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1、实验一往复压缩机性能综合测试一、实验目的1 .通过实验掌握压缩机压力、温度、功率、排气量，转速等有关性能参数的测 量方法。研究空气压缩机在转速一定时各状态参数之间的相互关系，并给出 压缩机在不同压力比时，压缩机的容积系数，等温效率以及轴功率的变化曲 线。2 .指示图的录取方法（即气缸内变化压力的测量方法），并对录取的指示图进 行分析研究，深入了解单级压缩机实际工作过程的物理本质。利用录取的指 示图计算压缩机的指示功率，压缩机的容积系数和气阀功率损失。通过实验 分析影响气量、功率的各个因素。3 .熟悉位移传感器的特性要求和使用方法，掌握气阀运动规律的测试方法；对 所录取的气阀阀运动规律进行分析研
2、究并计算提前和延后关闭角。二、实验原理1.压缩机性能实验依据GB/T 3853-1998的附录A一般用容积式空气压缩机性能试验（规范 性附录）的要求进行。对于移动式小型空气压缩机，多为风冷、单级压缩，被测 系统只有压缩机和储气罐，没有独立的冷却器（储气罐兼作后冷器）。性能试验应在规定的保证工况（规定的环境压力、温度）下进行，最终测定或计算出空压 机的排气压力、排气温度、标准容积流量、转速、轴功率、比功率和效率等7个指标。为此需对整个空压机系统的多个热力学参数和机械参数进行测量。其中空压机热力学参数包括：吸气温度、排气温度、吸气压力、排气压力、储气罐压 力和出口容积流量。有些参数需要多个测点。其
3、中，压力测量仪表的误差应在土 0.4%以内，大气压力在土 0.15%以内；吸排气温度和冷却水温度测量的绝对误差 应在±0.2C以内，由于空压机最高排气温度不高于 200C,相当于土 0.1%。 2.排气量的测定我国多采用喷咀截流法测量压缩机的排气量， 具测试装置和喷咀均应符合国 家标准GB15478-1995的规定。压缩机将吸入气体经压缩升压后，排入储气罐稳压，经调节阀进入低压箱降 压整流，再经节流喷咀喷出，喷咀前后形成压差，压差值由压力传感器检测，喷 嘴前气体温度由2个温度传感器检测取平均值，如图 1-1所示。3路信号均以 420mA电流发送给数据采集卡，其检测数据在计算机控制界面
4、上均有显示。据 国标公式便可计算出该运转状态下的排气量。1啧嘴点一出卷计启一宜管段一导怩得一隔忸；6 ,调压明（微固*7调压阀j3一邪气睇评一堆液蹿“。一水快四度计二1 一安全阔八冷一压力表;侧#点 医保温层j一清温点W-噂靖直能/卜-管监+O禽媪图1-1喷嘴流量计系统简图3 .转矩转速和轴功率测量性能试验需要测量空压机的转速和轴功率，要求转速计的精度应优于± 0.5%。通常对于旋转机械的轴功率，可采用三种方法测量：（1）直接测定空压机 的转速和输入转矩，例如采用扭力计或直流测功机，仪器的相对误差应优于土 1%; （2）通过校正过的直流电动机法测定电动机的输出功率，然后乘以传动效 率
5、；（3）传统上多采用用损耗分析法，即先测定电动机的输出功率，然后乘以传 动效率，间接测得轴功率。本实验台采用的是第一种，采用北京航宇华科的PTS881型光电式转矩转速 仪。采用联轴器安装方式如图1-2所示动力轴 联轴器转矩传感器联轴器负载轴图1-2转矩传感器及其联接方式其检测原理如图1-3所示。在扭轴的两端同一条母线上喷涂（或粘贴）由反 光材料组成的形状相同的2个反光条纹，在传感器外壳对应位置固定2个激光头， 该激光头自带激光发射器和激光接收器， 在扭轴转动时，激光头的光源照射到反 光条纹被反射到接收器上，接收器产生电脉冲信号。扭轴空载时，这两组电脉冲 信号之间的相位差与只与反光条纹的安装相对
6、位置有关，该相位差一般称为初始 相位差。在扭轴加上负荷后，扭轴产生扭转变形，使两组电脉冲信号之间的相位 差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比， 从 而可以用来测量转矩。激光来激光久£图1-3转矩传感器检测原理4 .示功图的录取往复压缩机实际工作循环的指示图（或称示功图），反映压缩机在一个工作循环中活塞在每一个位置时气缸气体压力变化的曲线，如图 1-4所示。在录取指 示图时，纵坐标表示气缸内的瞬时压力，而横坐标根据分析的需要可分别以气缸 容积、活塞行程或曲柄转角来表示，因而实际的指示图曲线有以下几种：（1） p-V图（压力一容积图），它反映气缸内压力和气缸
7、容积间的关系；（2） p-s图（压力一行程图），它反映气缸内压力和活塞行程间的关系；（3） p-8图（压力一转角图）,它反映气缸内压力和曲轴转角间的关系；3-这几种图线可以相互转换。其中 p-8图是开式指示图；p-V图和p-s图的形 状相同，都是闭式指示图，即图线自动封闭。p-V图最具直观性和分析价值，但以p- 8图最易获得。通常是先录制p- 8图，然后转换成其它形式的图。图1-4往复压缩机的指示图根据录取的指示图，人们可对压缩机的工作过程作一系列的分析计算。 例如， 根据指示图面积可算出气缸内平均指示压力、 指示功率及气阀功率损失；根据吸 入线长宽可算出容积系数 Ev,根据最高排气压力和最低
8、吸气压力，可求出气缸 内实际压力比；根据气体压力所产生的作用力，可作为动力及强度复核计算的依 据。止匕外，在指示图上还可以分析气阀、活塞环、填料等的泄漏情况，进排气过 程的压力损失情况，压缩及膨胀过程的热交换情况等，进而分析、判断、消除压 缩机运行故障。除了往复压缩机，在内燃机、油田抽油机等装置的测试中，指示 图也有重要的分析价值和广泛的应用。指示图的测录仪器称为指示器，在技术发展过程中曾先后出现机械式、 气电 式和电子式指示器，前两者结构复杂，操作不便，计算和分析依靠手工。电子式 指示器采用非电量电测法获取各种信号， 便于计算机处理，已逐渐取代机械式和 气电式指示器成为技术主流。电子式指示器
9、通过曲轴转角传感器和止点信号发生器， 获得曲轴的角坐标信 息以及转速，这一方面内容参见前一节。外止点位置偏差1。，将造成指示图计算 最大误差达510%,因此，指示图对止点信号准确性的要求更高。电子式指示器利用压力传感器，检测曲轴转角对应的气缸内的瞬时压力。 对 压力传感器的要求是动态响应特性好， 可供指示器利用的传感器类型，目前主要 有压电式、扩散硅压阻式和电阻应变式。后两种传感器的测试电路比较简单， 除 了可以测量压力的稳态值，也常用来测量压力脉动；但是用于测定气缸内压力时受温度的影响比较严重。压电式传感器的测试电路较复杂，但动态特性和稳定性 更优良。这里重点介绍压电传感器的应用。通过在压缩
10、机气缸盖上安装的压力传感器将气缸内的压力转变为微弱的电压信号，经过调理模块处理信号之后，通过接线端子板及一根 37pin电缆连接线 与数据采集板相连。环境温度等其他参数通过相应的传感器及变送器， 以相同的 连接方式进入数据采集板。皮带轮附近安装有霍尔接近开关，皮带轮与接近开关 在压缩机曲轴每旋转一周开始的时候， 产生一个脉冲开关信号，利用它作为开始 采样的启动信号。对应任一压力值的气缸容积可以通过简单的数学计算得到。 数 学计算过程如下：假定压缩机一个工作循环内取样次数为 n （可由计算机来设定），则对应的 第"采样点活塞在气缸中的位移s为-COS"广 L r1 - 1-（
11、：）2sinL2：JJ式中a 一曲轴（曲柄）的转角，« =i 360 （?= 0, 1, 2,，n） nr 一 曲轴（曲柄）半径，本实验 r = 57mmL 一 连杆长度，本实验 L = 250mm则，气缸内气体容积为 V=A?s （A为气缸横截面积）一、IT o_其中a=：d D为活塞直径，D=153mm45 .活塞止点信号由于往复压缩机正常运转时的转速波动不是很大， 经常以活塞内外止点信号 作为被测曲线分析计算的参考基准，中间的转角按时间等分内插。活塞止点信号 的检测方法较多，压缩机技术中常用霍尔式和光电式传感器。传感器的发信端一 般布置在飞轮上，其中霍尔式止点信号发生器可以将一
12、个小磁钢嵌入飞轮轮缘的 内测，用霍尔元件检测；也可以仅仅嵌入一个凸起的小铁块， 用电涡流型传感器 探头检测。而光电式传感器一般采用反射式。传感器的探头安装位置需要精确定 位，即转动飞轮使活塞分别处于内外止点，然后将探头对准发信点（磁钢、铁块或反光条）n霍尔元件三图1-5霍尔止点信号发生器活塞止点信号测录的正确性对测试曲线的分析计算精度有重大影响。除了信号本身特有的误差外，最主要的误差是传感器发送止点信号的时间与实际止点位 置不一致。因而，精确调整止点位置十分重要。调整时一般采用百分表观察活塞 是否在止点位置，并注意旋转方向以及消除轴承间隙。6 .阀片位移的检测阀片的位移一般采用非电量电测技术完
13、成，即先借助各种位移传感器将阀片 的位移量变换成电学量、光学量等的变化，再进行测量。由于气阀的结构和安装 空间非常紧凑，阀片位移的检测，难点在于传感器的设计和安装。常用的位移传 感器主要有电容式、磁电式、电阻式和光电式等，有的传感器的输出信号与位移 之间呈非线性关系，需要后续的电路进行非线性补偿。就传感器安装的位置而言， 有侵入式和暗装式；就传感器的探头与阀片是否接触，亦有接触式和非接触式之 分。接触式安装方式可广泛采用各种类型位移传感器，虽然传感器的精度可以选 得很高，但是这种结构一般都由探头内部弹性回缩机构保持触舌与阀片的接触， 这会向阀片施加额外的弹性力，改变阀片的受力状况，影响测量的真
14、实性。侵入 式安装要占用阀腔或阀孔的流通空间， 增加了气流阻力，同时会改变阀片的受力 状况。对于进气阀，探头多安装在阀座上，可以选则侵入式或暗装式；而对于排 气阀，探头多安装在升程限制器上，但与阀孔相对的弹簧造成的检测障碍， 多数 情况下采用暗装式。对于阀片由导电材料制成的气阀，可采用电涡流式位移传感器测定气阀的运 动规律，它是非接触式位移传感器。其基本原理是：对探头通以交流激励，探头5-的交变磁场在阀片上感生电涡流，该电涡流的次生磁场削弱了探头的自感。 当气 阀工作时，阀片的位移使电涡流及其次生磁场也发生变化， 将阀片的位移转变为 阻抗的变化。安装形式如图1-6所示，其中左侧为暗装形式，即在
15、阀座（或升程 限制器）上非气流通道处开孔安装；右侧安装方式简单，但占用了部分气流通道。引线支架探头图1-6电涡流传感器在环状阀或网状阀上的安装三、实验装置和流程1实验装置整个实验装置的流程图及数据采集系统结构图见图1-7和图1-8。2系统工作流程系统运行后，主程序等待开始采集的命令（测试系统的计算机操作界面上设 置有此按钮），当接受到这一指令后，扫描数据采集板的数字量输入通道，当检 测到信号突变后，转入采样程序，按照要求的采样个数和延迟时间对模拟量输入 通道进行采集和A/D转换，并将所得的结果存入采样数组；转换及存储完毕后， 等待指令进行下一次操作。9一123456 7 8 910 1112
16、13 141516图1-7实验装置简图6调节阀7压力表8 安全阀9稳压罐1消音器 2喷咀3压力传感器4温度传感器5 减压箱10 单向阀11温度传感器 12压力传感器13温度传感器14 吸入阀 15 控制柜16计算机17接近开关图1-8数据采集系统结构图四、实验方法与步骤1 .记录实验时间的大气压力和大气温度。打开计算机，进入系统操作界面。2 .压缩机的启动准备。(1)检查电源线、信号线缆是否完好、连接牢靠。(2)检查油箱油线位置；(3)检查压力表、安全阀等是否正常可靠；(4)检查联轴器、皮带，手动盘车听压缩机内部声音；(5)接通控制柜电源，各仪表指示争取，确认准备工作完成。3 .将出口调节阀全
17、开后按动控制柜上的启动按钮 (2个绿色按钮同时按下)，启动 电机。4 .稳定运行10-15分钟，记录储气罐内压力；5 .记录下压缩机的转速、转矩、吸气温度、排气温度、排气压力、储气罐压力， 喷咀前后的压差、喷咀前温度。6 .点击操作界面上的采样按纽，开式示功图和阀片运动规律便显示在操作界面 上，观察系统采集的图形，可将其数据保存成 excel文件。7 .改变出口调节阀开度，使储气罐罐压力稳定在0.3MPa, 0.4MPa, 0.5MPa,0.6MPa, 0.7MPa,重复步骤 46。8 .按动控制柜上的停止按钮（红色），使电机停止运转，关闭冷却水，打开调压 阀，将稳压罐内气体排空。五、数据处理
18、1.计算输气量和实测流量# 计算输气量:(1-1)Qth = n l ' ' P ' T V VH1.旦 一 Ps其中 2t=0.93, Z0.96,入=0.96,九=1_(”_),一 口=土 VhD2,s, (D =0.153m, S = 0.114mV0= 1.64X 10-4m3) Vh4Qm=18.82Cd2Ts(p) TzPb(1-2)具体参数取值查GB15487-1995相关表格。2 .轴功率计算:(1-3)2 二 n 2 二 .P =T =TT n6060计算中注意各变量采用的单位0表1-1数据记录与整理测量项目单位测量次数123456储气罐设定压力MPa
19、全开0.30.40.50.60.7储气罐实测压力MPa吸气温度C排气温度C排气压力MPa喷咀前后压差kPa喷咀前温度C转速r/min转矩N - m轴功率kW指示功率kW机械效率输气量m3/min比功率kJ/m33 .指示图的分折计算以p-V指示图为基础进行计算。在p-V指示图1-9上，A-B为吸气过程，B-C 为压缩过程，C-D为排气过程，D-A为膨胀过程。主要的计算项目有：Vb - Vd(1-4)图1-9指示图的计算(1)求容积系数加：V B - VeU =V(2)求压力损失 /和沼、实际压比名'及气阀功率损失C:PsPsPd,Pd pd Pd 1'-d;=- ;(1 .、d
20、 -Qs)Ps - PsPs 1 - ' sCs =PdVABEACd =PdVFCDF(3)求指示功 Wi和指示功率Ni：w = PdVNiWin60(1-5)(1-6)(1-7)(1-8)(1-9)(1-10)(1-11)4.阀片运动规律的判别如图1-10所示，阀片从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲轴转角 &、 阀片开始脱离升程限制器直到活塞到达止点所持续时间对应的曲轴转角(2、阀片到达升程限制器直到活塞到达止点这段时间内所对应的曲轴转角(3,检验下述指标：的&<0.7和Ma>2时，表明该气阀有合理的运动规律。图1-10阀片的运动规律的判别 13 六、思考题1 .结合示功图分析压缩比对排气量的影响？2 .示功图的用途是什么？3 .如何由压缩机转速确定活塞止点信号的采集频率?-#-