摘 要

空气压缩机是一种利用电动机将空气或所需气体进行压缩并使被压缩的气体具有或达到一定压力的设备。在船舶行业中它的职责是为整艘船上所有的气动元件和各种气动阀门提供气源。

本文首先对船用空压机的发展现状和船用空压机的研究现状进行调研分析，明确了研究目的和研究的主要意义。并通过分析船用空压机的国内外研究现状和一些具体的研究方向，为船用空压机发展趋势的预测和评估做好铺垫。

随后，文章主要针对船用空压机的四种关键技术：曲轴连杆技术、螺杆压缩技术、高压密封技术和减振降噪技术进行了叙述。通过分析这四种技术的基本原理以及一些具体的应用，详细地展示了活塞式压缩机以及螺杆式压缩机的工作原理，探讨了几种高压密封技术以及它们在船舶行业上的应用，并且以带隔声罩空压机组浮筏隔振系统为主要的研究对象讨论了其对于减振降噪方面的作用。

最后，根据第三部分对压缩机的原理总结，对活塞式压缩机、螺杆式压缩机和高压无油压缩机的优缺点进行了分析，并根据国内外的研究成果对压缩机之后的发展趋势和研究方向进行了预测和总结。

本文旨在反映目前空压机的设计技术以及空压机在未来的发展趋势，对关键技术的原理进行总结。

关键词：空压机；关键技术；发展趋势；发展方向；

Abstract

Air compressor is a kind of equipment that compresses air or needed gas by motor and makes compressed gas have or reach certain pressure.In the shipbuilding industry, it is responsible for supplying all the pneumatic components and various pneumatic valves for the whole ship.

In this paper, the development status of marine air compressor and marine air compressor research status of the investigation and analysis, clear research objectives and the main significance of research. And through the analysis of marine air compressor research status at home and abroad and some specific research direction, for the marine air compressor development trend prediction and evaluation to pave the way.

Subsequently, this paper mainly describes four key technologies of marine air compressor: crankshaft connecting rod technology, screw compression technology, high pressure sealing technology and vibration and noise reduction technology. By analyzing the basic principle of the four technologies, and the application of some concrete, detailed introduction to the piston compressor, and the working principle of the screw compressor is discussed several kinds of high pressure sealing technology and their application in ship industry, and with sound insulation cover air compressor units to the floating raft isolation system as the main object of study is discussed its role for damping noise reduction.

Finally, according to the third part of the compressor principle summary, the piston compressor, screw compressor and high pressure oil-free compressor advantages and disadvantages are analyzed, and according to the research results at home and abroad after the development trend of compressor and research direction are predicted and summarized.

This paper aims to reflect the current air compressor design technology and air compressor in the future development trend, to summarize the principle of key technologies.

Key words：Air compressor; Key technologies; Development trend;Development direction;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2 船用空压机发展现状调研分析 3

1.2.1 船用空压机的作用 3

1.2.2 船用空压机的分类 3

1.2.3 船用空压机的基本特点 4

1.2.4 船用空压机的基本组成 4

1.3 研究目的和意义 6

1.4 本章小结 6

第2章 船用空压机研究现状调研分析 7

2.1 船用空压机的国内研究现状 7

2.2 船用空压机的国外研究现状 7

2.3 船用空压机的仿真设计研究现状 9

2.4 船用空压机的故障诊断研究现状 11

2.5 本章小结 13

第3章 船用空压机关键技术分析 14

3.1 曲轴连杆技术 14

3.2 螺杆压缩技术 16

3.3 高压密封技术 18

3.4 减振降噪技术 20

3.5 本章小结 23

第4章 船用空压机发展趋势分析 24

4.1 往复式压缩机发展趋势 24

4.2 螺杆式压缩机发展趋势 26

4.3 高压无油压缩机发展趋势 28

4.4 本章小结 29

第5章 结论及展望 30

5.1 结论 30

5.2 展望 30

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

现在随着社会的发展和科技的进步，船舶行业与过去相比已经发生了翻天覆地的变化，越来越多的先进设备和精尖技术被运用到船舶的制造与运行的各个环节之中。全球范围的人口移动与商业贸易促使现代船舶向着大型化、自动化、节能化的方向发展。因此在进行船舶的设计制造时，船舶的设计者和船舶的所有者会着重考虑船舶上设备的选择，他们会优先选择自动化程度、能量转化效率较高的设备，毕竟人力成本的下降和设备能量的节约就是提高经济效益^[1]。而空压机作为船舶运行的重要设备，其设计与改进也是众多学者研究的方向。空压机的发展有着悠久的历史，它起源于1640年在德国被制成机械式真空泵，随着气动装备的研究不断向前发展和众多学者的不懈研究，最终发展成如今的样子。尽管空压机已经发展了多年，但是我国空压机的技术依旧落后于国外，空压机的国产化不高，在很多行业中使用的空压机还是依赖进口。因此对空压机的设计技术以及发展趋势进行分析具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。

1.2 船用空压机发展现状调研分析

1.2.1 船用空压机的作用

空气压缩机在船舶行业中的应用十分广泛。它的工作原理是利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使被压缩的气体达到所需要的压力。在船舶行业中它担负着为整艘船中所有气动元件和气动阀门提供压缩空气的职责。举个例子，如果把一艘船比作人体，那么空气压缩机就是这艘船的肺部，其重要性可见一斑。

1.2.2 船用空压机的分类

空气压缩机^[2]按驱动方式可以分为：蒸汽空压机、柴油空压机和电动空压机。由于电动空压机维修简便，使用方便，性能优良，所以被极为广泛的应用在现在的船舶设计与制造当中。

空气压缩机按压缩压力可以分为：低压空压机、中压空压机和高压空压机（低压空压机压力在10 kg /cm³以内，中压空压机压力在10-80 kg /cm³以内，高压空压机压力在100-400 kg /cm³以内）。由于船舶的内部空间与载重量均有限制，因此船舶一般在高压下储存气体以降低气瓶的体积和重量。高压空气供给高压系统使用，经过减压后再供给中压或低压系统使用。然而在有些情况下需要中压或低压气体，并且所需气量较大时也可以专门配备中压空压机或低压空压机。

空气压缩机按工作原理可以分为：容积式压缩机、速度型压缩机、喷射式压缩机和回转式压缩机。容积式压缩机和回转式压缩机是目前大多数工业生产所选用的压缩机。容积式压缩机又可分为活塞式压缩机和螺杆式压缩机(螺杆式压缩机又分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机)，而在回转式压缩机中使用最为广泛的是离心式压缩机。

1.2.3 船用空压机的基本特点

基于目前船舶上主要使用的空压机是容积式压缩机（也就是活塞式压缩机和螺杆式压缩机），所以下文主要针对容积式压缩机的基本特点进行讨论分析。

活塞式空气压缩机在压缩压力上属于中高压空气压缩机。其优点主要为：工作效率高、供气量充足、工作性能优良、产生的振动噪音较小、排气温度和油耗较低。但是其缺点也非常明显：结构复杂、不适用于低压压缩，并且零部件比较容易损坏，需要经常维护保养。因此在近些年来，国外对于活塞式空压机的使用比例逐年减小，现在在有些发达国家和地区已经完全放弃了活塞式空压机的使用，转而采用螺杆式空压机。目前螺杆式空压机已经成为各个行业主流的选择。

螺杆式空气压缩机在压缩压力上的适用范围很广，它采用全封闭的结构，密封效果极佳。其优点主要为：机体体积小、产生的振动噪声小、结构简单而且没有易损的部件。与活塞式空压机相比，螺杆式空压机的运行更为稳定可靠，压缩空气的质量更高，也更为节能。然而我国目前所使用的螺杆式空压机大多依赖进口，所以其价格相对于国产化较高的活塞式空压机来说比较高昂。

1.2.4 船用空压机的基本组成

在这一部分主要针对船用空压机的基本组成部分进行讨论。以活塞式压缩机为例，选用L型空气压缩机作为说明对象，其结构图如图1所示：

图1 L型空气压缩机结构图

（1-气缸、2-气阀、3-填料函、4-中间冷却器、5-活塞、6-减荷阀、7-十字头、8-连杆、9-曲轴、10-机身）

该机由以下几个部分组成：

①气缸部分：气缸部分的主要作用是进行气体压缩。主要由气缸、缸盖、活塞、气阀、填料等部件组成；

②传动部分：传动部分的主要作用是通过电动机带动曲轴旋转，曲轴带动连杆，将回转运动转化为活塞的往复直线运动，对气体做功。主要由曲轴（曲轴主要由主轴颈、曲柄和曲柄销三部分构成）、连杆、十字头等部件组成；

③辅助设备部分：辅助设备部分的主要作用是对被压缩气进行一些处理，比如降低气流脉动、对气体进行净化等。主要由气体净化装置、冷却装置、循环装置、流量调节装置等装置组成；

④机身部分：起到固定作用。

1.3 研究目的和意义

在如今的大环境下，为了提高经济效益、提高压缩机的国产化程度，因此对空压机的设计进行研究改进，并对其发展趋势和方向进行预测是很有必要的。通过深入研究空压机的工作原理、基本组成以及不同种类压缩机的优缺点，分析空压机的技术成果和关键技术可以有效地实现研究的目的。因此进行这项研究对今后空压机的发展和实际制造方面有很大的帮助。

1.4 本章小结

本章首先对空气压缩机的研究背景进行了介绍，并根据驱动方式、压缩压力和工作原理对空气压缩机进行了分类。随后针对目前船舶行业使用广泛的容积式压缩机的特点进行了分析，讨论了活塞式压缩机与螺杆式压缩机的优点与不足。接着以活塞式空压机为例子研究了其组成并分析其各组成部分的作用。最后根据船用空压机目前存在的问题，明确了本文的研究目的和意义。

第2章 船用空压机研究现状调研分析

根据上文对空气压缩机原理以及分类的介绍，本章从船用空压机的国内研究现状、船用空压机的国外研究现状、船用空压机的仿真设计研究现状和故障诊断研究现状四个方面进行了调研分析，并对船用空压机总体的研究情况进行了总结。

2.1 船用空压机的国内研究现状

1950年前后我国空压机的生产制造正式起步。1949年11月根据国家的指示，将东北军区军工部移交的沈阳汽车总厂转为生产压缩机的专业厂，这也是新中国成立后第一个生产压缩机的专业制造厂。自此国内涌现出了一大批制造压缩机或相关设备的企业。在当时大部分的压缩机都是为了采矿使用，并且其设计主要是仿制日本、德国、苏联等国家的产品。因此与西方国家相比我国空压机的研究制造起步较晚。

在20世纪60年代，我国在各大高校里设立了压缩机专业，专门进行压缩机方面的研究和试验。随后我国成功研发了一系列的空压机机型，打破了国外对于压缩机技术的垄断。我国的压缩机制造业从无到有，经过半个多世纪的跨越式发展，已经从最初的仿制其他国家的机型转变到现在独立研发国产机型。我国经过不断地学习引进，现在我国的空压机已经有了丰富的品种，研发出许多独创的技术，销售市场遍布全球。

随着空压机国产化的不断提高，一些中国民族品牌企业也逐渐在世界舞台上崭露头角，例如浙江开山集团。开山压缩机是我国最大的空压机与压缩机的制造企业，其产销规模为国内之最。其主要产品包括螺杆式空压机和发电机、制冷设备等。开山所研发的螺杆式膨胀发电技术闻名世界（包括余压直接膨胀和ORC有机朗肯循环膨胀技术），通过该技术，能过有效地进行余热回收与利用，实现了可持续发展这一国家战略性目标。

在国家政策的支持下，经过数十年发展，我国的压缩机行业飞速前行，逐渐追赶上了西方发达国家的脚步。国内空压机企业经过不断积累成长，出现了以开山股份有限公司、复盛集团等为代表的优质企业。这些国内企业已经具备了螺杆主机设计制造能力，而且具有产品成本和价格上的优势，实现了对外资产品的部分替代。

2.2 船用空压机的国外研究现状

国外地压缩机研究与生产历史悠久。现代空气压缩机械起源于1640年在德国制成的（机械式）真空泵；1800年前后，在英国制造出第一台单级往复活塞式空气压缩机；1878年，德国学者H.Krihar最先提出了螺杆式空压机的设计理念，但由于当时的工艺技术限制还无法被制造出来；1934年，瑞典学者Alf Lysholm设计出螺杆式空压机及其转子的齿型；1962年，法国学者B.Zimmern制造出第一台单螺杆式压缩机。近二十年来，国外在空气压缩机的研究方面不断出现新的成果，压缩机的加工精度也不断提高，并且与之配套的辅助设备也日趋完善。

在压缩机的选用上，与国内不同的是，国外的工业生产制造部门已经逐渐的淘汰了活塞式空压机。螺杆式压缩机如第一章中所叙述的那样优点明显：适用范围广、振动噪声小、运行稳定可靠。国外的企业也因为螺杆式空压机的优良性能而大量使用，目前已经成为使用最为广泛的空压机机型。

国外的空压机企业众多，以瑞典的阿特拉斯·科普柯、美国的寿力和英格索兰为其中的杰出代表。

阿特拉斯·科普柯（Atlas Copco）公司于1874年成立，总部设在瑞典首都斯德哥尔摩，其销售部门与生产工厂遍布全球。AC公司通过多年的经营与收购，几乎能生产各种形式的压缩机，产品包括容积式气体压缩机、回转式压缩机、无油及喷油螺杆式压缩机等。

美国寿力（Sullair）公司于1965年成立，总部设在美国印地安那州密执根市。寿力与美国军方关系密切，是美国军方的主要供应商之一。寿力在螺杆式空压机的生产制造上具有世界领先的技术。寿力的产品主要包括各种螺杆式压缩机、各种螺杆泵以及一些空气过滤装置等。

英格索兰（Ingersoll-Rand）公司于1905年成立，它是第一家进驻我国的压缩机品牌，在上海拥有合资公司。其生产的产品极为广泛，包括英格索兰活塞式空压机（HP系列活塞式空压机、单级amp;两级活塞式空压机、全无油活塞空压机、T30系列无润滑油空压机）、英格索兰螺杆式空压机（调速喷油螺杆式空压机、UP系列螺杆式空压机、无油螺杆空气压缩机SIERRA 50-400Hp37-300kw）和英格索兰离心式压缩机（CENTAC离心式无油空压机、CENTAC离心式压缩机）等。

国外空压机的起步较早，有着悠久的研究历史，并且国外厂商在设计制造的过程中，积累了深厚的经验。经过查阅文献和数据统计，国外的研究人员在对压缩机的多年研究中基本是围绕以下的方向进行的：

①提高压缩机的自动化程度和降低压缩机的操作难度；

②提高压缩机的经济性与工作效率；

③降低压缩机的生产制造成本，降低压缩机工作时的振动噪声。

在压缩机的控制与操作方面，国外也有着丰硕的研究成果。在计算机仿真方面，美国研究人员通过多维的空间分析，使零件设计和性能计算同时进行，为空压机的设计提供了新的思路^[3]；在故障诊断方面，美国普渡大学利用压力传感器测量压力信号，随后压力信号转化为电信号，进而根据电信号的变化来判断压缩机的故障位置并分析其产生故障的原因^[4]。在压缩机的部件研究方面，国外学者使用计算机建立数字模型方程来研究分析压缩机气阀的工作过程，根据计算机的反映情况分析压缩机气阀的工作情况和结构特点；通过PC端模拟机研究管道的振动和气流的脉动，有效的控制振动^[5]。

还有一些研究机构通过在压缩机上设置的多组传感器^[6-9]，监测空气压缩机的性能，对空压机的几何特征参数，压缩过程、排气过程和吸气过程的压缩腔压力进行实时监控，建立数学模型。避免了对整机进行实验，在得到所需结果的同时节约了时间与资金。

2.3 船用空压机的仿真设计研究现状

这一部分主要分析船用空压机的仿真设计研究成果。在使用方面，仿真设计主要运用在模拟器的设计和使用上。以我国为例，我国有众多的航海类院校，而每所院校都进行实船训练在地区性和经济性上是不允许的。因此我国目前的船员培养大量利用了仿真设计的模拟器，利用模拟器对学员进行实操训练，培养学员的操作水平和维护能力，节约了大量的时间与资金。轮机模拟器的优越性是无法替代的^[10]，而空压机的操作是轮机操作中的重要部分，它关系着船舶能否正产运转，因此空压机仿真模拟器是轮机模拟器的重要组成部分^[11]。以一个简单的空压机仿真系统模拟器为例，如图2所示：

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