活塞式壓縮機性能檢測教學實驗臺的開發

劉孝剛

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

活塞式壓縮機性能檢測教學實驗臺的開發

劉孝剛

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

根據活塞式制冷壓縮機性能檢測教學實驗臺的設計組成，從經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，采用傳感器技術，在計算機控制下實現數據采集與輸出，繪制壓縮機的示功圖和性能曲線圖，幫助學生進行壓縮機性能指標的計算和熱力過程分析，滿足高等院校專業教學和科研的不同需求。

性能檢測；實訓教學；測試軟件；數據采集

0 前言

隨著生活水平的不斷提高，制冷與空調產品的應用越來越廣泛，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產品的制冷效果、使用壽命、噪聲和震動，檢測壓縮機各項參數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、產品出廠檢驗、質量抽檢不可缺少的檢測設備，也是高校開展制冷壓縮機教學中不可缺少的實訓設備。所以，根據專業教學需要，開發出適合教學的壓縮機性能檢測實驗臺已成為當務之急。

1 活塞式壓縮機性能檢測實驗臺的應用現狀

活塞式壓縮機是石油化工、礦產機械、制冷與空調行業廣泛應用的機器之一，它具有適用壓力范圍廣、效率高、適用性強等優點。活塞式壓縮機在設計計算、結構參數優化、性能預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勢。隨著現代工業的發展，人們對壓縮機的可靠性和經濟性提出了更高的要求，在壓縮機的性能檢測方面，應用壓縮機熱力學、動力學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品性能已經成為主流。因此，應該積極探索通過壓縮機性能檢測手段預測壓縮機在實際工況下的性能參數，來提升壓縮機產品開發的成功率。

現行的教學用活塞式壓縮機性能檢測實驗臺一般是從企業買入的，它存在以下問題：基礎理論研究不強、產品的二次技術開發能力低、工藝裝備和實驗手段有限制、產品技術與壓縮機教學不銜接，專業教學用的壓縮機實驗臺與企業應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速、長行程、氣閥技術、振動噪聲、摩擦潤滑、新工藝與新材料的應用方面將繼續發展與突破，這也給開發活塞式壓縮機性能檢測教學實驗臺提供了方向。因此，活塞式壓縮機實驗臺的開發無論在專業教學還是學生開展壓縮機技能訓練方面都很重要，對促進工學結合、產學研結合的廣泛開展產生深遠影響。

2 活塞式壓縮機性能實驗臺的開發

2.1 多功能活塞式壓縮機性能檢測實驗臺的開發

根據企業提供的壓縮機性能實驗臺的檢測方法，構建了一套低成本、易操作、基于數據采集與數據處理的教學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等參數，由活塞式制冷壓縮機本體與其配套的電動機及測試系統組成，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，測試系統包括應變式壓力傳感器、磁脈沖傳感器、PLC-818HD控制器、動態應變儀、微機及打印機等。其實驗裝置系統如圖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進行實時動態采集，經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、容積效率、指示功、指示功率等性能參數。

圖1 實驗裝置系統圖

實驗臺主要實現以下功能：可以通過計算機檢測系統對壓縮機的檢測狀態點進行實時監控，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變式壓力傳感器，順時輸出汽缸內的瞬態壓力信號，該信號經橋式整流后通過動態應變儀放大，經過 PLC-818HD控制器轉換為數值量送到計算機，實驗臺能測定活塞曲軸轉速、測定壓力和曲柄轉角信號的同步信號，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數據，這些被采集的檢測點通過數據采集卡采集，可實現計算機可視化界面。

2.2 實驗參數允許偏差

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，轉速1 000 r/min；電機參數：額定功率0.75 kW，額定電壓220 V，額定電流10 A，轉速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果制冷量偏差應在±5%以內，以主要實驗的測量結果作為計算依據。在進行壓縮機性能測試實驗時，系統應達到熱平衡狀態后再進行測量，實驗時間一般不超過1小時，測量數據在熱工況穩定后每隔20分鐘測量1次，直到連續4次的測量結果均不超過表1規定的測量偏差，即測量周期為20分鐘，在測量周期內可以通過控制壓縮機的轉速來改變吸排氣壓力、溫度和流量的實時調節。校核試驗的方法采用水冷冷凝器法，介質的進出口溫差在標定或實驗時，均應不小于5℃，主要實驗和校核實驗應該同時進行測量。

表1 實驗參數允許偏差

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控制器進行數據采集與轉換，ACCESS數據庫軟件進行數據庫的存儲與組織，運用MODBUS通訊進行數據傳輸，可實現對平均壓縮指數、容積效率、指示功、指示功率等性能參數的計算。采樣后的壓力數據以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的計算，并以20分鐘的測量周期對活塞式制冷壓縮機數據進行采集，對以上的參數進行相應的保存打印操作。軟件的測試界面提供了主界面、性能曲線界面、示功圖界面、參數計算界面，可以直觀表達壓縮機的性能參數與性能曲線，如圖2所示。

2.4 測量儀表與控制儀表的應用

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速測量傳感器，磁脈沖傳感器的Z相嚴格保證一轉輸出一個脈沖，利用數據采集卡的脈沖計數功能，軟件計算出主軸的平均轉速，或直接利用數據采集卡的脈沖頻率測量功能得到轉速。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，能實時監測高壓側壓力和低壓側壓力，高壓高于設定壓力或低壓低于設定壓力時，控制器發出控制信號切斷壓縮機電源。

2.5 實驗數據采集

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當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速開至額定轉速，待轉速穩定后逐漸將排氣閥關小，通過控制排氣面積來提高壓縮機的排氣壓力，從而得到同一轉速下不同制冷劑流量點的性能特性。當制冷劑的流量減小到一定值時就會發生喘振或失速，在圖形上部壓力產生了突變，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，此時基本已經退出喘振狀態。將同一轉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，還應返回大流量狀態，然后調至其他轉速，重復這個過程，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 結束語

活塞式壓縮機性能檢測實驗臺可以滿足專業教學要求和技能訓練，實驗臺設計結構簡單、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換成對標準信號，提高了系統的準確性與可靠性，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，可以實時對實驗臺進行監控，測試軟件引入虛擬控件，形成WinXP操作風格的一體化操控界面。實驗臺的開發充分考慮實訓教學的需要，將實驗臺的技術應用與技能實訓相結合，彌補了制冷壓縮機實訓教學的不足。同時，實驗臺的開發為開展壓縮機其他的演示實驗打下了基礎，對高等院校技能人才和企業工程技術人員的培養起到關鍵作用。

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［責任編輯：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。