劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

活塞式壓縮機性能檢測教學(xué)實驗臺的開發(fā)

劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

根據(jù)活塞式制冷壓縮機性能檢測教學(xué)實驗臺的設(shè)計組成，從經(jīng)濟性和實用性的角度對活塞式壓縮機性能實驗臺進行開發(fā)，采用傳感器技術(shù)，在計算機控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸出，繪制壓縮機的示功圖和性能曲線圖，幫助學(xué)生進行壓縮機性能指標的計算和熱力過程分析，滿足高等院校專業(yè)教學(xué)和科研的不同需求。

性能檢測；實訓(xùn)教學(xué)；測試軟件；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)用越來越廣泛，活塞式制冷壓縮機的需求量大幅度增加。壓縮機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，檢測壓縮機各項參數(shù)對于改善壓縮機性能和提高制冷效率有著重要意義。壓縮機性能檢測實驗臺是壓縮機帶負荷試運轉(zhuǎn)、產(chǎn)品出廠檢驗、質(zhì)量抽檢不可缺少的檢測設(shè)備，也是高校開展制冷壓縮機教學(xué)中不可缺少的實訓(xùn)設(shè)備。所以，根據(jù)專業(yè)教學(xué)需要，開發(fā)出適合教學(xué)的壓縮機性能檢測實驗臺已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 活塞式壓縮機性能檢測實驗臺的應(yīng)用現(xiàn)狀

活塞式壓縮機是石油化工、礦產(chǎn)機械、制冷與空調(diào)行業(yè)廣泛應(yīng)用的機器之一，它具有適用壓力范圍廣、效率高、適用性強等優(yōu)點。活塞式壓縮機在設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、性能預(yù)測以及制造工藝等方面日趨完善，特別是采用多級壓縮可以獲得比回轉(zhuǎn)式壓縮機高很多的壓縮比，使活塞式壓縮機在高壓壓縮機中有著不可取代的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對壓縮機的可靠性和經(jīng)濟性提出了更高的要求，在壓縮機的性能檢測方面，應(yīng)用壓縮機熱力學(xué)、動力學(xué)計算軟件和壓縮機工作過程模擬軟件等手段來提高壓縮機產(chǎn)品性能已經(jīng)成為主流。因此，應(yīng)該積極探索通過壓縮機性能檢測手段預(yù)測壓縮機在實際工況下的性能參數(shù)，來提升壓縮機產(chǎn)品開發(fā)的成功率。

現(xiàn)行的教學(xué)用活塞式壓縮機性能檢測實驗臺一般是從企業(yè)買入的，它存在以下問題：基礎(chǔ)理論研究不強、產(chǎn)品的二次技術(shù)開發(fā)能力低、工藝裝備和實驗手段有限制、產(chǎn)品技術(shù)與壓縮機教學(xué)不銜接，專業(yè)教學(xué)用的壓縮機實驗臺與企業(yè)應(yīng)用的壓縮機檢測實驗臺還存在一定差距。未來的活塞式壓縮機在轉(zhuǎn)速、長行程、氣閥技術(shù)、振動噪聲、摩擦潤滑、新工藝與新材料的應(yīng)用方面將繼續(xù)發(fā)展與突破，這也給開發(fā)活塞式壓縮機性能檢測教學(xué)實驗臺提供了方向。因此，活塞式壓縮機實驗臺的開發(fā)無論在專業(yè)教學(xué)還是學(xué)生開展壓縮機技能訓(xùn)練方面都很重要，對促進工學(xué)結(jié)合、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的廣泛開展產(chǎn)生深遠影響。

2 活塞式壓縮機性能實驗臺的開發(fā)

2.1 多功能活塞式壓縮機性能檢測實驗臺的開發(fā)

根據(jù)企業(yè)提供的壓縮機性能實驗臺的檢測方法，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)用活塞式壓縮機性能檢測實驗臺，實驗臺主要測試功率10 HP以內(nèi)的活塞式制冷壓縮機，可以確定壓縮機的制冷量、輸入功率、示功圖、性能曲線以及性能系數(shù)等參數(shù)，由活塞式制冷壓縮機本體與其配套的電動機及測試系統(tǒng)組成，輔助以溫度、壓力、流量等傳感器和計算機搭建的測試實驗臺，測試系統(tǒng)包括應(yīng)變式壓力傳感器、磁脈沖傳感器、PLC-818HD控制器、動態(tài)應(yīng)變儀、微機及打印機等。其實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示，實驗臺采用兩缸單級立式氟利昂2F-100系列制冷壓縮機，采用R410A制冷劑，壓縮機進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。利用微機的測試軟件對活塞式壓縮機參數(shù)進行實時動態(tài)采集，經(jīng)計算處理得到展開和封閉的示功圖，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 實驗裝置系統(tǒng)圖

實驗臺主要實現(xiàn)以下功能：可以通過計算機檢測系統(tǒng)對壓縮機的檢測狀態(tài)點進行實時監(jiān)控，獲得2F-100系列制冷壓縮機性能的示功圖，在壓縮機汽缸上安裝應(yīng)變式壓力傳感器，順時輸出汽缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力信號，該信號經(jīng)橋式整流后通過動態(tài)應(yīng)變儀放大，經(jīng)過 PLC-818HD控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送到計算機，實驗臺能測定活塞曲軸轉(zhuǎn)速、測定壓力和曲柄轉(zhuǎn)角信號的同步信號，在圖示飛輪處安裝從電磁脈沖傳感器，測定控制采集壓力的起止信號，經(jīng)計算機的測試軟件處理后得到活塞式壓縮機工作過程的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些被采集的檢測點通過數(shù)據(jù)采集卡采集，可實現(xiàn)計算機可視化界面。

2.2 實驗參數(shù)允許偏差

實驗所采用的主機為2F-100系列壓縮機，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；保險絲管為10 A。壓縮機性能實驗包括主要實驗和校核實驗，在性能測試過程中二者同時測量，校核實驗和主要實驗結(jié)果制冷量偏差應(yīng)在±5%以內(nèi)，以主要實驗的測量結(jié)果作為計算依據(jù)。在進行壓縮機性能測試實驗時，系統(tǒng)應(yīng)達到熱平衡狀態(tài)后再進行測量，實驗時間一般不超過1小時，測量數(shù)據(jù)在熱工況穩(wěn)定后每隔20分鐘測量1次，直到連續(xù)4次的測量結(jié)果均不超過表1規(guī)定的測量偏差，即測量周期為20分鐘，在測量周期內(nèi)可以通過控制壓縮機的轉(zhuǎn)速來改變吸排氣壓力、溫度和流量的實時調(diào)節(jié)。校核試驗的方法采用水冷冷凝器法，介質(zhì)的進出口溫差在標定或?qū)嶒灂r，均應(yīng)不小于5℃，主要實驗和校核實驗應(yīng)該同時進行測量。

表1 實驗參數(shù)允許偏差

2.3 測試軟件

測試軟件采用WinXP平臺下的Visual Basic軟件編寫，界面美觀、操作性與交互性強。軟件由PLC-818HD控制器進行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，ACCESS數(shù)據(jù)庫軟件進行數(shù)據(jù)庫的存儲與組織，運用MODBUS通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)對平均壓縮指數(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，可以進行多邊壓縮指數(shù)的計算，并以20分鐘的測量周期對活塞式制冷壓縮機數(shù)據(jù)進行采集，對以上的參數(shù)進行相應(yīng)的保存打印操作。軟件的測試界面提供了主界面、性能曲線界面、示功圖界面、參數(shù)計算界面，可以直觀表達壓縮機的性能參數(shù)與性能曲線，如圖2所示。

2.4 測量儀表與控制儀表的應(yīng)用

壓縮機軸功率的測量能直接反映壓縮機的制造水平。在活塞式制冷壓縮機中，通常用功率（單位排氣量所消耗的軸功率） 來衡量壓縮機的經(jīng)濟性。壓縮機性能檢測實驗臺用電流互感器和電壓互感器測量電動機的輸入相電流I和相電壓U，然后考慮電機效率和帶傳動的傳動效率，間接得到壓縮機的軸功率。除了壓縮機性能檢測實驗臺裝入傳感器等測量儀器外，本實驗臺采用磁脈沖傳感器作為轉(zhuǎn)速測量傳感器，磁脈沖傳感器的Z相嚴格保證一轉(zhuǎn)輸出一個脈沖，利用數(shù)據(jù)采集卡的脈沖計數(shù)功能，軟件計算出主軸的平均轉(zhuǎn)速，或直接利用數(shù)據(jù)采集卡的脈沖頻率測量功能得到轉(zhuǎn)速。另外，為方便對壓縮機壓力和溫度的實時觀察，在壓縮機進排氣口處安裝真空壓力表與溫度計，配有高低壓力控制器1只，能實時監(jiān)測高壓側(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，控制器發(fā)出控制信號切斷壓縮機電源。

2.5 實驗數(shù)據(jù)采集

壓縮機的性能用特性曲線來表示，活塞式制冷壓縮機在教學(xué)當(dāng)中通常用的特性曲線圖為流量-壓力比圖，實驗時首先將壓縮機轉(zhuǎn)速開至額定轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后逐漸將排氣閥關(guān)小，通過控制排氣面積來提高壓縮機的排氣壓力，從而得到同一轉(zhuǎn)速下不同制冷劑流量點的性能特性。當(dāng)制冷劑的流量減小到一定值時就會發(fā)生喘振或失速，在圖形上部壓力產(chǎn)生了突變，膨脹線向下形成震蕩，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，在排氣末期壓力趨于平穩(wěn)，此時基本已經(jīng)退出喘振狀態(tài)。將同一轉(zhuǎn)速下的這些測點連接起來就成為一條完整的特性曲線。如需不同完整的特性曲線圖，還應(yīng)返回大流量狀態(tài)，然后調(diào)至其他轉(zhuǎn)速，重復(fù)這個過程，可以得到不同的壓縮機性能曲線圖。圖3為活塞式壓縮機額定轉(zhuǎn)速下的特性曲線示意圖。

圖2 測試界面圖

圖3 特性曲線示意圖

3 結(jié)束語

活塞式壓縮機性能檢測實驗臺可以滿足專業(yè)教學(xué)要求和技能訓(xùn)練，實驗臺設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，測試過程直觀快捷、準確方便，實驗臺采用高精度的壓差變送器，測量的壓力值可以快速轉(zhuǎn)換成對標準信號，提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性，PLC-818HD控制器提高了實驗臺的人機交互，測控軟件采用Visual Basic多線程的編程技術(shù)，可以實時對實驗臺進行監(jiān)控，測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。實驗臺的開發(fā)充分考慮實訓(xùn)教學(xué)的需要，將實驗臺的技術(shù)應(yīng)用與技能實訓(xùn)相結(jié)合，彌補了制冷壓縮機實訓(xùn)教學(xué)的不足。同時，實驗臺的開發(fā)為開展壓縮機其他的演示實驗打下了基礎(chǔ)，對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.世界制冷壓縮機現(xiàn)狀及發(fā)展動向[J].壓縮機技術(shù),2001(4):39-46.

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［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：熱能與動力工程。