随着科技的进步与社会的发展，船舶行业发生了巨大变化，越来越多的先进技术被运用到船舶的制造与运行之中。人口移动与商业贸易的发展促使了船舶向大型化、自动化、节能化发展。因此在船舶设计制造时会着重考虑船舶设备的选择，会选择自动化程度、能量转化率高的设备，还会选择节能型的设备以提高经济效益^[1]。

在船舶行业中，空气压缩机应用广泛。空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。在船舶行业中它担负着为整艘船中所有气动元件，各种气动阀门提供气源的职责。按空压机^[2]的驱动可划分为:电动空压机、柴油空压机和蒸汽动力空压机。由于电功空压机使用方便,工车可靠,维修简便,故在舰船上应用极为广泛。船用空压机按压力可划分为:低压空压机(压力在10公斤/厘米³以内)、中压空压机(压力在10~80公斤/厘米³内）和高压空压机(压力在100~400公斤/厘米³内）。由于储存高压空气可以节省气瓶体积和重量,因而船舶一般均在高压下保存空气,除供高压系统用气外,减压后再供中压或低压系统使用。当需要中压或低压气量 较大或更方使时才配备中压或低压压气机。

空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，往复式压缩机，离心式压缩机。现在最常用的空压机是活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机(螺杆空气压缩机又分为双螺杆空气压缩机和单螺杆空气压缩机)。喷油螺杆式空压机整机结构全封闭、体积小、低噪声、振动小、免维护、没有易损件、高效率、无需安装基础、运行稳定可靠，压缩空气质量较高，更加节能。但由于是进口机组所以价格相对于国产机组较高。活塞式空气压缩机属于中高压压缩机#8194;整机效率高、气量足、可靠性高、寿命相对较长、振动小、噪音小、排气温度低、油耗低。不过活塞式空压机结构复杂、适合中高压空气压缩机，不适用低压，机组运行噪音相对螺杆式较高，零部件容易损坏，维修频率稍高，所以目前使用螺杆式空压机为主流趋势。

空压机最主要的能源消耗是电能。因此找到空压机耗能的原因，有针对性的解决，才能进行能效的提升^[3]。由于传统的机械改造与电气改造方式基本上已经定型，无法做出特别大的改动^[4]，因此在国内外的各位学者的研究中，在节能方面提出的主要改进几乎是相同的，大体上可以总结为以下三点：①使用PLC控制代替继电器控制；②为空压机安装变频器进行变频调节；③安装余热回收系统或对原有系统进行节能改造。

首先，空压机在船舶行业中的主要的作用是：产生压缩空气，进而保证柴油机的正常启动及换向，并实现主、辅设备的自动控制。在船舶运行过程中，空压机启动与停止的情况十分频繁，且传统的空气压缩机对于船舶机械的控制不精准、产生的噪音大、故障多等。为改变以上问题，PLC 控制系统应用于船用空压机上十分必要，其能够实现空气压缩机的自动控制，使相关操作人员的操作更加方便，并优化了船舶中的辅空压机的启动条件，使船舶运行过程中辅空压机启动更加精准；根据其用气的实际情况，提高船舶运行的效率，更加节能^[5]。国内学者童法松^[6]在其研究中，对空压机组的控制系统进行了改造设想，通过运用PLC控制系统使空压机能够实现手动、自动两种控制方式；人机界面交互性能良好，可修改启停延时时间等参数设置。另一位学者郭力晓^[7]通过应用PLC可编程控制单元，实现了顺序控制功能、联动保护功能、故障报警处理功能。

其次，空气压缩机工作时总是在重复满载－卸荷的工作方式^[8]。由于结构原理等因素，空气压缩机存在一些技术缺陷，当输出压力大于一定值时，泄载阀门自动打开，使电动机发生空转，电能浪费严重。针对这个问题，在诸多的研究中都选择了安装变频器来解决。通过使用变频控制，可以使空气压缩机在不改变电动机转矩的条件下调节电动机的转速，从而达到调节系统压力的目的，并能够按照需要输出压缩空气^[9]。学者童法松^[10]在论文中对某企业进行空压机的改造中加装了变频器，经过调试后节能效果显著。颜世凡^[11]对炼铁厂360m2烧结机2# 环冷鼓风机进行变频改造，通过估算全年可节约电能20万度左右。因此为空压机加装变频器可以极大程度上的节约电能。根据^[8]研究，运用变频器进行速度控制还可以延长空压机的使用寿命、提高空压机的压力控制精度。所以在船用空压机上采用变频手段可以极大程度的提高其工作性能。

最后，空压机在长期、连续的运行过程中，把电能转换为机械能，机械能转换为高压压缩空气。在机械能转换为高压压缩空气过程中，空压机螺杆的调整旋转产生的大量热量，经润滑油带出机体外，最后冷却系统以风冷或水冷的形式再把热量散发出去，造成热能量的浪费和流失。吕国录^[12]指出通过对空压机的后冷却器进行改造，将空压机运行时油气的热量通过热交换装置传递给常温水，可实现热能利用。一方面空压机运行温度降低，从而保障了空压机能够高效正常运行，提高产气效率；另一方面油气的废热可得到回收利用，减少压缩气体后处理的能耗。由于润滑油的温度值相对来讲不高，但可作为辅助热源为常温水加热提供换热量，再利用压缩空气的余热，进一步增大换热量，提高供水温度。

除了节能方面，在国内学者的研究中对于空压机振动噪声也多次涉及。空压机在制造高压气过程中，设备不可避免的会发生振动及噪声，且在长年使用下，振动与噪音会逐渐增加。空压机为高速运转设备，振动超标会导致设备运转的不稳定，增加故障率，并且会导致空压机机械效率降低，因此需对空压机的振动及噪声进行控制^[13]。邹祥依^[14]设计带隔声罩空压机组浮筏隔振系统来实现噪声与振动的控制。在王国治^[15]的研究中也采用了相同手段，采用隔振浮筏系统来抑制船舶的舱室噪声与水下辐射噪声。虽然要尽量控制噪声，但是振动信号也是检验空压机是否出现故障的一项依据。吴诗谦^[16]利用小波变换对数据进行去噪，通过时域和频域的分析，找出故障源，提出维修方案，并对维修后振动进行测试以验证检修效果。

总的来说，目前船用空压机的设计趋势向着节能、减振、降噪发展。国内的研究成果丰硕，但是距国外研究还有一定的差距。Chen Liu^[17]对空压机的噪声进行了声学分析，并对故障进行预测。杂志中Filtration amp; Separation^[18]杂志中对空气的过滤和分离进行了详细的研究。V. N. Kostyukov^[19]叙述俄罗斯在自动化监控中对各项参数设立标准。虽然有所差距，但是未来的发展趋势还是可以预见：空压机国产化已经是必然的结果。

为了对空压机进行优化改造，必须深入研究空压机的工作原理，分析产生噪声振动的原因，监测空压机的耗能情况。因此进行船用空压机的设计技术与发展分析研究具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。