張玉峰，陳遠(yuǎn)江，雷 潔，彭 磊

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高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

張玉峰，陳遠(yuǎn)江，雷 潔，彭 磊

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

容積效率是衡量高壓空氣壓縮機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文論述了容積效率測(cè)量的基本原理，設(shè)計(jì)了利用氣瓶、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥和計(jì)算機(jī)直接對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)容積效率進(jìn)行測(cè)定的裝置，利用該裝置對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置工作性能穩(wěn)定，平均誤差在3％以?xún)?nèi)，系統(tǒng)測(cè)量精度高，適用范圍廣。

空氣壓縮機(jī) 容積效率 測(cè)量裝置

0 引言

氣動(dòng)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿Σ考强諝鈮嚎s機(jī)，氣動(dòng)系統(tǒng)壓力比較高，因而高壓空氣壓縮機(jī)發(fā)生故障的也比較多。高壓空氣壓縮機(jī)的故障是多方面的，其故障檢測(cè)比較復(fù)雜，高壓空氣壓縮機(jī)工作部分封閉在殼體內(nèi)，難于從外部直接觀測(cè)，測(cè)量；其次高壓空氣壓縮機(jī)故障原因復(fù)雜，例如，氣動(dòng)系統(tǒng)壓力不足，不僅與高壓空氣壓縮機(jī)有關(guān)，還和氣動(dòng)系統(tǒng)壓力控制閥、外負(fù)載的狀態(tài)有關(guān)。近幾十年來(lái)，高壓空氣壓縮機(jī)故障診斷迅速發(fā)展，從早期的專(zhuān)家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)診斷，現(xiàn)已發(fā)展到高壓空氣壓縮機(jī)的在線(xiàn)診斷。

目前，高壓空氣壓縮機(jī)的在線(xiàn)故障診斷技術(shù)主要是以工況監(jiān)視為特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備特征信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析和處理，利用特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷。高壓空氣壓縮機(jī)中有許多相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件，運(yùn)動(dòng)部件相互摩擦并磨損，導(dǎo)致高壓空氣壓縮機(jī)內(nèi)泄漏增大，容積效率下降。此外，高壓空氣壓縮機(jī)橡膠密封件老化，也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)泄漏增大，特別是在常見(jiàn)的活塞式氣動(dòng)缸，活塞密封圈老化失效會(huì)使高壓空氣壓縮機(jī)不能工作，因此測(cè)量高壓空氣壓縮機(jī)容積效率，是高壓空氣壓縮機(jī)在線(xiàn)故障診斷主要技術(shù)之一，在高壓空氣壓縮機(jī)進(jìn)行檢查、維修時(shí)，須對(duì)容積效率進(jìn)行測(cè)定。筆者設(shè)計(jì)了一種高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量裝置，利用容積效率變化對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，精確性高，自動(dòng)化好，非常實(shí)用。

1 容積效率測(cè)量的基本原理

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，氣瓶初時(shí)的空氣質(zhì)量為：

（1）式中，p為氣瓶4容積，為摩爾氣體常數(shù)，為摩爾質(zhì)量。末時(shí)的空氣質(zhì)量為：

（2）

在2-1時(shí)間內(nèi)高壓空氣壓縮機(jī)壓入氣瓶4的空氣質(zhì)量為：

=2-1時(shí)間內(nèi)吸氣狀態(tài)下的空壓機(jī)理論排氣量為：

式中，為高壓空氣壓縮機(jī)工作頻率，g為高壓空氣壓縮機(jī)工作容積，3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，3為環(huán)境溫度，排氣電磁閥1打開(kāi)時(shí)，1=3、1=3。被測(cè)高壓空氣壓縮機(jī)容積效率為：

根據(jù)計(jì)算方法，系統(tǒng)邏輯控制主要是控制進(jìn)氣和排氣電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，當(dāng)達(dá)到一定條件時(shí)監(jiān)測(cè)記錄氣體壓力和溫度，綜合這些參數(shù)，按照公式即可完成容積效率的計(jì)算[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量裝置分為三部分，一是容積效率測(cè)量機(jī)械裝置，二是控制電路的硬件，三是邏輯控制功能軟件。

2.1容積效率測(cè)量機(jī)械裝置

容積效率測(cè)量機(jī)械裝置主要有氣瓶、連接部件、氣電閥和傳感器等。氣瓶4兩端有帶外螺紋的進(jìn)氣口5和排氣口3，排氣口3通過(guò)外螺紋連接有排氣電磁閥1，進(jìn)氣口5通過(guò)外螺紋連接有四通接頭8，四通接頭下接頭13通過(guò)內(nèi)螺紋連接氣瓶進(jìn)氣口5，四通接頭左接頭11通過(guò)內(nèi)螺紋連接壓力傳感器12，右接頭7通過(guò)內(nèi)螺紋連接溫度傳感器6，上接頭10通過(guò)內(nèi)螺紋連接進(jìn)氣電磁閥9。

具體見(jiàn)圖1。

圖1測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2控制電路硬件的設(shè)計(jì)

硬件電路主要涉及氣電閥的控制和傳感器信號(hào)的采集，硬件電路框圖如圖2所示，以單片機(jī)MC9S12XS128為核心控制單元，MC9S12XS128通過(guò)其控制氣電閥專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片L9349實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉控制。同時(shí)，氣電閥的狀態(tài)也能通過(guò)L9349傳遞到MC9S12XS128，實(shí)現(xiàn)氣電閥狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。壓力傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力和溫度，其輸出信號(hào)為4-20 mA電流信號(hào)，電流信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但是不能直接被MC9S12XS128采集，通過(guò)信號(hào)隔離器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5 V的電壓信號(hào)，送入MC9S12XS128的AD模塊。

MC9S12XS128單片機(jī)是NXP公司S12XS系列的一種型號(hào)，是新一代16位微控制器，可以兼容S12XE系列，具有較高的運(yùn)行效率和豐富的外圍設(shè)備接口，同時(shí)具有低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)[2]，S12XS系列運(yùn)行在等待狀態(tài)的情況下可以為所有外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器提供16位寬的訪(fǎng)問(wèn)。

L9349是ST公司設(shè)計(jì)的用來(lái)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的功率器件，具有4路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)通道且每路通道帶有實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋功能，可以直接與MC9S12 XS128單片機(jī)IO接口相連，實(shí)時(shí)識(shí)別電磁閥是否存在短路、開(kāi)路、溫度過(guò)高或負(fù)載太大的情況。同時(shí)，芯片內(nèi)部具有自我保護(hù)和ESD保護(hù)功能，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。L9349與MC9S12XS128連接電路如圖3所示。

圖2 硬件電路框圖

圖3 L9349與MC9S12XS128連接電路圖

邏輯控制功能是通過(guò)軟件，控制儲(chǔ)氣瓶中氣體的流動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)氣壓的精確測(cè)量，由邏輯控制單元實(shí)現(xiàn)

2.3 邏輯控制設(shè)計(jì)

高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量裝置工作時(shí)：將高壓空氣壓縮機(jī)出氣口與進(jìn)氣電磁閥進(jìn)氣口相連，工作時(shí)，打開(kāi)進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥，高壓空氣壓縮機(jī)工作，待高壓空氣壓縮機(jī)工作穩(wěn)定，關(guān)閉排氣電磁閥，計(jì)算機(jī)記下氣瓶初壓力值1、時(shí)間1、溫度1，高壓空氣壓縮機(jī)繼續(xù)工作，到達(dá)設(shè)定的額定壓力值時(shí)計(jì)算機(jī)記下氣瓶壓力值2、時(shí)間2、溫度2，排氣電磁閥打開(kāi)，邏輯控制流程見(jiàn)圖4。

本設(shè)計(jì)的控制需要注意的是，由于數(shù)據(jù)計(jì)算中涉及浮點(diǎn)運(yùn)算的乘除法，而 MC9S12XS128只能進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的浮點(diǎn)運(yùn)算器，系統(tǒng)通過(guò)模擬的方式進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了低成本的控制方式，顯著提高了硬件系統(tǒng)經(jīng)效比[3]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

根據(jù)2.3方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集的數(shù)據(jù)按一定的方法進(jìn)行處理，以減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)處理誤差。本試驗(yàn)中氣瓶初始?jí)毫χ?=0.1 MPa，初始時(shí)間1=0 min，初始溫度1=24℃將其輸入系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)運(yùn)行即可測(cè)得高壓空氣壓縮機(jī)容積效率。如此重復(fù)3～5次，求平均值。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖4 邏輯控制流程圖

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)容積效率測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，平均誤差在3％以?xún)?nèi)。通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：傳感器接入比較簡(jiǎn)便，系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，系統(tǒng)測(cè)量精度高，該裝置適用范圍廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)的迅猛發(fā)展，勢(shì)必對(duì)氣動(dòng)性能檢測(cè)提出更高更快更準(zhǔn)確的要求，而高壓空氣壓縮機(jī)容積效率作為高壓空氣壓縮機(jī)性能檢測(cè)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)氣動(dòng)性能檢測(cè)起著重要的作用。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功，可提高以往高壓空氣壓縮機(jī)容積效率檢測(cè)的不足，適合于氣動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)部門(mén)和檢驗(yàn)中心，方便快捷地對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

[1] 杜慧勇, 謝春華, 王站成. MC9S12DGl28單片機(jī)在頻率測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, (3): 40-42.

[2] 陳森林, 田華. 快速浮點(diǎn)除法運(yùn)算及其在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J]. 陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 32(2): 43-45.

[3] 段國(guó)麗, 張曉東. 單片機(jī)中的浮點(diǎn)乘法運(yùn)算方法[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 18(6): 78-82.

Design of a Volumetric Efficiency Measuring Device for High Pressure Air Compressor

Zhang Yufeng, Chen Yuanjing, Lei Jie, Peng Lei

(Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer School, Wuhan 430075, China)

TH137.31

A

1003-4862（2017）06-0078-03

2016-09-25

張玉峰（1959-），男，教授。研究方向：空氣壓縮機(jī)。