【壓縮機(jī)網(wǎng)】生命周期成本和工業(yè)壓縮空氣
在工業(yè)制造領(lǐng)域，計(jì)算企業(yè)主設(shè)備投入總成本的一種公認(rèn)方法就是生命周期成本，然而對(duì)于生命周期成本的計(jì)算會(huì)因行業(yè)不同而不同。在空氣壓縮機(jī)行業(yè)，一般考慮以下三個(gè)因素：
設(shè)備購(gòu)置成本 (Capex)-何為設(shè)備購(gòu)置成本? 如果只是考慮兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)品牌的對(duì)比，那么就是空壓機(jī)的購(gòu)置費(fèi)；但是如果要計(jì)算整個(gè)投資回報(bào)的話，那么安裝費(fèi)用以及其它相關(guān)費(fèi)用也需要考慮進(jìn)去。
設(shè)備維護(hù)成本-何為設(shè)備維護(hù)成本? 根據(jù)制造商保養(yǎng)要求定期更換易耗品的成本以及保養(yǎng)中所發(fā)生的人工成本。
能源耗費(fèi)成本-何為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗成本? 計(jì)算設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗成本，z*關(guān)鍵的一點(diǎn)是空壓機(jī)的能效，即比功率，通常是用于衡量每分鐘產(chǎn)生1立方米的壓縮空氣需要多少kW電量。用比功率乘以空氣流量乘以運(yùn)行時(shí)間乘以當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)，就可以計(jì)算出空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的總體能耗成本。
當(dāng)設(shè)備購(gòu)置成本確定后，維護(hù)成本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本會(huì)因其它一些因素的影響而不同，如：年運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)等。對(duì)于功率越大、年度運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)的壓縮機(jī)，生命周期成本的評(píng)估就越重要。
表1這個(gè)例子將貫穿整篇文章, 假設(shè)某一使用環(huán)境如表1。
在這個(gè)例子中，假設(shè)機(jī)器使用5年，生命周期成本計(jì)算如見(jiàn)表2，圖1。
在這個(gè)案例中，壓縮機(jī)的能耗成本遠(yuǎn)高于購(gòu)置成本和維護(hù)成本，高達(dá)總成本的90%以上。正是因?yàn)榉浅８弑壤哪芎某杀?，所以空壓機(jī)比功率在過(guò)去幾十年中一直至關(guān)重要。鑒于這個(gè)原因，很多壓縮機(jī)生產(chǎn)商在研發(fā)中投入大量的預(yù)算，旨在提升他們產(chǎn)品的性能。盡管在降低能耗方面的競(jìng)賽主要是出于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，但是當(dāng)下，各個(gè)空壓機(jī)生產(chǎn)商們也不得不面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)，就是他們產(chǎn)品的能效高低將直接對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。
空氣壓縮機(jī)和q*變暖
目前，一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)就是，q*變暖已經(jīng)成為我們這個(gè)星球以及人類(lèi)生存z*大的威脅。由政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)進(jìn)行的一項(xiàng)獨(dú)立研究證實(shí)，在目前的溫室氣體排放率下，本世紀(jì)末q*平均氣溫超過(guò)4℃將不可避免。[1].對(duì)外行來(lái)說(shuō)，這可能聽(tīng)起來(lái)并不多，而專(zhuān)家一致認(rèn)為對(duì)于避免氣候系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)破壞，并防止q*社會(huì)經(jīng)濟(jì)模式崩潰，溫度升高2℃是個(gè)極限。2015年12月12日，195個(gè)國(guó)家在巴黎批準(zhǔn)了具有里程碑意義的氣候協(xié)議，承諾采取積極措施應(yīng)對(duì)q*變暖危機(jī)。雖然巴黎協(xié)議肯定是歷史性的，但它本身并不能解決q*變暖問(wèn)題。z*好的結(jié)果是，它將減少q*溫室氣體排放量的一半左右，以避免q*氣溫上升2℃[2]。
二氧化碳排放導(dǎo)致q*變暖的一個(gè)主要原因就是電力消耗。圖2展示了不同行業(yè)電力消耗的具體情況。
工業(yè)領(lǐng)域的電能消耗占q*電能消耗的50%以上，而這里面高達(dá)20%的電能被用于空氣壓縮和傳送以滿足終端用戶的需求。[4]考慮到目前旋轉(zhuǎn)式空壓機(jī)高達(dá)160億美金的巨大市場(chǎng)份額，而且據(jù)預(yù)測(cè)在接下來(lái)的7年內(nèi)將以3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，因此在制定降低溫室氣體排放及q*升溫計(jì)劃時(shí)，工業(yè)壓縮氣體系統(tǒng)中的能源節(jié)約或者回收將顯得尤為重要。
自從歐洲生態(tài)指令2009/125/EC認(rèn)定“電機(jī)驅(qū)動(dòng)型壓縮機(jī)”這類(lèi)產(chǎn)品組作為產(chǎn)品節(jié)能工作計(jì)劃的優(yōu)先研究產(chǎn)品，這個(gè)課題就顯得尤為重要。該指令要求歐洲委員會(huì)展開(kāi)針對(duì)空壓機(jī)及改善對(duì)環(huán)境影響的應(yīng)對(duì)措施的研究。目前，這項(xiàng)研究正在進(jìn)行中，其很有可能引起一次新的法規(guī)變更從而在q*范圍內(nèi)叫停那些高能耗的空壓機(jī)。
雖然在過(guò)去的幾十年里，空壓機(jī)行業(yè)的大多數(shù)主要的生產(chǎn)商成功地降低了他們產(chǎn)品的比功率，但是用于計(jì)算和比較產(chǎn)品生命周期成本的所謂的標(biāo)準(zhǔn)方式，其實(shí)是有失偏頗的。本文將著重討論這個(gè)問(wèn)題。
空壓機(jī)生命周期成本傳統(tǒng)評(píng)估方式
當(dāng)下，如果一個(gè)潛在客戶打算購(gòu)買(mǎi)工業(yè)用空壓機(jī)，他們一般都會(huì)要求生產(chǎn)商提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)資料以便他們?cè)u(píng)估該投資在未來(lái)5-10年內(nèi)的生命周期成本。在美國(guó)，壓縮氣體協(xié)會(huì)（CAGI）建立了一個(gè)消費(fèi)者友好溝通平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上消費(fèi)者可以下載q*各主要品牌空壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)。發(fā)布在CAGI網(wǎng)站上的任何數(shù)據(jù)都通過(guò)了美國(guó)第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)INTERTEK的驗(yàn)證和測(cè)試，而INTERTEK 的所有測(cè)試都是嚴(yán)格按照ISO1217執(zhí)行的。
當(dāng)下大家對(duì)于很多空壓機(jī)生產(chǎn)商提供的能效數(shù)據(jù)持有懷疑態(tài)度，而因?yàn)镃AGI提供的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)和公正，所以被廣泛認(rèn)可。
使用與表1相同的方法，對(duì)比兩款在購(gòu)置成本和維護(hù)成本上有著少許差異但是相同CAGI認(rèn)可的比功率的機(jī)器，其生命周期成本估算如表3。
在上面例子中，空壓機(jī)2和空壓機(jī)1相比，其購(gòu)置成本高出10%，維護(hù)成本高出20%，但是在相同的CAGI的比功率情況下，生命周期成本的差異只有9,000，占總成本的1.1%。
這時(shí)，終端用戶會(huì)相信自己已經(jīng)有了足夠的數(shù)據(jù)去做出明智的決定，很清楚自己的工廠應(yīng)該安裝哪一臺(tái)空壓機(jī)。但是，很不幸的是，這種計(jì)算方式依據(jù)的是一個(gè)從根本上就錯(cuò)誤的假設(shè)，從而誤導(dǎo)了終端用戶的決策。
這個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)就是：空壓機(jī)的比功率隨著時(shí)間的推移是恒定不變的
然而，鑒于兩個(gè)客觀存在的原因，這個(gè)假設(shè)既不適用于螺桿空壓機(jī)也不適用于滑片空壓機(jī)。
螺桿壓縮機(jī)
為了理解為什么上述假設(shè)不適用于螺桿壓縮機(jī)，我們必須理解其工程原理。螺桿空壓機(jī)基本構(gòu)造：在壓縮機(jī)的機(jī)體中，平行地配置著一對(duì)相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子，通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為陽(yáng)轉(zhuǎn)子或陽(yáng)螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿，一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接，由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的z*后一對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機(jī)中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機(jī)中的徑向力。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間z*大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 潤(rùn)滑油被用于密封、潤(rùn)滑和冷卻壓縮空氣，隨后在油氣分離器裝置中分離。壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止是通過(guò)系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)設(shè)置為z*大和z*小值。（見(jiàn)圖3、4）
泄漏途徑和間隙
要了解在螺桿壓縮機(jī)中間隙的重要關(guān)鍵作用，必須s*先對(duì)所有可能的泄漏路徑有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。圖5是一個(gè)典型的螺桿壓縮機(jī)的橫截面圖，其顯示了通過(guò)間隙的各種泄漏途徑。
對(duì)機(jī)器性能影響z*大的是轉(zhuǎn)子間的間隙（徑向間隙）和端面間隙（軸向間隙）導(dǎo)致的泄漏。這些泄漏路徑連接著高低壓的工作腔，因此潛在的泄漏是非常高的。而下圖中的其它泄漏路徑涉及到較小的壓力差，因此對(duì)性能影響相對(duì)較小。徑向間隙的大小取決于空壓機(jī)主要部件的尺寸和公差。而軸向間隙則取決于機(jī)器組裝。
因此，由于螺桿壓縮機(jī)的性能受到泄漏的嚴(yán)重影響，任何對(duì)其內(nèi)部間隙的修改都會(huì)對(duì)其效率產(chǎn)生重要影響。[6]
徑向間隙對(duì)螺桿壓縮機(jī)性能的影響
當(dāng)下，某些現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)子加工中心，已經(jīng)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子的公差降低至3微米。這意味著，就單單生產(chǎn)轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子間的間隙可以低至12微米。[7] (作為參考：人類(lèi)頭發(fā)的平均寬度是70微米)
雖然這樣可以減少?gòu)较蜷g隙，從而提高了壓縮機(jī)的容積效率，而且這樣的細(xì)小間隙幾乎可以與滾動(dòng)軸承的間隙相媲美，但是這樣也會(huì)影響到壓縮機(jī)的可靠性和性能表現(xiàn)。
對(duì)間隙尺寸和分布的影響進(jìn)行了深入的研究后發(fā)現(xiàn)，這些非常小的間隙扮演著非常重要性的角色。研究結(jié)果顯示，移動(dòng)軸承50微米就能導(dǎo)致空壓機(jī)的比功率發(fā)生2.5%的變化（在1500rpm，9bar的排氣壓力下）[6]。研究結(jié)果還顯示，如果轉(zhuǎn)子間的間隙增加31.5%，比如從15微米增加到20微米，將會(huì)導(dǎo)致容積流量損失1.7%[8]。
軸向間隙以及其對(duì)螺桿機(jī)能效的影響
徑向間隙和轉(zhuǎn)子間隙的大小取決于壓縮機(jī)主要部件的尺寸和公差，以及相對(duì)于滾動(dòng)軸承間隙的位置，而軸向間隙是在機(jī)器裝配過(guò)程中就已經(jīng)設(shè)定好的。
由于其幾何形狀機(jī)構(gòu)，螺桿空壓機(jī)在壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生了軸向推力，使轉(zhuǎn)子減少了進(jìn)氣端的側(cè)隙，但增加了在輸送端的間隙，而在此過(guò)程中，端口密封起到非常關(guān)鍵的作用如圖6。制造商也已經(jīng)將此考慮進(jìn)去，并抵消了其低壓和高壓軸向間隙的影響。
側(cè)推力由推力軸承承擔(dān)，從而防止轉(zhuǎn)子接觸到端蓋的表面。因此，較好地推力軸承的質(zhì)量和阻力，才能實(shí)現(xiàn)正確的密封。
無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在排放端的間隙出現(xiàn)35微米的波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致22%的能效損耗。[5].對(duì)于注油式螺桿壓縮機(jī)，人們期望這種波動(dòng)對(duì)比功率產(chǎn)生的影響不那么顯著，但是很明顯，這些間隙值與整體壓縮機(jī)性能之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。
螺桿空壓機(jī)的零點(diǎn)時(shí)刻
在生產(chǎn)流水線上組裝的時(shí)候，螺桿機(jī)的徑向和軸向間隙非常精密，在嚴(yán)格遵循生產(chǎn)商安裝手冊(cè)的情況下，可以使螺桿機(jī)達(dá)到z*佳的性能：CAGI的數(shù)據(jù)也表明，一些主要品牌的螺桿機(jī)，其在零點(diǎn)時(shí)刻的能效表現(xiàn)是z*佳的。
但是當(dāng)螺桿壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)這些重要的間隙會(huì)發(fā)生什么變化呢?
總所周知，滾子軸承和止推軸承都會(huì)存在磨損，而磨損速率則取決于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)載程度[9]，雖然各生產(chǎn)商會(huì)采用不同類(lèi)型、不同尺寸的軸承來(lái)延長(zhǎng)其壽命，但是磨損無(wú)法避免的，所以他們會(huì)建議用戶在機(jī)器運(yùn)行一定時(shí)間后需要對(duì)機(jī)頭進(jìn)行大修。大修主要是要更換滾動(dòng)和止推部件，還空壓機(jī)一個(gè)“安全”的運(yùn)行環(huán)境，避免給機(jī)頭造成災(zāi)難性的損壞。絕大多數(shù)國(guó)際一線品牌的生產(chǎn)商通常會(huì)建議在機(jī)器每運(yùn)行3萬(wàn)-5萬(wàn)小時(shí)后，進(jìn)行一次大修。
考慮到軸承磨損，在軸向方向，止推軸承能夠承受的z*大磨損間隙是50微米，超過(guò)50微米到200微米之間，將會(huì)對(duì)機(jī)器性能造成影響。在徑向方向，軸承任何部位的磨損不能超過(guò)生產(chǎn)商的轉(zhuǎn)子間隙（12微米-15微米），否則將會(huì)對(duì)機(jī)器性能造成影響。這兩種情況都表明，這些間隙的變化會(huì)導(dǎo)致顯著的性能損失。因此，也就不難理解，為什么螺桿機(jī)的能效表現(xiàn)不是恒久不變的，而是會(huì)隨著時(shí)間而衰減的。
盡管目前很難找到研究這種現(xiàn)象的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，能效審計(jì)公司對(duì)一些舊的、即將大修的螺桿壓縮機(jī)的流量和功率進(jìn)行了測(cè)量，并有很多的文檔記錄。在一個(gè)測(cè)量案例中[10]，澳大利亞工業(yè)部測(cè)量了一批運(yùn)行了10年左右的螺桿機(jī)，發(fā)現(xiàn)其平均能效衰減30%，z*差機(jī)器的能效衰減高達(dá)55%。
雖然上述測(cè)量結(jié)果是基于一些特定的狀況，而且當(dāng)下螺桿機(jī)所使用的軸承的性能也有了很大的提升，但是不管如何改善，隨著使用時(shí)間的變化，螺桿機(jī)的性能衰減是個(gè)無(wú)法避免的事實(shí)，這是由軸承本身的特性和螺桿機(jī)的工作原理所決定的。
滑片空壓機(jī)運(yùn)作原理
對(duì)于滑片式空壓機(jī)而言，隨著時(shí)間的推移，零點(diǎn)時(shí)刻的比功率也不會(huì)保持一成不變。要解釋這一現(xiàn)象，先要了解其工作原理?；瑱C(jī)的定轉(zhuǎn)子總成由一個(gè)偏置的轉(zhuǎn)子和一個(gè)圓柱形的定子組成，兩端由端蓋密封并配以巴氏白瓦合金套管。轉(zhuǎn)子上面有機(jī)加工過(guò)的縱向槽，以便滑片在里面自由滑動(dòng)。轉(zhuǎn)子通過(guò)電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速通常在1000到1500轉(zhuǎn)（50Hz）之間，通過(guò)偏心力轉(zhuǎn)動(dòng)使滑片與定子內(nèi)壁進(jìn)行密封接觸從而形成壓縮袋?？諝獗晃牒?，此時(shí)容積z*大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，容積逐漸減?。▔毫ι仙亩纬梢粋€(gè)壓縮循環(huán)。當(dāng)容積減到z*小時(shí)，空氣通過(guò)壓縮元件被釋放出來(lái)。
泄漏路徑和間隙
在滑片式空氣壓縮機(jī)中，滑片總是與定子內(nèi)表面的潤(rùn)滑膜相接觸，這樣既可以避免兩個(gè)金屬表面直接接觸，也避免了氣體泄漏。在滑動(dòng)葉片的前緣存在一個(gè)潤(rùn)滑楔子，精確加工的葉片尖端半徑，潤(rùn)滑的滑動(dòng)元件和支撐面（定子）的附著力增加了潤(rùn)滑壓力，并在兩個(gè)表面之間產(chǎn)生了流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜。當(dāng)施加非常大的壓力時(shí)，潤(rùn)滑劑的粘度會(huì)增加，潤(rùn)滑油就可以避免被擠壓在表面之間，從而保持一個(gè)恒定的薄膜。此外，潤(rùn)滑油也起到了一個(gè)完美的密封功能（見(jiàn)圖7、8）。
另一個(gè)可能的泄漏途徑是通過(guò)壓縮機(jī)端蓋。 然而，滑片空壓機(jī)沒(méi)有軸向推力將轉(zhuǎn)子推向兩側(cè)端蓋，因此也就沒(méi)有必要安裝止推軸承來(lái)控制軸向位置。軸向間隙是在機(jī)器裝配過(guò)程中就已經(jīng)設(shè)定好的。轉(zhuǎn)子可以自由地沿著軸向移動(dòng)，它通過(guò)在壓力下注入的潤(rùn)滑油，與兩端端蓋保持同樣的距離，從而防止接觸和提供有效的密封（見(jiàn)圖9）。
由于在滑片式空壓機(jī)內(nèi)沒(méi)有磨損的滾子和推力軸承，所以在機(jī)器制造的時(shí)候設(shè)定的間隙是恒定的，該間隙在壓縮機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)都不會(huì)變化。這樣的設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處：s*先，隨著時(shí)間的推移，容積效率不會(huì)有任何衰減；其次，永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行更換磨損軸承這樣的大修。這就保證了瑪泰的壓縮單元（機(jī)頭）可以達(dá)到超過(guò)10年不限時(shí)間的使用壽命。
既然已經(jīng)證明容積效率不會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減，為什么上面提到的比功率恒定的假設(shè)也不適用于瑪泰滑片式空壓機(jī)呢？
滑片的磨合期與前1000小時(shí)
從啟動(dòng)滑片式空壓機(jī)開(kāi)始到前1000個(gè)小時(shí)期間，滑片進(jìn)行著一個(gè)前期磨合的過(guò)程。雖然瑪泰在生產(chǎn)滑片的時(shí)候已經(jīng)對(duì)其滑片進(jìn)行了非常精確的打磨，但是前1000小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以更好地磨合轉(zhuǎn)子槽和滑片之間鍥合度，從而達(dá)到z*佳效果。從摩擦學(xué)的角度講，必要的拋光處理可以使表面更加平整、光滑。
此處不能將磨合與磨損的概念相混淆。磨損指摩擦體接觸表面的材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械作用,間或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷損耗的現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的磨損將會(huì)影響機(jī)器的性能。而磨合是為了使配合件正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的一種措施?，斕┗諌簷C(jī)的滑片采用特殊材質(zhì)制作，可以使其壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上無(wú)需更換。
這種前期磨合效果對(duì)摩擦損失的功率有顯著的正面影響，并對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)生的功率有顯著的影響。多年來(lái)，這一效應(yīng)在滑片式空壓機(jī)工業(yè)領(lǐng)域中早已經(jīng)為人所知，但直到現(xiàn)在，它還沒(méi)有被獨(dú)立地和科學(xué)地測(cè)試過(guò)。
在2016年，針對(duì)這一理論，瑪泰發(fā)起了兩個(gè)同時(shí)并行的測(cè)試計(jì)劃：一個(gè)是在瑪泰總部現(xiàn)代化的研發(fā)中心測(cè)試一臺(tái)50Hz的Maxima 75 Xtreme，另一個(gè)是在美國(guó)的INTERTEK（天祥集團(tuán)）總部測(cè)試一臺(tái)60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美國(guó)為CAGI提供空壓機(jī)測(cè)試認(rèn)證的公司。
在這兩種測(cè)試環(huán)境下，壓縮機(jī)的性能都是從零點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始記錄，然后每100小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。毫不夸張地說(shuō)，測(cè)試結(jié)果非常顯著。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，在保持一個(gè)恒定地空氣輸出的條件下，電能的消耗呈顯著下降，其比功率得到了很大的提升，比零點(diǎn)時(shí)刻更低（見(jiàn)表4）。
因此，不難看出，對(duì)于滑片式空壓機(jī)而言，CAGI公布的零點(diǎn)時(shí)刻的比功率也不能作為整個(gè)空壓機(jī)是生命周期內(nèi)的比功率來(lái)計(jì)算其生命周期成本。
新的“生命周期成本（LCC）分析”
通過(guò)以上數(shù)據(jù)的分析和討論，我們?cè)谀M計(jì)算生命周期成本時(shí)，可以勾勒出一個(gè)更加真實(shí)的場(chǎng)景。再回到前面的例子，盡管滑片機(jī)和螺桿機(jī)都有著CAGI公布的零點(diǎn)時(shí)刻比功率，但是我們?cè)趯?shí)際計(jì)算的時(shí)候需要將螺桿機(jī)能效衰減和滑片機(jī)能效提升的因素考慮進(jìn)去。
此處，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是不同的螺桿空壓機(jī)制造商在他們的機(jī)器中會(huì)選擇使用不同的軸承，因此我們不能武斷的針對(duì)所有品牌的螺桿機(jī)使用同樣的能效衰減率。但是另一方面，科學(xué)研究也表明，如果軸承磨損達(dá)到人類(lèi)頭發(fā)直徑的十四分之一（5微米），螺桿機(jī)的容積效率將會(huì)損失2%。 因此，我們模擬螺桿機(jī)使用5年（大修之前）出現(xiàn)2%，5%和10%這三種能效損耗比率來(lái)計(jì)算新的生命周期成本，也是希望通過(guò)這三種能效衰減比率盡可能的包含絕大多數(shù)的螺桿機(jī)品牌。
選擇兩種都是75kW的空壓機(jī)，相同的CAGI公布的零點(diǎn)比功率，假設(shè)其購(gòu)置成本和保養(yǎng)成本也相同，計(jì)算出比功率隨著時(shí)間的推移變化如圖10。
針對(duì)表1中的空壓機(jī)，采用新的生命周期成本方式，計(jì)算結(jié)果如表5、圖11。
如果將使用時(shí)間延長(zhǎng)至10年，再次計(jì)算其生命周期成本，那么就要考慮到螺桿機(jī)的大修。在這個(gè)試算案例中，假設(shè)大修費(fèi)用占設(shè)備購(gòu)置成本的50%。對(duì)于瑪泰滑片空壓機(jī)，在其生命周期內(nèi)不存在大修的需求。因此，在本次計(jì)算中，滑片機(jī)的大修費(fèi)用為0（見(jiàn)圖12、13，表6）。
結(jié)論
新的生命周期成本計(jì)算方式，既考慮到了滑片機(jī)能效提升的因素，又考慮到了螺桿機(jī)能效衰減的因素。很顯然，新舊計(jì)算方式在能效成本方面有很大的差異。在螺桿機(jī)能效衰減10%的情況下，經(jīng)過(guò)10年運(yùn)行，加上大修費(fèi)用，終端用戶要多花費(fèi)€168,000。即使在相同的CAGI零點(diǎn)時(shí)刻比功率條件下，螺桿機(jī)的能源消耗成本也是其采購(gòu)成本的3倍有余。這一問(wèn)題必須得到澄清，尤其是考慮到目前正在使用零點(diǎn)時(shí)刻的壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)來(lái)起草新的立法，以幫助遏制當(dāng)前q*變暖危機(jī)。如果沒(méi)有考慮到這些重要信息，那么對(duì)于降低工業(yè)空氣壓縮所消耗能源的新立法，將面臨無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] Climate change 2014: mitigation of climate change - D. Victor, D. Zhou, Intergovernmental panel on climate change 5th assessment report; 2013. p. 34e5
[2]https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_en
[3] International Energy Agency. Redrawing the energy-climate map. World En Outlook Rep 2013:32e3.
[4] Energy saving potential in existing industrial compressors - D. Vittorini, R. Cipollone, Energy 102 2016, 502-515
[5] Influence of thermal dilatation upon design of screw machines - A. Kovacevic, N. Stosic, E. Mujic, I. k. Smith, International Design Conference, Design 2006
[6] Improving screw performance - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, J. Kim, J. Park, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[7] Calculation of rotor interference in screw compressors - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[8] Rotor clearance design and evaluation for an oil injected twin screw compressor - D. Buckney, A. Kovacevic, N. Stosic, 9th International Conference on Compressors and Systems 2015
[9] Compressor handbook - P. C. Hanlon - General Bearing Principles 19.3, McGraw-Hill, 2001
[10] Screw Compressor Wear - Australian Government Department of Industry, Australian Meat Industry Council
在工業(yè)制造領(lǐng)域，計(jì)算企業(yè)主設(shè)備投入總成本的一種公認(rèn)方法就是生命周期成本，然而對(duì)于生命周期成本的計(jì)算會(huì)因行業(yè)不同而不同。在空氣壓縮機(jī)行業(yè)，一般考慮以下三個(gè)因素：
設(shè)備購(gòu)置成本 (Capex)-何為設(shè)備購(gòu)置成本? 如果只是考慮兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)品牌的對(duì)比，那么就是空壓機(jī)的購(gòu)置費(fèi)；但是如果要計(jì)算整個(gè)投資回報(bào)的話，那么安裝費(fèi)用以及其它相關(guān)費(fèi)用也需要考慮進(jìn)去。
設(shè)備維護(hù)成本-何為設(shè)備維護(hù)成本? 根據(jù)制造商保養(yǎng)要求定期更換易耗品的成本以及保養(yǎng)中所發(fā)生的人工成本。
能源耗費(fèi)成本-何為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗成本? 計(jì)算設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗成本，z*關(guān)鍵的一點(diǎn)是空壓機(jī)的能效，即比功率，通常是用于衡量每分鐘產(chǎn)生1立方米的壓縮空氣需要多少kW電量。用比功率乘以空氣流量乘以運(yùn)行時(shí)間乘以當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)，就可以計(jì)算出空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的總體能耗成本。
當(dāng)設(shè)備購(gòu)置成本確定后，維護(hù)成本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本會(huì)因其它一些因素的影響而不同，如：年運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)等。對(duì)于功率越大、年度運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)的壓縮機(jī)，生命周期成本的評(píng)估就越重要。
表1這個(gè)例子將貫穿整篇文章, 假設(shè)某一使用環(huán)境如表1。
在這個(gè)例子中，假設(shè)機(jī)器使用5年，生命周期成本計(jì)算如見(jiàn)表2，圖1。
在這個(gè)案例中，壓縮機(jī)的能耗成本遠(yuǎn)高于購(gòu)置成本和維護(hù)成本，高達(dá)總成本的90%以上。正是因?yàn)榉浅８弑壤哪芎某杀?，所以空壓機(jī)比功率在過(guò)去幾十年中一直至關(guān)重要。鑒于這個(gè)原因，很多壓縮機(jī)生產(chǎn)商在研發(fā)中投入大量的預(yù)算，旨在提升他們產(chǎn)品的性能。盡管在降低能耗方面的競(jìng)賽主要是出于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，但是當(dāng)下，各個(gè)空壓機(jī)生產(chǎn)商們也不得不面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)，就是他們產(chǎn)品的能效高低將直接對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。
空氣壓縮機(jī)和q*變暖
目前，一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)就是，q*變暖已經(jīng)成為我們這個(gè)星球以及人類(lèi)生存z*大的威脅。由政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)進(jìn)行的一項(xiàng)獨(dú)立研究證實(shí)，在目前的溫室氣體排放率下，本世紀(jì)末q*平均氣溫超過(guò)4℃將不可避免。[1].對(duì)外行來(lái)說(shuō)，這可能聽(tīng)起來(lái)并不多，而專(zhuān)家一致認(rèn)為對(duì)于避免氣候系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)破壞，并防止q*社會(huì)經(jīng)濟(jì)模式崩潰，溫度升高2℃是個(gè)極限。2015年12月12日，195個(gè)國(guó)家在巴黎批準(zhǔn)了具有里程碑意義的氣候協(xié)議，承諾采取積極措施應(yīng)對(duì)q*變暖危機(jī)。雖然巴黎協(xié)議肯定是歷史性的，但它本身并不能解決q*變暖問(wèn)題。z*好的結(jié)果是，它將減少q*溫室氣體排放量的一半左右，以避免q*氣溫上升2℃[2]。
二氧化碳排放導(dǎo)致q*變暖的一個(gè)主要原因就是電力消耗。圖2展示了不同行業(yè)電力消耗的具體情況。
工業(yè)領(lǐng)域的電能消耗占q*電能消耗的50%以上，而這里面高達(dá)20%的電能被用于空氣壓縮和傳送以滿足終端用戶的需求。[4]考慮到目前旋轉(zhuǎn)式空壓機(jī)高達(dá)160億美金的巨大市場(chǎng)份額，而且據(jù)預(yù)測(cè)在接下來(lái)的7年內(nèi)將以3.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，因此在制定降低溫室氣體排放及q*升溫計(jì)劃時(shí)，工業(yè)壓縮氣體系統(tǒng)中的能源節(jié)約或者回收將顯得尤為重要。
自從歐洲生態(tài)指令2009/125/EC認(rèn)定“電機(jī)驅(qū)動(dòng)型壓縮機(jī)”這類(lèi)產(chǎn)品組作為產(chǎn)品節(jié)能工作計(jì)劃的優(yōu)先研究產(chǎn)品，這個(gè)課題就顯得尤為重要。該指令要求歐洲委員會(huì)展開(kāi)針對(duì)空壓機(jī)及改善對(duì)環(huán)境影響的應(yīng)對(duì)措施的研究。目前，這項(xiàng)研究正在進(jìn)行中，其很有可能引起一次新的法規(guī)變更從而在q*范圍內(nèi)叫停那些高能耗的空壓機(jī)。
雖然在過(guò)去的幾十年里，空壓機(jī)行業(yè)的大多數(shù)主要的生產(chǎn)商成功地降低了他們產(chǎn)品的比功率，但是用于計(jì)算和比較產(chǎn)品生命周期成本的所謂的標(biāo)準(zhǔn)方式，其實(shí)是有失偏頗的。本文將著重討論這個(gè)問(wèn)題。
空壓機(jī)生命周期成本傳統(tǒng)評(píng)估方式
當(dāng)下，如果一個(gè)潛在客戶打算購(gòu)買(mǎi)工業(yè)用空壓機(jī)，他們一般都會(huì)要求生產(chǎn)商提供相關(guān)的技術(shù)參數(shù)資料以便他們?cè)u(píng)估該投資在未來(lái)5-10年內(nèi)的生命周期成本。在美國(guó)，壓縮氣體協(xié)會(huì)（CAGI）建立了一個(gè)消費(fèi)者友好溝通平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上消費(fèi)者可以下載q*各主要品牌空壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)。發(fā)布在CAGI網(wǎng)站上的任何數(shù)據(jù)都通過(guò)了美國(guó)第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)INTERTEK的驗(yàn)證和測(cè)試，而INTERTEK 的所有測(cè)試都是嚴(yán)格按照ISO1217執(zhí)行的。
當(dāng)下大家對(duì)于很多空壓機(jī)生產(chǎn)商提供的能效數(shù)據(jù)持有懷疑態(tài)度，而因?yàn)镃AGI提供的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)和公正，所以被廣泛認(rèn)可。
使用與表1相同的方法，對(duì)比兩款在購(gòu)置成本和維護(hù)成本上有著少許差異但是相同CAGI認(rèn)可的比功率的機(jī)器，其生命周期成本估算如表3。
在上面例子中，空壓機(jī)2和空壓機(jī)1相比，其購(gòu)置成本高出10%，維護(hù)成本高出20%，但是在相同的CAGI的比功率情況下，生命周期成本的差異只有9,000，占總成本的1.1%。
這時(shí)，終端用戶會(huì)相信自己已經(jīng)有了足夠的數(shù)據(jù)去做出明智的決定，很清楚自己的工廠應(yīng)該安裝哪一臺(tái)空壓機(jī)。但是，很不幸的是，這種計(jì)算方式依據(jù)的是一個(gè)從根本上就錯(cuò)誤的假設(shè)，從而誤導(dǎo)了終端用戶的決策。
這個(gè)錯(cuò)誤的假設(shè)就是：空壓機(jī)的比功率隨著時(shí)間的推移是恒定不變的
然而，鑒于兩個(gè)客觀存在的原因，這個(gè)假設(shè)既不適用于螺桿空壓機(jī)也不適用于滑片空壓機(jī)。
螺桿壓縮機(jī)
為了理解為什么上述假設(shè)不適用于螺桿壓縮機(jī)，我們必須理解其工程原理。螺桿空壓機(jī)基本構(gòu)造：在壓縮機(jī)的機(jī)體中，平行地配置著一對(duì)相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子，通常把節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為陽(yáng)轉(zhuǎn)子或陽(yáng)螺桿。把節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為陰轉(zhuǎn)子或陰螺桿，一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接，由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的z*后一對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)軸向定位，并承受壓縮機(jī)中的軸向力。轉(zhuǎn)子兩端的圓柱滾子軸承使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)徑向定位，并承受壓縮機(jī)中的徑向力。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間z*大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 潤(rùn)滑油被用于密封、潤(rùn)滑和冷卻壓縮空氣，隨后在油氣分離器裝置中分離。壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止是通過(guò)系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)設(shè)置為z*大和z*小值。（見(jiàn)圖3、4）
泄漏途徑和間隙
要了解在螺桿壓縮機(jī)中間隙的重要關(guān)鍵作用，必須s*先對(duì)所有可能的泄漏路徑有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。圖5是一個(gè)典型的螺桿壓縮機(jī)的橫截面圖，其顯示了通過(guò)間隙的各種泄漏途徑。
對(duì)機(jī)器性能影響z*大的是轉(zhuǎn)子間的間隙（徑向間隙）和端面間隙（軸向間隙）導(dǎo)致的泄漏。這些泄漏路徑連接著高低壓的工作腔，因此潛在的泄漏是非常高的。而下圖中的其它泄漏路徑涉及到較小的壓力差，因此對(duì)性能影響相對(duì)較小。徑向間隙的大小取決于空壓機(jī)主要部件的尺寸和公差。而軸向間隙則取決于機(jī)器組裝。
因此，由于螺桿壓縮機(jī)的性能受到泄漏的嚴(yán)重影響，任何對(duì)其內(nèi)部間隙的修改都會(huì)對(duì)其效率產(chǎn)生重要影響。[6]
徑向間隙對(duì)螺桿壓縮機(jī)性能的影響
當(dāng)下，某些現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)子加工中心，已經(jīng)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子的公差降低至3微米。這意味著，就單單生產(chǎn)轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子間的間隙可以低至12微米。[7] (作為參考：人類(lèi)頭發(fā)的平均寬度是70微米)
雖然這樣可以減少?gòu)较蜷g隙，從而提高了壓縮機(jī)的容積效率，而且這樣的細(xì)小間隙幾乎可以與滾動(dòng)軸承的間隙相媲美，但是這樣也會(huì)影響到壓縮機(jī)的可靠性和性能表現(xiàn)。
對(duì)間隙尺寸和分布的影響進(jìn)行了深入的研究后發(fā)現(xiàn)，這些非常小的間隙扮演著非常重要性的角色。研究結(jié)果顯示，移動(dòng)軸承50微米就能導(dǎo)致空壓機(jī)的比功率發(fā)生2.5%的變化（在1500rpm，9bar的排氣壓力下）[6]。研究結(jié)果還顯示，如果轉(zhuǎn)子間的間隙增加31.5%，比如從15微米增加到20微米，將會(huì)導(dǎo)致容積流量損失1.7%[8]。
軸向間隙以及其對(duì)螺桿機(jī)能效的影響
徑向間隙和轉(zhuǎn)子間隙的大小取決于壓縮機(jī)主要部件的尺寸和公差，以及相對(duì)于滾動(dòng)軸承間隙的位置，而軸向間隙是在機(jī)器裝配過(guò)程中就已經(jīng)設(shè)定好的。
由于其幾何形狀機(jī)構(gòu)，螺桿空壓機(jī)在壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生了軸向推力，使轉(zhuǎn)子減少了進(jìn)氣端的側(cè)隙，但增加了在輸送端的間隙，而在此過(guò)程中，端口密封起到非常關(guān)鍵的作用如圖6。制造商也已經(jīng)將此考慮進(jìn)去，并抵消了其低壓和高壓軸向間隙的影響。
側(cè)推力由推力軸承承擔(dān)，從而防止轉(zhuǎn)子接觸到端蓋的表面。因此，較好地推力軸承的質(zhì)量和阻力，才能實(shí)現(xiàn)正確的密封。
無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在排放端的間隙出現(xiàn)35微米的波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致22%的能效損耗。[5].對(duì)于注油式螺桿壓縮機(jī)，人們期望這種波動(dòng)對(duì)比功率產(chǎn)生的影響不那么顯著，但是很明顯，這些間隙值與整體壓縮機(jī)性能之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。
螺桿空壓機(jī)的零點(diǎn)時(shí)刻
在生產(chǎn)流水線上組裝的時(shí)候，螺桿機(jī)的徑向和軸向間隙非常精密，在嚴(yán)格遵循生產(chǎn)商安裝手冊(cè)的情況下，可以使螺桿機(jī)達(dá)到z*佳的性能：CAGI的數(shù)據(jù)也表明，一些主要品牌的螺桿機(jī)，其在零點(diǎn)時(shí)刻的能效表現(xiàn)是z*佳的。
但是當(dāng)螺桿壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)這些重要的間隙會(huì)發(fā)生什么變化呢?
總所周知，滾子軸承和止推軸承都會(huì)存在磨損，而磨損速率則取決于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)載程度[9]，雖然各生產(chǎn)商會(huì)采用不同類(lèi)型、不同尺寸的軸承來(lái)延長(zhǎng)其壽命，但是磨損無(wú)法避免的，所以他們會(huì)建議用戶在機(jī)器運(yùn)行一定時(shí)間后需要對(duì)機(jī)頭進(jìn)行大修。大修主要是要更換滾動(dòng)和止推部件，還空壓機(jī)一個(gè)“安全”的運(yùn)行環(huán)境，避免給機(jī)頭造成災(zāi)難性的損壞。絕大多數(shù)國(guó)際一線品牌的生產(chǎn)商通常會(huì)建議在機(jī)器每運(yùn)行3萬(wàn)-5萬(wàn)小時(shí)后，進(jìn)行一次大修。
考慮到軸承磨損，在軸向方向，止推軸承能夠承受的z*大磨損間隙是50微米，超過(guò)50微米到200微米之間，將會(huì)對(duì)機(jī)器性能造成影響。在徑向方向，軸承任何部位的磨損不能超過(guò)生產(chǎn)商的轉(zhuǎn)子間隙（12微米-15微米），否則將會(huì)對(duì)機(jī)器性能造成影響。這兩種情況都表明，這些間隙的變化會(huì)導(dǎo)致顯著的性能損失。因此，也就不難理解，為什么螺桿機(jī)的能效表現(xiàn)不是恒久不變的，而是會(huì)隨著時(shí)間而衰減的。
盡管目前很難找到研究這種現(xiàn)象的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，能效審計(jì)公司對(duì)一些舊的、即將大修的螺桿壓縮機(jī)的流量和功率進(jìn)行了測(cè)量，并有很多的文檔記錄。在一個(gè)測(cè)量案例中[10]，澳大利亞工業(yè)部測(cè)量了一批運(yùn)行了10年左右的螺桿機(jī)，發(fā)現(xiàn)其平均能效衰減30%，z*差機(jī)器的能效衰減高達(dá)55%。
雖然上述測(cè)量結(jié)果是基于一些特定的狀況，而且當(dāng)下螺桿機(jī)所使用的軸承的性能也有了很大的提升，但是不管如何改善，隨著使用時(shí)間的變化，螺桿機(jī)的性能衰減是個(gè)無(wú)法避免的事實(shí)，這是由軸承本身的特性和螺桿機(jī)的工作原理所決定的。
滑片空壓機(jī)運(yùn)作原理
對(duì)于滑片式空壓機(jī)而言，隨著時(shí)間的推移，零點(diǎn)時(shí)刻的比功率也不會(huì)保持一成不變。要解釋這一現(xiàn)象，先要了解其工作原理?；瑱C(jī)的定轉(zhuǎn)子總成由一個(gè)偏置的轉(zhuǎn)子和一個(gè)圓柱形的定子組成，兩端由端蓋密封并配以巴氏白瓦合金套管。轉(zhuǎn)子上面有機(jī)加工過(guò)的縱向槽，以便滑片在里面自由滑動(dòng)。轉(zhuǎn)子通過(guò)電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速通常在1000到1500轉(zhuǎn)（50Hz）之間，通過(guò)偏心力轉(zhuǎn)動(dòng)使滑片與定子內(nèi)壁進(jìn)行密封接觸從而形成壓縮袋?？諝獗晃牒?，此時(shí)容積z*大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，容積逐漸減?。▔毫ι仙亩纬梢粋€(gè)壓縮循環(huán)。當(dāng)容積減到z*小時(shí)，空氣通過(guò)壓縮元件被釋放出來(lái)。
泄漏路徑和間隙
在滑片式空氣壓縮機(jī)中，滑片總是與定子內(nèi)表面的潤(rùn)滑膜相接觸，這樣既可以避免兩個(gè)金屬表面直接接觸，也避免了氣體泄漏。在滑動(dòng)葉片的前緣存在一個(gè)潤(rùn)滑楔子，精確加工的葉片尖端半徑，潤(rùn)滑的滑動(dòng)元件和支撐面（定子）的附著力增加了潤(rùn)滑壓力，并在兩個(gè)表面之間產(chǎn)生了流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜。當(dāng)施加非常大的壓力時(shí)，潤(rùn)滑劑的粘度會(huì)增加，潤(rùn)滑油就可以避免被擠壓在表面之間，從而保持一個(gè)恒定的薄膜。此外，潤(rùn)滑油也起到了一個(gè)完美的密封功能（見(jiàn)圖7、8）。
另一個(gè)可能的泄漏途徑是通過(guò)壓縮機(jī)端蓋。 然而，滑片空壓機(jī)沒(méi)有軸向推力將轉(zhuǎn)子推向兩側(cè)端蓋，因此也就沒(méi)有必要安裝止推軸承來(lái)控制軸向位置。軸向間隙是在機(jī)器裝配過(guò)程中就已經(jīng)設(shè)定好的。轉(zhuǎn)子可以自由地沿著軸向移動(dòng)，它通過(guò)在壓力下注入的潤(rùn)滑油，與兩端端蓋保持同樣的距離，從而防止接觸和提供有效的密封（見(jiàn)圖9）。
由于在滑片式空壓機(jī)內(nèi)沒(méi)有磨損的滾子和推力軸承，所以在機(jī)器制造的時(shí)候設(shè)定的間隙是恒定的，該間隙在壓縮機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)都不會(huì)變化。這樣的設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處：s*先，隨著時(shí)間的推移，容積效率不會(huì)有任何衰減；其次，永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行更換磨損軸承這樣的大修。這就保證了瑪泰的壓縮單元（機(jī)頭）可以達(dá)到超過(guò)10年不限時(shí)間的使用壽命。
既然已經(jīng)證明容積效率不會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減，為什么上面提到的比功率恒定的假設(shè)也不適用于瑪泰滑片式空壓機(jī)呢？
滑片的磨合期與前1000小時(shí)
從啟動(dòng)滑片式空壓機(jī)開(kāi)始到前1000個(gè)小時(shí)期間，滑片進(jìn)行著一個(gè)前期磨合的過(guò)程。雖然瑪泰在生產(chǎn)滑片的時(shí)候已經(jīng)對(duì)其滑片進(jìn)行了非常精確的打磨，但是前1000小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以更好地磨合轉(zhuǎn)子槽和滑片之間鍥合度，從而達(dá)到z*佳效果。從摩擦學(xué)的角度講，必要的拋光處理可以使表面更加平整、光滑。
此處不能將磨合與磨損的概念相混淆。磨損指摩擦體接觸表面的材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械作用,間或伴有化學(xué)作用而產(chǎn)生的不斷損耗的現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的磨損將會(huì)影響機(jī)器的性能。而磨合是為了使配合件正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的一種措施?，斕┗諌簷C(jī)的滑片采用特殊材質(zhì)制作，可以使其壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上無(wú)需更換。
這種前期磨合效果對(duì)摩擦損失的功率有顯著的正面影響，并對(duì)空壓機(jī)產(chǎn)生的功率有顯著的影響。多年來(lái)，這一效應(yīng)在滑片式空壓機(jī)工業(yè)領(lǐng)域中早已經(jīng)為人所知，但直到現(xiàn)在，它還沒(méi)有被獨(dú)立地和科學(xué)地測(cè)試過(guò)。
在2016年，針對(duì)這一理論，瑪泰發(fā)起了兩個(gè)同時(shí)并行的測(cè)試計(jì)劃：一個(gè)是在瑪泰總部現(xiàn)代化的研發(fā)中心測(cè)試一臺(tái)50Hz的Maxima 75 Xtreme，另一個(gè)是在美國(guó)的INTERTEK（天祥集團(tuán)）總部測(cè)試一臺(tái)60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美國(guó)為CAGI提供空壓機(jī)測(cè)試認(rèn)證的公司。
在這兩種測(cè)試環(huán)境下，壓縮機(jī)的性能都是從零點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始記錄，然后每100小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。毫不夸張地說(shuō)，測(cè)試結(jié)果非常顯著。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，在保持一個(gè)恒定地空氣輸出的條件下，電能的消耗呈顯著下降，其比功率得到了很大的提升，比零點(diǎn)時(shí)刻更低（見(jiàn)表4）。
因此，不難看出，對(duì)于滑片式空壓機(jī)而言，CAGI公布的零點(diǎn)時(shí)刻的比功率也不能作為整個(gè)空壓機(jī)是生命周期內(nèi)的比功率來(lái)計(jì)算其生命周期成本。
新的“生命周期成本（LCC）分析”
通過(guò)以上數(shù)據(jù)的分析和討論，我們?cè)谀M計(jì)算生命周期成本時(shí)，可以勾勒出一個(gè)更加真實(shí)的場(chǎng)景。再回到前面的例子，盡管滑片機(jī)和螺桿機(jī)都有著CAGI公布的零點(diǎn)時(shí)刻比功率，但是我們?cè)趯?shí)際計(jì)算的時(shí)候需要將螺桿機(jī)能效衰減和滑片機(jī)能效提升的因素考慮進(jìn)去。
此處，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是不同的螺桿空壓機(jī)制造商在他們的機(jī)器中會(huì)選擇使用不同的軸承，因此我們不能武斷的針對(duì)所有品牌的螺桿機(jī)使用同樣的能效衰減率。但是另一方面，科學(xué)研究也表明，如果軸承磨損達(dá)到人類(lèi)頭發(fā)直徑的十四分之一（5微米），螺桿機(jī)的容積效率將會(huì)損失2%。 因此，我們模擬螺桿機(jī)使用5年（大修之前）出現(xiàn)2%，5%和10%這三種能效損耗比率來(lái)計(jì)算新的生命周期成本，也是希望通過(guò)這三種能效衰減比率盡可能的包含絕大多數(shù)的螺桿機(jī)品牌。
選擇兩種都是75kW的空壓機(jī)，相同的CAGI公布的零點(diǎn)比功率，假設(shè)其購(gòu)置成本和保養(yǎng)成本也相同，計(jì)算出比功率隨著時(shí)間的推移變化如圖10。
針對(duì)表1中的空壓機(jī)，采用新的生命周期成本方式，計(jì)算結(jié)果如表5、圖11。
如果將使用時(shí)間延長(zhǎng)至10年，再次計(jì)算其生命周期成本，那么就要考慮到螺桿機(jī)的大修。在這個(gè)試算案例中，假設(shè)大修費(fèi)用占設(shè)備購(gòu)置成本的50%。對(duì)于瑪泰滑片空壓機(jī)，在其生命周期內(nèi)不存在大修的需求。因此，在本次計(jì)算中，滑片機(jī)的大修費(fèi)用為0（見(jiàn)圖12、13，表6）。
結(jié)論
新的生命周期成本計(jì)算方式，既考慮到了滑片機(jī)能效提升的因素，又考慮到了螺桿機(jī)能效衰減的因素。很顯然，新舊計(jì)算方式在能效成本方面有很大的差異。在螺桿機(jī)能效衰減10%的情況下，經(jīng)過(guò)10年運(yùn)行，加上大修費(fèi)用，終端用戶要多花費(fèi)€168,000。即使在相同的CAGI零點(diǎn)時(shí)刻比功率條件下，螺桿機(jī)的能源消耗成本也是其采購(gòu)成本的3倍有余。這一問(wèn)題必須得到澄清，尤其是考慮到目前正在使用零點(diǎn)時(shí)刻的壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)來(lái)起草新的立法，以幫助遏制當(dāng)前q*變暖危機(jī)。如果沒(méi)有考慮到這些重要信息，那么對(duì)于降低工業(yè)空氣壓縮所消耗能源的新立法，將面臨無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] Climate change 2014: mitigation of climate change - D. Victor, D. Zhou, Intergovernmental panel on climate change 5th assessment report; 2013. p. 34e5
[2]https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_en
[3] International Energy Agency. Redrawing the energy-climate map. World En Outlook Rep 2013:32e3.
[4] Energy saving potential in existing industrial compressors - D. Vittorini, R. Cipollone, Energy 102 2016, 502-515
[5] Influence of thermal dilatation upon design of screw machines - A. Kovacevic, N. Stosic, E. Mujic, I. k. Smith, International Design Conference, Design 2006
[6] Improving screw performance - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, J. Kim, J. Park, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[7] Calculation of rotor interference in screw compressors - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[8] Rotor clearance design and evaluation for an oil injected twin screw compressor - D. Buckney, A. Kovacevic, N. Stosic, 9th International Conference on Compressors and Systems 2015
[9] Compressor handbook - P. C. Hanlon - General Bearing Principles 19.3, McGraw-Hill, 2001
[10] Screw Compressor Wear - Australian Government Department of Industry, Australian Meat Industry Council
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