劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)

劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

根據(jù)活塞式制冷壓縮機(jī)性能檢測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)組成，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度對(duì)活塞式壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用傳感器技術(shù)，在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸出，繪制壓縮機(jī)的示功圖和性能曲線(xiàn)圖，幫助學(xué)生進(jìn)行壓縮機(jī)性能指標(biāo)的計(jì)算和熱力過(guò)程分析，滿(mǎn)足高等院校專(zhuān)業(yè)教學(xué)和科研的不同需求。

性能檢測(cè)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；測(cè)試軟件；數(shù)據(jù)采集

0 前言

隨著生活水平的不斷提高，制冷與空調(diào)產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，活塞式制冷壓縮機(jī)的需求量大幅度增加。壓縮機(jī)的綜合性能直接影響制冷與空調(diào)產(chǎn)品的制冷效果、使用壽命、噪聲和震動(dòng)，檢測(cè)壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于改善壓縮機(jī)性能和提高制冷效率有著重要意義。壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是壓縮機(jī)帶負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)品出廠(chǎng)檢驗(yàn)、質(zhì)量抽檢不可缺少的檢測(cè)設(shè)備，也是高校開(kāi)展制冷壓縮機(jī)教學(xué)中不可缺少的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。所以，根據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要，開(kāi)發(fā)出適合教學(xué)的壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

活塞式壓縮機(jī)是石油化工、礦產(chǎn)機(jī)械、制冷與空調(diào)行業(yè)廣泛應(yīng)用的機(jī)器之一，它具有適用壓力范圍廣、效率高、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；钊綁嚎s機(jī)在設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、性能預(yù)測(cè)以及制造工藝等方面日趨完善，特別是采用多級(jí)壓縮可以獲得比回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)高很多的壓縮比，使活塞式壓縮機(jī)在高壓壓縮機(jī)中有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)壓縮機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，在壓縮機(jī)的性能檢測(cè)方面，應(yīng)用壓縮機(jī)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件和壓縮機(jī)工作過(guò)程模擬軟件等手段來(lái)提高壓縮機(jī)產(chǎn)品性能已經(jīng)成為主流。因此，應(yīng)該積極探索通過(guò)壓縮機(jī)性能檢測(cè)手段預(yù)測(cè)壓縮機(jī)在實(shí)際工況下的性能參數(shù)，來(lái)提升壓縮機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率。

現(xiàn)行的教學(xué)用活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)一般是從企業(yè)買(mǎi)入的，它存在以下問(wèn)題：基礎(chǔ)理論研究不強(qiáng)、產(chǎn)品的二次技術(shù)開(kāi)發(fā)能力低、工藝裝備和實(shí)驗(yàn)手段有限制、產(chǎn)品技術(shù)與壓縮機(jī)教學(xué)不銜接，專(zhuān)業(yè)教學(xué)用的壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與企業(yè)應(yīng)用的壓縮機(jī)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)還存在一定差距。未來(lái)的活塞式壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)行程、氣閥技術(shù)、振動(dòng)噪聲、摩擦潤(rùn)滑、新工藝與新材料的應(yīng)用方面將繼續(xù)發(fā)展與突破，這也給開(kāi)發(fā)活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供了方向。因此，活塞式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)無(wú)論在專(zhuān)業(yè)教學(xué)還是學(xué)生開(kāi)展壓縮機(jī)技能訓(xùn)練方面都很重要，對(duì)促進(jìn)工學(xué)結(jié)合、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的廣泛開(kāi)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 活塞式壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)

2.1 多功能活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)

根據(jù)企業(yè)提供的壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)方法，構(gòu)建了一套低成本、易操作、基于數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的教學(xué)用活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試功率10 HP以?xún)?nèi)的活塞式制冷壓縮機(jī)，可以確定壓縮機(jī)的制冷量、輸入功率、示功圖、性能曲線(xiàn)以及性能系數(shù)等參數(shù)，由活塞式制冷壓縮機(jī)本體與其配套的電動(dòng)機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)組成，輔助以溫度、壓力、流量等傳感器和計(jì)算機(jī)搭建的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)包括應(yīng)變式壓力傳感器、磁脈沖傳感器、PLC-818HD控制器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、微機(jī)及打印機(jī)等。其實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用兩缸單級(jí)立式氟利昂2F-100系列制冷壓縮機(jī)，采用R410A制冷劑，壓縮機(jī)進(jìn)出口處安裝壓力表及壓力傳感器，飛輪上安裝磁力脈沖傳感器。利用微機(jī)的測(cè)試軟件對(duì)活塞式壓縮機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，經(jīng)計(jì)算處理得到展開(kāi)和封閉的示功圖，從而獲得其平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：可以通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)的檢測(cè)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得2F-100系列制冷壓縮機(jī)性能的示功圖，在壓縮機(jī)汽缸上安裝應(yīng)變式壓力傳感器，順時(shí)輸出汽缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)橋式整流后通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大，經(jīng)過(guò) PLC-818HD控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送到計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)能測(cè)定活塞曲軸轉(zhuǎn)速、測(cè)定壓力和曲柄轉(zhuǎn)角信號(hào)的同步信號(hào)，在圖示飛輪處安裝從電磁脈沖傳感器，測(cè)定控制采集壓力的起止信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)的測(cè)試軟件處理后得到活塞式壓縮機(jī)工作過(guò)程的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些被采集的檢測(cè)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)可視化界面。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)允許偏差

實(shí)驗(yàn)所采用的主機(jī)為2F-100系列壓縮機(jī)，氣缸直徑10 cm，活塞行程7.6 cm，綜合余隙距離0.25 cm，轉(zhuǎn)速1 000 r/min；電機(jī)參數(shù)：額定功率0.75 kW，額定電壓220 V，額定電流10 A，轉(zhuǎn)速2 500 r/min；保險(xiǎn)絲管為10 A。壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)包括主要實(shí)驗(yàn)和校核實(shí)驗(yàn)，在性能測(cè)試過(guò)程中二者同時(shí)測(cè)量，校核實(shí)驗(yàn)和主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果制冷量偏差應(yīng)在±5%以?xún)?nèi)，以主要實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果作為計(jì)算依據(jù)。在進(jìn)行壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)后再進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般不超過(guò)1小時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)在熱工況穩(wěn)定后每隔20分鐘測(cè)量1次，直到連續(xù)4次的測(cè)量結(jié)果均不超過(guò)表1規(guī)定的測(cè)量偏差，即測(cè)量周期為20分鐘，在測(cè)量周期內(nèi)可以通過(guò)控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變吸排氣壓力、溫度和流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。校核試驗(yàn)的方法采用水冷冷凝器法，介質(zhì)的進(jìn)出口溫差在標(biāo)定或?qū)嶒?yàn)時(shí)，均應(yīng)不小于5℃，主要實(shí)驗(yàn)和校核實(shí)驗(yàn)應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)允許偏差

2.3 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件采用WinXP平臺(tái)下的Visual Basic軟件編寫(xiě)，界面美觀、操作性與交互性強(qiáng)。軟件由PLC-818HD控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)與組織，運(yùn)用MODBUS通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)的計(jì)算。采樣后的壓力數(shù)據(jù)以P-α圖形式顯示，示功圖以p-V圖顯示，可以進(jìn)行多邊壓縮指數(shù)的計(jì)算，并以20分鐘的測(cè)量周期對(duì)活塞式制冷壓縮機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)以上的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的保存打印操作。軟件的測(cè)試界面提供了主界面、性能曲線(xiàn)界面、示功圖界面、參數(shù)計(jì)算界面，可以直觀表達(dá)壓縮機(jī)的性能參數(shù)與性能曲線(xiàn)，如圖2所示。

2.4 測(cè)量?jī)x表與控制儀表的應(yīng)用

壓縮機(jī)軸功率的測(cè)量能直接反映壓縮機(jī)的制造水平。在活塞式制冷壓縮機(jī)中，通常用功率（單位排氣量所消耗的軸功率） 來(lái)衡量壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)用電流互感器和電壓互感器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的輸入相電流I和相電壓U，然后考慮電機(jī)效率和帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，間接得到壓縮機(jī)的軸功率。除了壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝入傳感器等測(cè)量?jī)x器外，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用磁脈沖傳感器作為轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器，磁脈沖傳感器的Z相嚴(yán)格保證一轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖，利用數(shù)據(jù)采集卡的脈沖計(jì)數(shù)功能，軟件計(jì)算出主軸的平均轉(zhuǎn)速，或直接利用數(shù)據(jù)采集卡的脈沖頻率測(cè)量功能得到轉(zhuǎn)速。另外，為方便對(duì)壓縮機(jī)壓力和溫度的實(shí)時(shí)觀察，在壓縮機(jī)進(jìn)排氣口處安裝真空壓力表與溫度計(jì)，配有高低壓力控制器1只，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力，高壓高于設(shè)定壓力或低壓低于設(shè)定壓力時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)切斷壓縮機(jī)電源。

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

壓縮機(jī)的性能用特性曲線(xiàn)來(lái)表示，活塞式制冷壓縮機(jī)在教學(xué)當(dāng)中通常用的特性曲線(xiàn)圖為流量-壓力比圖，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)至額定轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后逐漸將排氣閥關(guān)小，通過(guò)控制排氣面積來(lái)提高壓縮機(jī)的排氣壓力，從而得到同一轉(zhuǎn)速下不同制冷劑流量點(diǎn)的性能特性。當(dāng)制冷劑的流量減小到一定值時(shí)就會(huì)發(fā)生喘振或失速，在圖形上部壓力產(chǎn)生了突變，膨脹線(xiàn)向下形成震蕩，且偏離了正常位置，如圖3所示，圖形表明，排氣閥片劇烈抖動(dòng)，在排氣末期壓力趨于平穩(wěn)，此時(shí)基本已經(jīng)退出喘振狀態(tài)。將同一轉(zhuǎn)速下的這些測(cè)點(diǎn)連接起來(lái)就成為一條完整的特性曲線(xiàn)。如需不同完整的特性曲線(xiàn)圖，還應(yīng)返回大流量狀態(tài)，然后調(diào)至其他轉(zhuǎn)速，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，可以得到不同的壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)圖。圖3為活塞式壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的特性曲線(xiàn)示意圖。

圖2 測(cè)試界面圖

圖3 特性曲線(xiàn)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

活塞式壓縮機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)教學(xué)要求和技能訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，測(cè)試過(guò)程直觀快捷、準(zhǔn)確方便，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用高精度的壓差變送器，測(cè)量的壓力值可以快速轉(zhuǎn)換成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，PLC-818HD控制器提高了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)交互，測(cè)控軟件采用Visual Basic多線(xiàn)程的編程技術(shù)，可以實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)試軟件引入虛擬控件，形成WinXP操作風(fēng)格的一體化操控界面。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)充分考慮實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)應(yīng)用與技能實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，彌補(bǔ)了制冷壓縮機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)為開(kāi)展壓縮機(jī)其他的演示實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，對(duì)高等院校技能人才和企業(yè)工程技術(shù)人員的培養(yǎng)起到關(guān)鍵作用。

[1]周鶯,張華俊,李積杰,等.世界制冷壓縮機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向[J].壓縮機(jī)技術(shù),2001(4):39-46.

[2]張華俊,王俊,楊曉弟,等.家用空調(diào)壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷與空調(diào),2000(4):10-12+69.

[3]邵雙全,石文星,陳華俊,等.制冷空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜述[J].制冷與空調(diào),2002(3):10-15.

[4]趙軍朋,張薇,王智忠,等.空調(diào)壓縮機(jī)制冷量測(cè)量及其不確定度分析[J].壓縮機(jī)技術(shù),2004(2):5-6+10．

［責(zé)任編輯：陸麗娜］

The Teaching Experiment Platform Development of Piston Compressor Performance Testing

LIU Xiaogang
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

According to the design and composition,the author develops the teaching experiment platform of piston refrigerant compressor performance testing from the economic and practical point of view,uses sensor technique to realize data acquisition and output under computer control,make it possible to draw compressor's indicator diagram and performance curve diagram,helping students calculate compressor's performance index and analyze thermal process,to meet the different needs of specialty teaching and scientific research in universities and colleges.

performance testing;practical teaching;testing software;data acquisition

TH457

A

2095-5928（2014）06-44-04

2014-07-25

劉孝剛（1978-），男，黑龍江海林人，講師，碩士，研究方向：熱能與動(dòng)力工程。