往復(fù)壓縮機(jī)性能綜合測試

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 通過實(shí)驗(yàn)掌握壓縮機(jī)壓力、溫度、功率、排氣量，轉(zhuǎn)速等有關(guān)性能參數(shù)的測量方法。研究空氣壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速一定時(shí)各狀態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系，并給出壓縮機(jī)在不同壓力比時(shí)，壓縮機(jī)的容積系數(shù)，等溫效率以及軸功率的變化曲線。2. 指示圖的錄取方法（即氣缸內(nèi)變化壓力的測量方法），并對錄取的指示圖進(jìn)行分析研究，深入了解單級壓縮機(jī)實(shí)際工作過程的物理本質(zhì)。利用錄取的指示圖計(jì)算壓縮機(jī)的指示功率，壓縮機(jī)的容積系數(shù)和氣閥功率損失。通過實(shí)驗(yàn)分析影響氣量、功率的各個(gè)因素。3. 熟悉位移傳感器的特性要求和使用方法，掌握氣閥運(yùn)動規(guī)律的測試方法；對所錄取的氣閥閥運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析研究并計(jì)算提前和延后關(guān)閉角。二、實(shí)驗(yàn)原理1.

2、 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn) 依據(jù)GB/T 3853-1998的附錄A一般用容積式空氣壓縮機(jī)性能試驗(yàn)（規(guī)范性附錄）的要求進(jìn)行。對于移動式小型空氣壓縮機(jī)，多為風(fēng)冷、單級壓縮，被測系統(tǒng)只有壓縮機(jī)和儲氣罐，沒有獨(dú)立的冷卻器（儲氣罐兼作后冷器）。性能試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的保證工況（規(guī)定的環(huán)境壓力、溫度）下進(jìn)行，最終測定或計(jì)算出空壓機(jī)的排氣壓力、排氣溫度、標(biāo)準(zhǔn)容積流量、轉(zhuǎn)速、軸功率、比功率和效率等7個(gè)指標(biāo)。為此需對整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)熱力學(xué)參數(shù)和機(jī)械參數(shù)進(jìn)行測量。其中空壓機(jī)熱力學(xué)參數(shù)包括：吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力、儲氣罐壓力和出口容積流量。有些參數(shù)需要多個(gè)測點(diǎn)。其中，壓力測量儀表的誤差應(yīng)在0.4%以內(nèi)，大氣壓

3、力在0.15%以內(nèi)；吸排氣溫度和冷卻水溫度測量的絕對誤差應(yīng)在以內(nèi)，由于空壓機(jī)最高排氣溫度不高于200，相當(dāng)于0.1%。2. 排氣量的測定 我國多采用噴咀截流法測量壓縮機(jī)的排氣量，其測試裝置和噴咀均應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB15478-1995的規(guī)定。壓縮機(jī)將吸入氣體經(jīng)壓縮升壓后，排入儲氣罐穩(wěn)壓，經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低壓箱降壓整流，再經(jīng)節(jié)流噴咀噴出，噴咀前后形成壓差，壓差值由壓力傳感器檢測，噴嘴前氣體溫度由2個(gè)溫度傳感器檢測取平均值，如圖1-1所示。3路信號均以420mA電流發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡，其檢測數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)控制界面上均有顯示。據(jù)國標(biāo)公式便可計(jì)算出該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的排氣量。圖1-1 噴嘴流量計(jì)系統(tǒng)簡圖3. 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)

4、速和軸功率測量性能試驗(yàn)需要測量空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和軸功率，要求轉(zhuǎn)速計(jì)的精度應(yīng)優(yōu)于0.5%。通常對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸功率，可采用三種方法測量：（1）直接測定空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，例如采用扭力計(jì)或直流測功機(jī)，儀器的相對誤差應(yīng)優(yōu)于1%；（2）通過校正過的直流電動機(jī)法測定電動機(jī)的輸出功率，然后乘以傳動效率；（3）傳統(tǒng)上多采用用損耗分析法，即先測定電動機(jī)的輸出功率，然后乘以傳動效率，間接測得軸功率。本實(shí)驗(yàn)臺采用的是第一種，采用北京航宇華科的PTS881型光電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。采用聯(lián)軸器安裝方式如圖1-2所示。圖1-2 轉(zhuǎn)矩傳感器及其聯(lián)接方式 其檢測原理如圖1-3所示。在扭軸的兩端同一條母線上噴涂（或粘貼）由反光材料

5、組成的形狀相同的2個(gè)反光條紋，在傳感器外殼對應(yīng)位置固定2個(gè)激光頭，該激光頭自帶激光發(fā)射器和激光接收器，在扭軸轉(zhuǎn)動時(shí)，激光頭的光源照射到反光條紋被反射到接收器上，接收器產(chǎn)生電脈沖信號。扭軸空載時(shí)，這兩組電脈沖信號之間的相位差與只與反光條紋的安裝相對位置有關(guān)，該相位差一般稱為初始相位差。在扭軸加上負(fù)荷后，扭軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使兩組電脈沖信號之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化的絕對值與轉(zhuǎn)矩的大小成正比，從而可以用來測量轉(zhuǎn)矩。圖1-3 轉(zhuǎn)矩傳感器檢測原理4. 示功圖的錄取往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)際工作循環(huán)的指示圖（或稱示功圖），反映壓縮機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中活塞在每一個(gè)位置時(shí)氣缸氣體壓力變化的曲線，如圖

6、1-4所示。在錄取指示圖時(shí)，縱坐標(biāo)表示氣缸內(nèi)的瞬時(shí)壓力，而橫坐標(biāo)根據(jù)分析的需要可分別以氣缸容積、活塞行程或曲柄轉(zhuǎn)角來表示，因而實(shí)際的指示圖曲線有以下幾種：（1）p-V圖（壓力容積圖），它反映氣缸內(nèi)壓力和氣缸容積間的關(guān)系；（2）p-s圖（壓力行程圖），它反映氣缸內(nèi)壓力和活塞行程間的關(guān)系；（3）p-圖（壓力轉(zhuǎn)角圖），它反映氣缸內(nèi)壓力和曲軸轉(zhuǎn)角間的關(guān)系； 這幾種圖線可以相互轉(zhuǎn)換。其中p-圖是開式指示圖；p-V圖和p-s圖的形狀相同，都是閉式指示圖，即圖線自動封閉。p-V圖最具直觀性和分析價(jià)值，但以p-圖最易獲得。通常是先錄制p-圖，然后轉(zhuǎn)換成其它形式的圖。圖1-4 往復(fù)壓縮機(jī)的指示圖 根據(jù)錄取的指示

7、圖，人們可對壓縮機(jī)的工作過程作一系列的分析計(jì)算。例如，根據(jù)指示圖面積可算出氣缸內(nèi)平均指示壓力、指示功率及氣閥功率損失；根據(jù)吸入線長寬可算出容積系數(shù)Ev，根據(jù)最高排氣壓力和最低吸氣壓力，可求出氣缸內(nèi)實(shí)際壓力比；根據(jù)氣體壓力所產(chǎn)生的作用力，可作為動力及強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算的依據(jù)。此外，在指示圖上還可以分析氣閥、活塞環(huán)、填料等的泄漏情況，進(jìn)排氣過程的壓力損失情況，壓縮及膨脹過程的熱交換情況等，進(jìn)而分析、判斷、消除壓縮機(jī)運(yùn)行故障。除了往復(fù)壓縮機(jī)，在內(nèi)燃機(jī)、油田抽油機(jī)等裝置的測試中，指示圖也有重要的分析價(jià)值和廣泛的應(yīng)用。 指示圖的測錄儀器稱為指示器，在技術(shù)發(fā)展過程中曾先后出現(xiàn)機(jī)械式、氣電式和電子式指示器，前兩者

8、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，計(jì)算和分析依靠手工。電子式指示器采用非電量電測法獲取各種信號，便于計(jì)算機(jī)處理，已逐漸取代機(jī)械式和氣電式指示器成為技術(shù)主流。 電子式指示器通過曲軸轉(zhuǎn)角傳感器和止點(diǎn)信號發(fā)生器，獲得曲軸的角坐標(biāo)信息以及轉(zhuǎn)速，這一方面內(nèi)容參見前一節(jié)。外止點(diǎn)位置偏差1,將造成指示圖計(jì)算最大誤差達(dá)510%，因此，指示圖對止點(diǎn)信號準(zhǔn)確性的要求更高。 電子式指示器利用壓力傳感器，檢測曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的氣缸內(nèi)的瞬時(shí)壓力。對壓力傳感器的要求是動態(tài)響應(yīng)特性好，可供指示器利用的傳感器類型，目前主要有壓電式、擴(kuò)散硅壓阻式和電阻應(yīng)變式。后兩種傳感器的測試電路比較簡單，除了可以測量壓力的穩(wěn)態(tài)值，也常用來測量壓力脈動；但是用

9、于測定氣缸內(nèi)壓力時(shí)受溫度的影響比較嚴(yán)重。壓電式傳感器的測試電路較復(fù)雜，但動態(tài)特性和穩(wěn)定性更優(yōu)良。這里重點(diǎn)介紹壓電傳感器的應(yīng)用。 通過在壓縮機(jī)氣缸蓋上安裝的壓力傳感器將氣缸內(nèi)的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾妷盒盘?，?jīng)過調(diào)理模塊處理信號之后，通過接線端子板及一根37pin電纜連接線與數(shù)據(jù)采集板相連。環(huán)境溫度等其他參數(shù)通過相應(yīng)的傳感器及變送器，以相同的連接方式進(jìn)入數(shù)據(jù)采集板。皮帶輪附近安裝有霍爾接近開關(guān)，皮帶輪與接近開關(guān)在壓縮機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)一周開始的時(shí)候，產(chǎn)生一個(gè)脈沖開關(guān)信號，利用它作為開始采樣的啟動信號。對應(yīng)任一壓力值的氣缸容積可以通過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算得到。數(shù)學(xué)計(jì)算過程如下： 假定壓縮機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)取樣次數(shù)為n

10、（可由計(jì)算機(jī)來設(shè)定），則對應(yīng)的第個(gè)采樣點(diǎn)活塞在氣缸中的位移s為式中 曲軸（曲柄）的轉(zhuǎn)角，（0，1，2，n）r 曲軸（曲柄）半徑，本實(shí)驗(yàn) r57mmL 連桿長度，本實(shí)驗(yàn) L250mm則，氣缸內(nèi)氣體容積為 VAs （A為氣缸橫截面積）其中，D為活塞直徑，D=153mm5. 活塞止點(diǎn)信號由于往復(fù)壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速波動不是很大，經(jīng)常以活塞內(nèi)外止點(diǎn)信號作為被測曲線分析計(jì)算的參考基準(zhǔn)，中間的轉(zhuǎn)角按時(shí)間等分內(nèi)插?；钊裹c(diǎn)信號的檢測方法較多，壓縮機(jī)技術(shù)中常用霍爾式和光電式傳感器。傳感器的發(fā)信端一般布置在飛輪上，其中霍爾式止點(diǎn)信號發(fā)生器可以將一個(gè)小磁鋼嵌入飛輪輪緣的內(nèi)測，用霍爾元件檢測；也可以僅僅嵌入一個(gè)凸

11、起的小鐵塊，用電渦流型傳感器探頭檢測。而光電式傳感器一般采用反射式。傳感器的探頭安裝位置需要精確定位，即轉(zhuǎn)動飛輪使活塞分別處于內(nèi)外止點(diǎn)，然后將探頭對準(zhǔn)發(fā)信點(diǎn)（磁鋼、鐵塊或反光條）。圖1-5 霍爾止點(diǎn)信號發(fā)生器 活塞止點(diǎn)信號測錄的正確性對測試曲線的分析計(jì)算精度有重大影響。除了信號本身特有的誤差外，最主要的誤差是傳感器發(fā)送止點(diǎn)信號的時(shí)間與實(shí)際止點(diǎn)位置不一致。因而，精確調(diào)整止點(diǎn)位置十分重要。調(diào)整時(shí)一般采用百分表觀察活塞是否在止點(diǎn)位置，并注意旋轉(zhuǎn)方向以及消除軸承間隙。6. 閥片位移的檢測閥片的位移一般采用非電量電測技術(shù)完成，即先借助各種位移傳感器將閥片的位移量變換成電學(xué)量、光學(xué)量等的變化，再進(jìn)行測量。

12、由于氣閥的結(jié)構(gòu)和安裝空間非常緊湊，閥片位移的檢測，難點(diǎn)在于傳感器的設(shè)計(jì)和安裝。常用的位移傳感器主要有電容式、磁電式、電阻式和光電式等，有的傳感器的輸出信號與位移之間呈非線性關(guān)系，需要后續(xù)的電路進(jìn)行非線性補(bǔ)償。就傳感器安裝的位置而言，有侵入式和暗裝式；就傳感器的探頭與閥片是否接觸，亦有接觸式和非接觸式之分。接觸式安裝方式可廣泛采用各種類型位移傳感器，雖然傳感器的精度可以選得很高，但是這種結(jié)構(gòu)一般都由探頭內(nèi)部彈性回縮機(jī)構(gòu)保持觸舌與閥片的接觸，這會向閥片施加額外的彈性力，改變閥片的受力狀況，影響測量的真實(shí)性。侵入式安裝要占用閥腔或閥孔的流通空間，增加了氣流阻力，同時(shí)會改變閥片的受力狀況。對于進(jìn)氣閥，

13、探頭多安裝在閥座上，可以選則侵入式或暗裝式；而對于排氣閥，探頭多安裝在升程限制器上，但與閥孔相對的彈簧造成的檢測障礙，多數(shù)情況下采用暗裝式。對于閥片由導(dǎo)電材料制成的氣閥，可采用電渦流式位移傳感器測定氣閥的運(yùn)動規(guī)律，它是非接觸式位移傳感器。其基本原理是：對探頭通以交流激勵(lì)，探頭的交變磁場在閥片上感生電渦流，該電渦流的次生磁場削弱了探頭的自感。當(dāng)氣閥工作時(shí)，閥片的位移使電渦流及其次生磁場也發(fā)生變化，將閥片的位移轉(zhuǎn)變?yōu)樽杩沟淖兓０惭b形式如圖1-6所示，其中左側(cè)為暗裝形式，即在閥座（或升程限制器）上非氣流通道處開孔安裝；右側(cè)安裝方式簡單，但占用了部分氣流通道。圖1-6 電渦流傳感器在環(huán)狀閥或網(wǎng)狀閥上

14、的安裝三、實(shí)驗(yàn)裝置和流程1 實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的流程圖及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1-7和圖1-8。2 系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)運(yùn)行后，主程序等待開始采集的命令（測試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)操作界面上設(shè)置有此按鈕），當(dāng)接受到這一指令后，掃描數(shù)據(jù)采集板的數(shù)字量輸入通道，當(dāng)檢測到信號突變后，轉(zhuǎn)入采樣程序，按照要求的采樣個(gè)數(shù)和延遲時(shí)間對模擬量輸入通道進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換，并將所得的結(jié)果存入采樣數(shù)組；轉(zhuǎn)換及存儲完畢后，等待指令進(jìn)行下一次操作。圖1-7 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖 1消音器2噴咀3壓力傳感器4溫度傳感器5減壓箱 6調(diào)節(jié)閥 7壓力表 8安全閥 9穩(wěn)壓罐10單向閥11溫度傳感器12壓力傳感器 13溫度傳感器 14吸入閥15控制

15、柜16計(jì)算機(jī)17接近開關(guān)圖1-8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1. 記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間的大氣壓力和大氣溫度。打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)操作界面。2. 壓縮機(jī)的啟動準(zhǔn)備。（1）檢查電源線、信號線纜是否完好、連接牢靠。（2）檢查油箱油線位置；（3）檢查壓力表、安全閥等是否正常可靠；（4）檢查聯(lián)軸器、皮帶，手動盤車聽壓縮機(jī)內(nèi)部聲音；（5）接通控制柜電源，各儀表指示爭取，確認(rèn)準(zhǔn)備工作完成。3. 將出口調(diào)節(jié)閥全開后按動控制柜上的啟動按鈕(2個(gè)綠色按鈕同時(shí)按下)，啟動電機(jī)。4. 穩(wěn)定運(yùn)行10-15分鐘，記錄儲氣罐內(nèi)壓力；5. 記錄下壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、吸氣溫度、排氣溫度、排氣壓力、儲氣罐壓力，噴咀前后的壓差、

16、噴咀前溫度。6. 點(diǎn)擊操作界面上的采樣按紐，開式示功圖和閥片運(yùn)動規(guī)律便顯示在操作界面上，觀察系統(tǒng)采集的圖形，可將其數(shù)據(jù)保存成excel文件。7. 改變出口調(diào)節(jié)閥開度，使儲氣罐罐壓力穩(wěn)定在0.3MPa，0.4MPa，0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，重復(fù)步驟46。8. 按動控制柜上的停止按鈕（紅色），使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉冷卻水，打開調(diào)壓閥，將穩(wěn)壓罐內(nèi)氣體排空。五、數(shù)據(jù)處理1 計(jì)算輸氣量和實(shí)測流量 計(jì)算輸氣量： （1-1）其中T=0.93，P=0.96，l=0.96，V010-4m3） 實(shí)測流量按下式計(jì)算：（1-2）具體參數(shù)取值查GB15487-1995相關(guān)表格。2. 軸功率計(jì)算：（1-3） 計(jì)算中注意各變量采用的單位。表1-1 數(shù)據(jù)記錄與整理測量項(xiàng)目單位測量次數(shù)123456儲氣罐設(shè)定壓力MPa全開0.7儲氣罐實(shí)測壓力MPa吸氣溫度排氣溫度排氣壓力MPa噴咀前后壓差kPa噴咀前溫度轉(zhuǎn)速r/min轉(zhuǎn)矩Nm軸功率kW指示功率kW機(jī)械效率輸氣量m3/min比功率kJ/m33. 指示圖的分折計(jì)算 以p-V指示圖為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。在p-V指示圖1-9上，A-B為吸氣過程，B-C為壓縮過程，C-D為排氣過程，D-A為膨脹過程。主要的計(jì)算項(xiàng)目有：圖1-9 指示圖的計(jì)算（1) 求容積系數(shù)v：（1-4）（2）求壓力損失s和d、實(shí)際壓比及氣閥功率損失C： （1-5） （1-6） （1