1、實驗一 往復壓縮機性能綜合測試一、實驗目的1. 通過實驗掌握壓縮機壓力、溫度、功率、排氣量，轉速等有關性能參數的測量方法。研究空氣壓縮機在轉速一定時各狀態參數之間的相互關系，并給出壓縮機在不同壓力比時，壓縮機的容積系數，等溫效率以及軸功率的變化曲線。2. 指示圖的錄取方法（即氣缸內變化壓力的測量方法），并對錄取的指示圖進行分析研究，深入了解單級壓縮機實際工作過程的物理本質。利用錄取的指示圖計算壓縮機的指示功率，壓縮機的容積系數和氣閥功率損失。通過實驗分析影響氣量、功率的各個因素。3. 熟悉位移傳感器的特性要求和使用方法，掌握氣閥運動規律的測試方法；對所錄取的氣閥閥運動規律進行分析研究并計算提前

2、和延后關閉角。二、實驗原理1. 壓縮機性能實驗 依據GB/T 3853-1998的附錄A一般用容積式空氣壓縮機性能試驗（規范性附錄）的要求進行。對于移動式小型空氣壓縮機，多為風冷、單級壓縮，被測系統只有壓縮機和儲氣罐，沒有獨立的冷卻器（儲氣罐兼作后冷器）。性能試驗應在規定的保證工況（規定的環境壓力、溫度）下進行，最終測定或計算出空壓機的排氣壓力、排氣溫度、標準容積流量、轉速、軸功率、比功率和效率等7個指標。為此需對整個空壓機系統的多個熱力學參數和機械參數進行測量。其中空壓機熱力學參數包括：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。有些參數需要多個測點。其中，壓力測量儀表

3、的誤差應在±0.4%以內，大氣壓力在±0.15%以內；吸排氣溫度和冷卻水溫度測量的絕對誤差應在±0.2以內，由于空壓機最高排氣溫度不高于200，相當于±0.1%。2. 排氣量的測定 我國多采用噴咀截流法測量壓縮機的排氣量，其測試裝置和噴咀均應符合國家標準GB15478-1995的規定。壓縮機將吸入氣體經壓縮升壓后，排入儲氣罐穩壓，經調節閥進入低壓箱降壓整流，再經節流噴咀噴出，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電流發送給數據采集卡，其檢測數據在計算機控制界面上均有顯示

4、。據國標公式便可計算出該運轉狀態下的排氣量。圖1-1 噴嘴流量計系統簡圖3. 轉矩轉速和軸功率測量性能試驗需要測量空壓機的轉速和軸功率，要求轉速計的精度應優于±0.5%。通常對于旋轉機械的軸功率，可采用三種方法測量：（1）直接測定空壓機的轉速和輸入轉矩，例如采用扭力計或直流測功機，儀器的相對誤差應優于±1%；（2）通過校正過的直流電動機法測定電動機的輸出功率，然后乘以傳動效率；（3）傳統上多采用用損耗分析法，即先測定電動機的輸出功率，然后乘以傳動效率，間接測得軸功率。本實驗臺采用的是第一種，采用北京航宇華科的PTS881型光電式轉矩轉速儀。采用聯軸器安裝方式如圖1-2所示。

5、圖1-2 轉矩傳感器及其聯接方式 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）由反光材料組成的形狀相同的2個反光條紋，在傳感器外殼對應位置固定2個激光頭，該激光頭自帶激光發射器和激光接收器，在扭軸轉動時，激光頭的光源照射到反光條紋被反射到接收器上，接收器產生電脈沖信號。扭軸空載時，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，該相位差一般稱為初始相位差。在扭軸加上負荷后，扭軸產生扭轉變形，使兩組電脈沖信號之間的相位差發生變化，在彈性變形范圍內，相位差變化的絕對值與轉矩的大小成正比，從而可以用來測量轉矩。圖1-3 轉矩傳感器檢測原理4. 示功圖的錄取往復壓縮機

6、實際工作循環的指示圖（或稱示功圖），反映壓縮機在一個工作循環中活塞在每一個位置時氣缸氣體壓力變化的曲線，如圖1-4所示。在錄取指示圖時，縱坐標表示氣缸內的瞬時壓力，而橫坐標根據分析的需要可分別以氣缸容積、活塞行程或曲柄轉角來表示，因而實際的指示圖曲線有以下幾種：（1）p-V圖（壓力容積圖），它反映氣缸內壓力和氣缸容積間的關系；（2）p-s圖（壓力行程圖），它反映氣缸內壓力和活塞行程間的關系；（3）p-圖（壓力轉角圖），它反映氣缸內壓力和曲軸轉角間的關系； 這幾種圖線可以相互轉換。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值，

7、但以p-圖最易獲得。通常是先錄制p-圖，然后轉換成其它形式的圖。圖1-4 往復壓縮機的指示圖 根據錄取的指示圖，人們可對壓縮機的工作過程作一系列的分析計算。例如，根據指示圖面積可算出氣缸內平均指示壓力、指示功率及氣閥功率損失；根據吸入線長寬可算出容積系數Ev，根據最高排氣壓力和最低吸氣壓力，可求出氣缸內實際壓力比；根據氣體壓力所產生的作用力，可作為動力及強度復核計算的依據。此外，在指示圖上還可以分析氣閥、活塞環、填料等的泄漏情況，進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，進而分析、判斷、消除壓縮機運行故障。除了往復壓縮機，在內燃機、油田抽油機等裝置的測試中，指示圖也有重要的分析價

8、值和廣泛的應用。 指示圖的測錄儀器稱為指示器，在技術發展過程中曾先后出現機械式、氣電式和電子式指示器，前兩者結構復雜，操作不便，計算和分析依靠手工。電子式指示器采用非電量電測法獲取各種信號，便于計算機處理，已逐漸取代機械式和氣電式指示器成為技術主流。 電子式指示器通過曲軸轉角傳感器和止點信號發生器，獲得曲軸的角坐標信息以及轉速，這一方面內容參見前一節。外止點位置偏差1°,將造成指示圖計算最大誤差達510%，因此，指示圖對止點信號準確性的要求更高。 電子式指示器利用壓力傳感器，檢測曲軸轉角對應的氣缸內的瞬時壓力。對壓力傳感器的要求是動態響應特性好，可供指示器利用的傳感器類型，目前主要有

9、壓電式、擴散硅壓阻式和電阻應變式。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態值，也常用來測量壓力脈動；但是用于測定氣缸內壓力時受溫度的影響比較嚴重。壓電式傳感器的測試電路較復雜，但動態特性和穩定性更優良。這里重點介紹壓電傳感器的應用。 通過在壓縮機氣缸蓋上安裝的壓力傳感器將氣缸內的壓力轉變為微弱的電壓信號，經過調理模塊處理信號之后，通過接線端子板及一根37pin電纜連接線與數據采集板相連。環境溫度等其他參數通過相應的傳感器及變送器，以相同的連接方式進入數據采集板。皮帶輪附近安裝有霍爾接近開關，皮帶輪與接近開關在壓縮機曲軸每旋轉一周開始的時候，產生一個脈沖開關信號，利用它作為開始采樣

10、的啟動信號。對應任一壓力值的氣缸容積可以通過簡單的數學計算得到。數學計算過程如下： 假定壓縮機一個工作循環內取樣次數為n（可由計算機來設定），則對應的第個采樣點活塞在氣缸中的位移s為式中 曲軸（曲柄）的轉角，（0，1，2，n）r 曲軸（曲柄）半徑，本實驗 r57mmL 連桿長度，本實驗 L250mm則，氣缸內氣體容積為 VAs （A為氣缸橫截面積）其中，D為活塞直徑，D=153mm5. 活塞止點信號由于往復壓縮機正常運轉時的轉速波動不是很大，經常以活塞內外止點信號作為被測曲線分析計算的參考基準，中間的轉角按時間等分內插?；钊裹c信號的檢測方法較多，壓縮機技術中常用霍爾式和光電式傳感器。傳感器的

11、發信端一般布置在飛輪上，其中霍爾式止點信號發生器可以將一個小磁鋼嵌入飛輪輪緣的內測，用霍爾元件檢測；也可以僅僅嵌入一個凸起的小鐵塊，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，即轉動飛輪使活塞分別處于內外止點，然后將探頭對準發信點（磁鋼、鐵塊或反光條）。圖1-5 霍爾止點信號發生器 活塞止點信號測錄的正確性對測試曲線的分析計算精度有重大影響。除了信號本身特有的誤差外，最主要的誤差是傳感器發送止點信號的時間與實際止點位置不一致。因而，精確調整止點位置十分重要。調整時一般采用百分表觀察活塞是否在止點位置，并注意旋轉方向以及消除軸承間隙。6. 閥片位移的

12、檢測閥片的位移一般采用非電量電測技術完成，即先借助各種位移傳感器將閥片的位移量變換成電學量、光學量等的變化，再進行測量。由于氣閥的結構和安裝空間非常緊湊，閥片位移的檢測，難點在于傳感器的設計和安裝。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系，需要后續的電路進行非線性補償。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，但是這種結構一般都由探頭內部彈性回縮機構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

13、受力狀況，影響測量的真實性。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，同時會改變閥片的受力狀況。對于進氣閥，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，多數情況下采用暗裝式。對于閥片由導電材料制成的氣閥，可采用電渦流式位移傳感器測定氣閥的運動規律，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，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。當氣閥工作時，閥片的位移使電渦流及其次生磁場也發生變化，將閥片的位移轉變為阻抗的變化。安裝形式如圖1-6所示，其中左側為暗裝形式，即在閥座

14、（或升程限制器）上非氣流通道處開孔安裝；右側安裝方式簡單，但占用了部分氣流通道。圖1-6 電渦流傳感器在環狀閥或網狀閥上的安裝三、實驗裝置和流程1 實驗裝置整個實驗裝置的流程圖及數據采集系統結構圖見圖1-7和圖1-8。2 系統工作流程系統運行后，主程序等待開始采集的命令（測試系統的計算機操作界面上設置有此按鈕），當接受到這一指令后，掃描數據采集板的數字量輸入通道，當檢測到信號突變后，轉入采樣程序，按照要求的采樣個數和延遲時間對模擬量輸入通道進行采集和A/D轉換，并將所得的結果存入采樣數組；轉換及存儲完畢后，等待指令進行下一次操作。圖1-7 實驗裝置簡圖 1消音器2噴咀3壓力傳感器4溫度傳感器5

15、減壓箱 6調節閥 7壓力表 8安全閥 9穩壓罐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控制柜16計算機17接近開關圖1-8 數據采集系統結構圖四、實驗方法與步驟1. 記錄實驗時間的大氣壓力和大氣溫度。打開計算機，進入系統操作界面。2. 壓縮機的啟動準備。（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?？煽浚唬?）檢查聯軸器、皮帶，手動盤車聽壓縮機內部聲音；（5）接通控制柜電源，各儀表指示爭取，確認準備工作完成。3. 將出口調節閥全開后按動控制柜上的啟動按鈕(2個綠色按鈕同時按下)，啟動電機。4. 穩定運行10

16、-15分鐘，記錄儲氣罐內壓力；5. 記錄下壓縮機的轉速、轉矩、吸氣溫度、排氣溫度、排氣壓力、儲氣罐壓力，噴咀前后的壓差、噴咀前溫度。6. 點擊操作界面上的采樣按紐，開式示功圖和閥片運動規律便顯示在操作界面上，觀察系統采集的圖形，可將其數據保存成excel文件。7. 改變出口調節閥開度，使儲氣罐罐壓力穩定在0.3MPa，0.4MPa，0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，重復步驟46。8. 按動控制柜上的停止按鈕（紅色），使電機停止運轉，關閉冷卻水，打開調壓閥，將穩壓罐內氣體排空。五、數據處理1 計算輸氣量和實測流量 計算輸氣量： （1-1）其中T=0.93，P=0.96，l=0.96，（D

17、 0.153m, S 0.114mV01.64×10-4m3） 實測流量按下式計算：（1-2）具體參數取值查GB15487-1995相關表格。2. 軸功率計算：（1-3） 計算中注意各變量采用的單位。表1-1 數據記錄與整理測量項目單位測量次數123456儲氣罐設定壓力MPa全開0.30.40.50.60.7儲氣罐實測壓力MPa吸氣溫度排氣溫度排氣壓力MPa噴咀前后壓差kPa噴咀前溫度轉速r/min轉矩N·m軸功率kW指示功率kW機械效率輸氣量m3/min比功率kJ/m33. 指示圖的分折計算 以p-V指示圖為基礎進行計算。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。主要的計算項目有：圖1-9 指示圖的計算（1) 求容積系數v： （1-4）（2）求壓力損失s和d、實際壓比及氣閥功率損失C： （1-5） （1-6） （1-7） （1