 Q=0。 此法虽能节省电能消耗, 但电动机经
常启动和停止, 对于电路负荷极为不利 。 因此,
只能用于小容量的空压机调节 。 采用此法调节时,
应根据空压机的功率, 电网容量, 以及启动的次
数, 来选择电动机及启动方式 。
2,关闭吸气管调节
关闭吸气管调节装置由减荷阀和压力调节器 。 （ 见
图 9— 14和图 9— 15）
注意,1）调节器的动作压力，由微调螺管 6控制弹簧 4的压紧程
度来实现。粗调螺管 5的作用是调节阀开启的灵敏度，即阀芯的
开启高度，此高度不宜过大，否则将引起调节器强烈的振动使调
节器的动作压力改变。
2）减荷阀上装有手轮，盘动手轮使螺杆上升或下降实现蝶
形阀的关闭和开启。因此，可以实现空压机的空载启动和自动控
制状态。
此种调节阀，在吸气管完全关闭时，空压机吸气量为零，只
有残存在气缸余隙中的空气膨胀和压缩。由于活塞和气缸壁间有
摩擦阻力，故消耗的功不为零。此时，空压机所消耗的功率只有
额定功率的 2～ 3%，所以此种调节方法具有较好的经济性。不过
减荷阀切断进气口后，吸气压力过分降低接近真空，如果背压不
变，在活塞前后所形成的压差会造成吸气时峰值增加，这种情况
下启动空压机会出现困难。
3,压开吸气阀调节
利用一个压开装置, 把吸气阀强制压开, 使吸气阀全部
或部分地丧失正常工作能力, 吸进的空气在压缩和排气行程
中仍回到吸气管路, 不向排气管道输送压气, 以达到调节排
气量的目的 。
压开吸气阀调节装置由压力调节器和压开叉两部分构成,
压开叉的动作由压力调节器控制 。
压开吸气阀的调节装置可分为两种形式：
（ 1） 完全压开吸气阀
调节时, 在空压机的全部行程中吸气阀始终处于压开状
态, 吸进的气体将全部自吸气阀返回到吸气管中, 故排气量
为零, 属间断调节 。
压开吸气阀时, 空压机处于空运行状态, 因为仅需克服
吸气阀阻力造成的功耗, 故调节的经济性较好 。
压开叉因其驱动机构不同分为隔膜式压开叉和活塞式压开
叉（图 9— 16）两种。
对于两级空压机，各级吸气阀均应设置压开叉，调节时
各级吸气阀应同时压开。根据气量变化，压开一侧或两侧的
吸气阀，可以实现排气量 100%,50%,0%三级调节。气量的
变化是通过双压力调节器来控制压开叉动作。
调节压力调节器中弹簧的预紧力，可以改变压力调节器
的开闭压力。
2） 部分行程压开吸气阀调节
当进气行程结束时, 气阀仍被强制顶开, 在进入压缩行
程后气体从气缸中回入进气管, 但到行程的一定时候强制作
用取消, 吸气阀关闭, 在剩余的行程中气体受到压缩并排出 。
按照吸气阀在压缩行程中压开时间的长短, 可以得到连续的
多级调节 。
压开吸气阀调节, 运转经济性好, 但阀开因受额外的负
荷 （ 弯曲与冲击 ）, 寿命较短, 密封性差 。
4,余隙容积调节法
余隙容积的调节一般通过连通补助容积, 补助容积可以采用不
同的连通方式
（ 1） 连续接通补助容积, 其补助缸中的补助容积可以改变 。
调节时, 先打开接通补助容积的阀门, 再打开旁通阀, 使高
压气体也通至补助缸活塞的背面, 使活塞两边压力平衡 。 调
节补助缸中的丝杆, 可使活塞移动以改变补助容积的大小,
对排气量进行连续地调节 。
（ 2） 分级接入补助容积, 逐个地接入一定的补助容积, 便可
得到分级的排气量调节 。
这种调节方法经济性好；但这种调节装置结构复杂，且增大了
气缸尺寸，只用于大型空压机。
六、安全保护装置
温、水、油、压的保护。防止超温、断水、断油、超压 。
§ 9— 4 活塞式空压机的附属设备
一, 滤风器
1,作用
2,结构
滤风器的结构主要由壳体和滤芯组成 。 按滤芯材料的不
同分为许多种：如纸质的, 织物的, 泡沫塑料的, 金属的等 。
空压机中用得最普遍的是纸质和金属滤芯的滤风器 。
金属网滤风器的结构（见图 9-18）,机壳由筒体、两
端封头组成；筒内滤芯由多层波纹状铁丝做成筒形过滤网，
表面涂一层粘性油（一般用 60%气缸油和 40%柴油相混合），
灰尘粘于网上，空气得以过滤。
二, 储气罐
1,作用
1） 稳压
2） 储气
3） 分离压缩空气中的油和水
2,结构
储气罐有立式和卧式两种 。 立式储气罐是用锅炉钢板焊
接的筒状密封容器, 其高度约为直径 D的 2～ 3倍, 进气接管
在下, 排气接管在上, 进气接管在罐内的一段呈弧形, 它的
出气口向下倾斜且弯向罐壁, 使气体进入罐内后产生旋转,
以便更好地分离空气中的油水, 借助于空气把油水从排泄阀
排出 。 储气罐上设置清洗用的人孔及安装安全阀和压力计的
管接头等 。
1） 根据空压机的排气量计算
当 Q〈 6m3/min时, Vc=0.2Q,m3；
当 Q=6～ 30m3/min时, Vc=0.15Q,m3；
当 Q〉 30m3/min时, Vc=0.10Q,m3；
2） 根据压缩比计算
)( 3
2
1 m
p
pQV
c ?
每台空压机通常单独设置储气罐，一般是随机配套供应。
若遇特殊情况要用户自己选择储气罐容量时，可按下列两个
经验公式计算：
式中 p1—— 吸入空气的绝对压力,MPa；
p2—— 排出空气的绝对压力,MPa；如果是多台共用
一个储气罐，上式 Q为各机组排气量的总和。
当压力不超过 1MPa时, 要对储气罐用超过工作压力 1.5
倍的压力进行水压试验 。 储气罐须装设在地基之上, 并装在
空压机房外面靠近空压机房的阴凉地方, 与空压机房的距离
不超过 12～ 15m。 装在机房外面是为了安全 。
在储气罐与空压机之间的排气管道上, 不应装闸阀, 因
为闸阀关闭时启动空压机可能引起事故 。 如果必须装设闸阀,
须在它的前面装设安全阀及通到调节器的小管 。
储气罐和排气管道内部应定期清洗 。 可用盐酸溶液清洗,
绝对禁止用火烧的办法来清洗 。
每个储气罐上应装设以下附件：
1） 安全阀和释压阀；
2） 清理和检查用的人孔或手孔；
3） 指示储气罐内空气压力的压力表；
4）储气罐底部应有排放油水的压力表。
§ 9— 1 概述
现代企业中, 使用压缩气体的机愈来愈多, 例
如：化工, 石油, 冶金, 轻工, 纺织及采矿等, 许
多工业中无不广泛使用各种各类的气体压缩机 。 因
此, 气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用
机械 。
压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用以带
动凿岩机、风镐及其它风动机械进行。由于像凿岩机这
类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬的岩石，而且
风动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯
和煤层爆炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。
虽然整个气力系统（包括压缩空气的生产和输送，以及
在风动机具中的使用）的效率很低，成本较高，但目前
矿山采掘工作，仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。
空气压缩设备是指压缩和输送气体的整套设备。包
括空气压缩机（简称空压机）、输气管路和附属设备。
一, 矿山空压机站的组成
矿山空压机站主要包括：空压机, 电动机及电控设备, 冷却泵
站, 附属设备, 管路等 。
二, 空压机的分类
现代工业中使用的压缩机种类很多, 按其结构型式不同, 分类
如下：
目前矿山最广泛使用的是低压（ p≤ 106Pa）活塞式压
缩机，近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用也逐渐增多。
常见的活塞式压缩机有以下几种：
1、按气缸中心线的相对位置分 可分为立式、卧式、
角式（可分为 V型,L型,W型）三种。
2、按压缩级数分 可分为单级、双级、多级三种。
3、按活塞往复一次作用次数分 可分为单作用、双作用。
4、按冷却方式分 可分为水冷式、风冷式。
三, 活塞式空压机的 工作原理
图 9— 3
1,吸气过程
2,压缩过程
3,排气过程
4、膨胀过程
§ 9— 2 活塞式空压机的工作循环
一, 活塞式空压机的性能参数
1,排气量 （ V）
在单位时间内测得空压机排出的气体体积数, 然后换算到空压
机吸气状态下的体积数, 称为空压机的排气量 。 单位 m3/min。
2,排气压力 （ p）
空压机出口的压力称为空压机的排气压力, 用相对压力度量
（ 理论计算时采用绝对压力 ） 。 单位 Pa。
3,吸, 排气温度
空压机吸入气体与排出气体的温度 。 用 T1,T2表示, 单位 K。
4,比功率 （ Nb）
当吸入的空气为标准状态时, 其轴功率与排气量之比称为空压
机的比功率 。 单位 Kw/m3/min。
二, 一级活塞式空压机的工作循环
（ 一 ） 一级活塞式空压机的理论工作循环
几点假设：
（ 1） 无余隙容积；
（ 2） 在整个吸气过程, 气缸内空气的状态保持不变并与周围
大气状态相同；
（ 3） 在整个排气过程, 气缸内空气的状态保持不变并与风包
中的空气状态相同；
（ 4） 气缸不漏气, 气阀, 吸排气管道无阻力；
（ 5） 压缩过程为等温过程, 绝热过程或多变过程, 但压缩指
数保持不变 。
在上述假设条件下，空压机的工作循环称为理论工作循
环。它由吸气、压缩和排气三个基本过程组成，只有压缩过
程是热力过程。其工作循环可用示功图表示。（ 图 9— 4）示
功图的横坐标表示气缸容积 V，纵坐标表示空气压力。
111 VpALpW X ??
?? 1
2
V
Vy
p d VW
1、吸气过程
2、压缩过程
当活塞返回行程时, 吸气呈封闭状态, 空压机进
入压缩过程, 随着活塞向左移动, 气缸的容积不断减
小, 气体压力逐渐升高 。 此时属于热力过程, 其压缩
规律为等温, 绝热, 多变三种情况 。
（ 1） 按等温规律压缩
1
2
11
2
1
1111
2
1
1
211
11
lg3 0 3.2ln
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p
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Vp
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V
V
p
p
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（ 3） 按多变规律压缩
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K
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V
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K
K
K
KK
V
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nV
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VpW
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p
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V
V
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p
pVVp
p d VW
?
（ 2）按绝热规律压缩
22 VpW p ?
pyX WWWW ????
1
2
1122
1
2
1111 lnln p
pVpVp
p
pVpVpW ?????
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K
K
K
K
p
p
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K
K
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p
p
Vp
K
VpW
3、排气过程
4、理论循环功
按等温规律压缩时：
按绝热规律压缩时：
按多变规律压缩时：
?
?
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?
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1
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1
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2
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n
n
n
n
p
p
Vp
n
n
Vp
p
p
Vp
n
VpW
所以，等温压缩的循环功就是等温压缩的压缩功，
压缩终了空气温度 T2=T1；
因此,
K
K
p
pT
Vp
VpTT 1
1
2
1
11
22
12 )(
?
??
n
n
p
p
TT
1
1
2
12 )(
?
?
绝热多变等温 WWW ??
dwdbjr TTT ??；
绝热压缩过程的循环功等于绝热压缩过程功的 K
倍，压缩终了空气温度；
多变压缩循环功等于多变压缩过程功的 n倍，压
缩终了温度。
（ 二 ） 一级活塞式空压机的实际工作循环
1,实际工作循环图
图 9— 5
实际工作循环的工作过程：吸气, 压缩, 排气,
膨胀等四个过程 。
2,影响实际工作循环的因素
（ 1） 余隙容积的影响
（ 2） 吸, 排气阻力的影响
（ 3） 压缩过程中压缩规律变化的影响
（ 4） 其它因素的影响
（ 其中一般 α=0.07～ 0.15,m— 多变膨胀指数, 1〈 m〈 1.4〉
0)1(1
1
???? mV ??? 06.0??
TVV /0??
67.17)11( ??? m
?
?
三、活塞式空压机的两级压缩
（一）采用两级压缩的原因
1、压缩比受余隙容积的限制
ε ↑ ??
令,则当,时
（ V
0— 余隙容积,VT— 理论工作容积。），
m=1时，可得最小的理论极限压缩比
1
1
2
1
1
2
12
)(
)(
?
?
?
?
n
n
n
n
T
T
p
p
TT
?得：
2、压缩比受气缸润滑油温的限
制
（ 1）限制油温的原因
（ 2）单级压缩的极限压缩比
取吸气温度,T1=273+20=293K
极限排气温度：
T2=273+190=463K
n=K=1.4
因此, 大型空压机的压缩比, 一般限制在 5左右,
当需要压力较高时, 一般采用两级或多级压缩 。
96.4)
2 9 3
4 6 3
( 14.1
4.1
?? ??
（ 二 ） 两级压缩的工作系统
图 9-6
（ 三 ） 两级压缩的优点
1,节省功耗；
图 9-7
2,降低排气温度；
3,提高空压机的排气量；
4,可以降低活塞力；
5,中间冷却器可以分离一部分油和水, 提高压气的质
量 。
§ 9— 3 活塞式空压机的结构
L型空压机是两级, 双缸, 复动, 水冷式空压机 。
它主要由压缩机构, 传动机构, 润滑机构, 冷
却机构, 排气量调整机构和安全保护装置等六部分
组成 。
型号意义：
一, 压缩机构
1,气缸部件
气缸是空压机中组成压缩容积的主要部分, 根据排气压力,
排气量, 结构方案, 气体性质以及所用材料, 气缸的结构有各种
型式 。 L型空压机的气缸为开式铸铁气缸, 水冷双层壁结构 。
2,气阀部件
在空压机运行中, 气阀为主要易损件, 处于较为苛刻工况,
每分钟启闭 1000次左右 。 一台转数为 400r/min（ 4L— 20/8型 ） 的
空压机, 气阀每年启闭 21000万次以上 。 气阀将承受拉伸, 压缩,
冲击, 扭曲, 弯曲, 磨损, 高温变化的潜在破坏 。 因此, 气阀能
否正常工作, 直接影响空压机的排气量, 功率消耗以及运转的可
靠性 。
气阀有两大类：一类称为强制阀, 它的启闭是由专门机构控
制, 而与气缸内压力变化无关；这类阀结构复杂, 启闭时间固定,
不适于变工况运转, 故很少采用 。 目前空压机采用随缸内和管路
中气体压力变化而自行启闭的自动阀 。
自动阀有许多型式，如环状阀、网状阀、舌簧阀、蝶阀和直
流阀。 L型空压机的排气阀和吸气阀均为单层环状阀。
所有型式的自动阀主要由四部分组成：
（ 1） 阀座 它具有能被阀片覆盖的气体信道, 是与阀
片一起闭锁进气 （ 或排气 ） 信道, 并承受气缸内外
压力差的零件 。
（ 2） 启闭组件 它是交替地开启与关闭座道的零件,
通常制成片状者称为阀片 。
（ 3） 弹簧 是关闭时推动阀片落向阀座, 开启时抑制
阀片撞击升程器的组件 。 （ 对于条状阀, 舌簧阀和
直流阀等结构, 阀片本身具有弹性, 并起弹簧作用,
故两者合二为一 ） 。
（ 4） 升程限制器 是限制阀片的升程, 并作为承座弹
簧的零件 。
3、活塞部件
L型空压机的活塞组件由活塞杆、活塞、活
塞环及防松螺母等组成。
（ 1）活塞
L型空压机为盘状带锥活塞，盘状部分与气
缸配合。活塞用灰铸铁成空心以减轻重量，两个
端面用加强筋互相连接，以增加刚性。
（ 2）活塞环
活塞环是密封气缸内缸内壁与活塞间隙的组
件，同时兼有布油和导热的作用。对活塞环的基
本要求是：密封可靠并耐磨。
活塞环镶嵌于活塞的环槽内 。 环的外缘紧贴气缸镜面,
背向高压气体一侧的端面紧压在环槽上, 由此阻塞间隙密封
气体；但是, 常用的活塞环都采用金属开口环的结构, 因此,
气体能通过切口泄漏 。 此外, 气缸和活塞环都可能有不圆度,
不柱度, 环槽和环的端面有不平度, 这些也是造成泄漏的因
素 。 所以, 活塞环常常不是一道, 而是两道或更多道同时使
用, 使气体每通过一道环便产生一次节流作用, 进一步达到
减少泄漏的目的 。 由此可见, 活塞环密封是阻塞密封和节流
密封的组合 。
活塞环的开口形式有搭接开口, 直开口和斜开口三种,
搭接开口的环工作时漏气少, 性能较好, 但制造工艺复杂,
成本高；直开口的环漏气较严重, 使用性能差, 但制造方便
成本低；斜切口介于两者之间, 即能保证较好的使用性能,
制造又简单, 开口斜角一般为 38° ～ 45° 。 L型空压机采用
斜开口密封环 。
活塞环的材料通常用灰铸铁。有时在铸铁环上嵌青铜，
轴承合金，或填充聚四氟乙烯，防止气缸拉毛并延长环的使
用寿命。
二, 传动机构
1,机身
机身用铸铁制成，它的作用是：（ 1）作为气缸的
承座；（ 2）承受并传递作用力；（ 3）作为传动机构的
导向和定位。不同形式的空压机具有不同形状的机身。
L型空压机的机身，外形为正置的直角形，在垂直和水
平颈部分别制成立列和卧列的十字头滑道，十字头就在
其中作往复运动。颈部法兰端面分别与高、低气缸相连
，机身两侧壁上的圆孔通过轴承座安装曲轴轴承，取去
前轴承座，即可方便地拆装曲轴、连杆，机身下部曲轴
箱兼作油池，同时用地脚螺栓与基础固定。所有检查孔
盖均垫以软垫，以使机身密封。在机身立列颈部有通气
孔，通过细管与吸气管连接，以防填料不严密时漏气使
机身内产生过高的压力。
2,曲轴部件
见图 9-9
曲轴由球墨铸铁制成。 L型空压机的曲轴，它仅有
一个曲拐，为高低压缸两连杆所共有，传递电动机的
扭矩。曲柄上在曲拐的对面固定着两块平衡铁，用来
平衡曲柄部分的旋转质量，曲轴的外伸端有锥度，可
以方便地拆装皮带轮。在曲轴后端接有传动齿轮油泵
的小轴，并经过小轴上的蜗轮蜗杆机构传动柱塞油泵
。曲轴上钻有油孔，以使齿轮油泵排出的润滑油通过
曲轴瓦，十字头销瓦等摩擦面进行润滑。两个或三个
双列径向调心滚柱轴承紧配合于曲轴的两侧，一端轴
承盖与轴承间留有 1.5～ 2.5的热膨胀间隙。
3,连杆部件
连杆由大头, 小头和杆体组成 。 大头分为开式, 嵌有巴
氏合金瓦, 大头的盖子用连杆螺栓与曲柄组装在一起, 大头
的轴瓦间隙可以用垫片调节 。 小头为整体式, 在小头内镶有
整圆的铜套, 穿入十字销与十字头相连 。 杆体截面有圆形,
环形, 矩形, 工字形等, 其材料通常为球墨铸铁, 杆体内有
贯穿大小头的油孔, 该孔把润滑油输送到十字头, 使曲柄销
和连杆, 连杆和十字头销之间的相对运动部分得到润滑 。
连杆的大头与曲轴一起转动, 其小头和十字头一起作往
复运动, 连杆本身作平面摆动, 其主要作用是变旋转运动为
往复运动 。
4,十字头部件
十字头有整体式和分开式两种。整体封闭式，用球墨铸
铁制成，其一端螺孔与活塞杆相连，活塞杆拧入十字头的长
度可以变动，用以调节活塞和气缸之间的间隙改变余隙容积。
横向的圆孔内装有十字头销与连杆小头相连，十字头销内有
油孔，从连杆来的润滑油经十字头销进入十字头上下的滑履
上，以润滑滑履和滑道间的相对摩擦面，润滑后的润滑油流
回曲轴箱，即油池。
注意：十字头销在十字头内的位置不能调换, 若方向装反, 油
路完全切断, 十字头滑履得不到供油会造成摩擦面烧毁的机
械事故 。
三, 润滑机构
在空压机中, 具有相对运动的部位如活塞环与气缸壁,
填料与活塞杆, 曲轴与轴承, 连杆大小头, 连杆小头衬套及
十字滑道等处, 都必须注润滑油以达到以下目的,1） 减轻
滑动部件的磨损, 延长零件寿命； 2） 减少摩擦功耗； 3） 润
滑油有冷却作用, 可带走摩擦热, 使零件的工作温度正常,
同时保证滑动部分必要的运转间隙, 防止滑动部件过热或咬
死； 4） 密封气缸的工作容积以提高活塞和填料箱的密封性 。
空压机的润滑包括两部分：一是气缸内部的润滑，二是
传动系统（运动部件）的润滑。
1,运动部件的润滑系统
一般由滤油器, 润滑油冷却器, 润滑油泵 （ 一般用齿轮
泵 ）, 油管, 压力表和压力调节阀组成 。
润滑油流动路线：油池 → 粗滤油器 → 齿轮泵 → 油冷却器 →
滤油器 → 曲轴中心孔 → 曲柄销和连杆大头瓦的配合面 → 连杆中
心孔 → 连杆小头瓦和十字销配合面 → 十字头滑轨 → 油池 。
油压的大小可通过油压调节阀来控制 。
2,气缸部件润滑系统
按润滑油达及气缸镜面的方式, 气缸润滑可分为飞溅润滑,
压力润滑和喷雾润滑三种 。
飞溅润滑一般用于单作用式空压机 。 曲轴箱中被旋转的
平衡铁头部或拨油杆溅起的油雾及油滴, 当活塞接近上止点时
落于气缸未被活塞遮盖的镜面, 并在活塞的下一循环进入活塞
环槽中, 再由活塞环分布至需要润滑的表面 。 低压的第一级,
在吸气过程中气缸里能产生真空, 润滑很易被吸入气缸内, 并
在压缩气体高温度作用挥发, 然后和压缩气体一起排出空压机,
所以, 飞溅润滑往往容易出现压气中含油过多和耗油量过多的
现象 。
喷雾润滑 —— 在空压机的气缸进气接管处，喷入一定量的润
滑油，油和气体相混合一起进入气缸，然后一部分粘附在气缸镜
面上供气缸润滑。
飞溅润滑的优点是简单，缺点是耗油量难以控制。喷雾润滑
的结构也很简单，且第一级进气阀可得到润滑，但油雾仅与气缸
接触的一部分能粘附在缸壁上，其它部分仍和气体一起被排出气
缸而得不到利用，同时增加压气的含油量，此外，油和空气密切
混合容易氧化积炭。所以喷雾润滑目前应用不多。
压力润滑是应用最广泛的润滑方式。润滑油由专门的多头注
油器经油管和注油逆止阀注入气缸及填料处。（图 9— 11）
空压机气缸的无油润滑,1973年在我国个别矿
井开始应用, 由于节约了润滑油, 杜绝了积炭爆炸,
断油烧缸等事故隐患, 改善了环境卫生, 减轻了相
关零件的磨损, 延长了气缸, 活塞环的寿命, 减少
了维修量等, 效果良好 。
实验表明, 空压机气缸润滑方式的改变还可增
加排气量, 提高排气效率, 降低电耗, 减小比功率,
从而改善空压机的性能 。
气缸无油润滑采用填充聚四氟乙烯固体材料的
活塞环, 代替油膜润滑的铸铁活塞环 。
四、冷却系统
1、空压机冷却的意义和方式
（ 1）意义
（ 2）方式
空压机的冷却方式可分为风冷式和水冷式两种，
风冷是使压缩过程放出的热量由气缸壁辐射，发散于
大气中。为了增加发散面积，通常在气缸外壁制成许
多散热薄片。但其散热效果很差，只限于小型空压机
采用。一般空压机采用水冷方式。
2,空压机的水冷系统 （ 见图 9-12）
空压机的水冷系统由气缸水套, 中间冷却器 （ 见
图 9-13）, 后冷却器, 水泵, 管路以及冷却水池 （ 或
冷却水塔 ） 组成 。
五, 排气量调整机构
1,停止空压机工作
n=0,则 Q=0。 此法虽能节省电能消耗, 但电动机经
常启动和停止, 对于电路负荷极为不利 。 因此,
只能用于小容量的空压机调节 。 采用此法调节时,
应根据空压机的功率, 电网容量, 以及启动的次
数, 来选择电动机及启动方式 。
2,关闭吸气管调节
关闭吸气管调节装置由减荷阀和压力调节器 。 （ 见
图 9— 14和图 9— 15）
注意,1）调节器的动作压力，由微调螺管 6控制弹簧 4的压紧程
度来实现。粗调螺管 5的作用是调节阀开启的灵敏度，即阀芯的
开启高度，此高度不宜过大，否则将引起调节器强烈的振动使调
节器的动作压力改变。
2）减荷阀上装有手轮，盘动手轮使螺杆上升或下降实现蝶
形阀的关闭和开启。因此，可以实现空压机的空载启动和自动控
制状态。
此种调节阀，在吸气管完全关闭时，空压机吸气量为零，只
有残存在气缸余隙中的空气膨胀和压缩。由于活塞和气缸壁间有
摩擦阻力，故消耗的功不为零。此时，空压机所消耗的功率只有
额定功率的 2～ 3%，所以此种调节方法具有较好的经济性。不过
减荷阀切断进气口后，吸气压力过分降低接近真空，如果背压不
变，在活塞前后所形成的压差会造成吸气时峰值增加，这种情况
下启动空压机会出现困难。
3,压开吸气阀调节
利用一个压开装置, 把吸气阀强制压开, 使吸气阀全部
或部分地丧失正常工作能力, 吸进的空气在压缩和排气行程
中仍回到吸气管路, 不向排气管道输送压气, 以达到调节排
气量的目的 。
压开吸气阀调节装置由压力调节器和压开叉两部分构成,
压开叉的动作由压力调节器控制 。
压开吸气阀的调节装置可分为两种形式：
（ 1） 完全压开吸气阀
调节时, 在空压机的全部行程中吸气阀始终处于压开状
态, 吸进的气体将全部自吸气阀返回到吸气管中, 故排气量
为零, 属间断调节 。
压开吸气阀时, 空压机处于空运行状态, 因为仅需克服
吸气阀阻力造成的功耗, 故调节的经济性较好 。
压开叉因其驱动机构不同分为隔膜式压开叉和活塞式压开
叉（图 9— 16）两种。
对于两级空压机，各级吸气阀均应设置压开叉，调节时
各级吸气阀应同时压开。根据气量变化，压开一侧或两侧的
吸气阀，可以实现排气量 100%,50%,0%三级调节。气量的
变化是通过双压力调节器来控制压开叉动作。
调节压力调节器中弹簧的预紧力，可以改变压力调节器
的开闭压力。
2） 部分行程压开吸气阀调节
当进气行程结束时, 气阀仍被强制顶开, 在进入压缩行
程后气体从气缸中回入进气管, 但到行程的一定时候强制作
用取消, 吸气阀关闭, 在剩余的行程中气体受到压缩并排出 。
按照吸气阀在压缩行程中压开时间的长短, 可以得到连续的
多级调节 。
压开吸气阀调节, 运转经济性好, 但阀开因受额外的负
荷 （ 弯曲与冲击 ）, 寿命较短, 密封性差 。
4,余隙容积调节法
余隙容积的调节一般通过连通补助容积, 补助容积可以采用不
同的连通方式
（ 1） 连续接通补助容积, 其补助缸中的补助容积可以改变 。
调节时, 先打开接通补助容积的阀门, 再打开旁通阀, 使高
压气体也通至补助缸活塞的背面, 使活塞两边压力平衡 。 调
节补助缸中的丝杆, 可使活塞移动以改变补助容积的大小,
对排气量进行连续地调节 。
（ 2） 分级接入补助容积, 逐个地接入一定的补助容积, 便可
得到分级的排气量调节 。
这种调节方法经济性好；但这种调节装置结构复杂，且增大了
气缸尺寸，只用于大型空压机。
六、安全保护装置
温、水、油、压的保护。防止超温、断水、断油、超压 。
§ 9— 4 活塞式空压机的附属设备
一, 滤风器
1,作用
2,结构
滤风器的结构主要由壳体和滤芯组成 。 按滤芯材料的不
同分为许多种：如纸质的, 织物的, 泡沫塑料的, 金属的等 。
空压机中用得最普遍的是纸质和金属滤芯的滤风器 。
金属网滤风器的结构（见图 9-18）,机壳由筒体、两
端封头组成；筒内滤芯由多层波纹状铁丝做成筒形过滤网，
表面涂一层粘性油（一般用 60%气缸油和 40%柴油相混合），
灰尘粘于网上，空气得以过滤。
二, 储气罐
1,作用
1） 稳压
2） 储气
3） 分离压缩空气中的油和水
2,结构
储气罐有立式和卧式两种 。 立式储气罐是用锅炉钢板焊
接的筒状密封容器, 其高度约为直径 D的 2～ 3倍, 进气接管
在下, 排气接管在上, 进气接管在罐内的一段呈弧形, 它的
出气口向下倾斜且弯向罐壁, 使气体进入罐内后产生旋转,
以便更好地分离空气中的油水, 借助于空气把油水从排泄阀
排出 。 储气罐上设置清洗用的人孔及安装安全阀和压力计的
管接头等 。
1） 根据空压机的排气量计算
当 Q〈 6m3/min时, Vc=0.2Q,m3；
当 Q=6～ 30m3/min时, Vc=0.15Q,m3；
当 Q〉 30m3/min时, Vc=0.10Q,m3；
2） 根据压缩比计算
)( 3
2
1 m
p
pQV
c ?
每台空压机通常单独设置储气罐，一般是随机配套供应。
若遇特殊情况要用户自己选择储气罐容量时，可按下列两个
经验公式计算：
式中 p1—— 吸入空气的绝对压力,MPa；
p2—— 排出空气的绝对压力,MPa；如果是多台共用
一个储气罐，上式 Q为各机组排气量的总和。
当压力不超过 1MPa时, 要对储气罐用超过工作压力 1.5
倍的压力进行水压试验 。 储气罐须装设在地基之上, 并装在
空压机房外面靠近空压机房的阴凉地方, 与空压机房的距离
不超过 12～ 15m。 装在机房外面是为了安全 。
在储气罐与空压机之间的排气管道上, 不应装闸阀, 因
为闸阀关闭时启动空压机可能引起事故 。 如果必须装设闸阀,
须在它的前面装设安全阀及通到调节器的小管 。
储气罐和排气管道内部应定期清洗 。 可用盐酸溶液清洗,
绝对禁止用火烧的办法来清洗 。
每个储气罐上应装设以下附件：
1） 安全阀和释压阀；
2） 清理和检查用的人孔或手孔；
3） 指示储气罐内空气压力的压力表；
4）储气罐底部应有排放油水的压力表。
