無油潤滑渦旋壓縮機動靜渦旋端面摩擦測試裝置*

李 超 孫照嵐 趙 嫚

(蘭州理工大學石油化工學院)

渦旋壓縮機以其效率高、振動小、噪音低及運轉可靠等優勢成為壓縮機領域中的研究熱點[1]。但由于渦旋壓縮機特有的運行方式和結構，使其存在許多摩擦副，因此摩擦功耗使壓縮機輸入功率增大、效率降低，有時摩擦磨損甚至會造成壓縮機事故[2]。因而探究影響摩擦磨損的關鍵因素、降低摩擦功耗、提高壓縮機的可靠性和效率，成為渦旋壓縮機研究的重要課題之一。

通常在進行渦旋壓縮機摩擦損失的分析時，假設渦旋壓縮機內部所有摩擦副的摩擦系數均為一定值，其數值往往都是來自于經驗的估計[3]。實際上，渦旋壓縮機運行時，各摩擦副的摩擦磨損不僅與壓縮機載荷、工況有關，還與摩擦副對偶材料的表面形貌有關。為了研究渦旋壓縮機摩擦副的特性及摩擦磨損的規律和影響因素，筆者依據無油潤滑渦旋壓縮機的工作原理，以動靜渦旋盤端面摩擦副為研究對象，設計了無油潤滑渦旋式壓縮機摩擦特性和動力特性試驗裝置，基于LabVIEW軟件編制了試驗裝置測試信號采集和處理測試系統。試驗裝置可為渦旋壓縮機的理論研究和工程設計提供較好的試驗參考。

1 渦旋壓縮機的工作原理及動靜盤摩擦計算

渦旋壓縮機工作時，動渦旋盤在曲軸和防自轉機構的共同作用下，實現公轉平動運動，并與靜渦旋盤形成多個封閉壓縮腔，且隨曲軸的旋轉周期性變化其大小，借以實現氣體的吸入、壓縮和排出過程[4,5]。渦旋壓縮機在實際運行過程中，動渦旋盤受到的作用力主要有：軸向氣體力Fa，徑向氣體力Fr，切向氣體力Ft，離心慣性力Fe；受到的力矩主要有：傾覆力矩Mm，自轉力矩Mr，曲柄銷施加給動渦盤的驅動力矩Md，小曲拐的防自轉力矩Ms。 動靜渦旋盤之間產生摩擦損耗的主要部位有3處：動靜渦旋盤端面貼合處、動靜渦旋齒徑向嚙合處和渦旋齒頂與渦盤槽底之間[6]。

為了降低軸向氣體力在動靜渦旋盤端面貼合處或渦旋齒頂與渦盤槽底之間產生的摩擦損失，通常在動渦旋盤背側設置背壓平衡腔結構，減小摩擦端面的作用力。由于作用在動渦旋上的軸向氣體力是隨曲軸轉角發生變化的，完全平衡較為困難。當采用背壓平衡腔結構時，動靜渦旋盤軸向作用力產生的摩擦損失Pd-j可表示為：

(1)

式中Dd——動渦盤的直徑；

Fa(θ)——主軸轉角為θ時的軸向氣體作用力；

pb(θ)——背壓腔中的氣體壓力；

μ——動靜渦盤之間的摩擦系數。

背壓腔中的氣體壓力pb(θ)的計算分剛性容器的絕熱吸氣和剛性容器的絕熱放氣兩種。

剛性容器的絕熱吸氣：

(2)

κRTi(θ)

(3)

式中Db——背壓孔直徑；

Vb——背壓腔容積；

ρi(θ)——i時刻(對應θ)的中壓腔中氣體密度。

剛性容器的絕熱放氣：

(4)

κRTb(θ)

(5)

由以上公式可知摩擦損失Pd-j與n、r、pb(θ)、Dd、Fa(θ)、μ的取值有關，當壓縮機結構和運行工況一定時，n、r、Dd為一定值，pb(θ)、Fa(θ)是隨曲軸轉角發生變化，摩擦系數μ不僅與壓縮機載荷、運行工況有關，還與渦旋盤端面的表面形貌有關。通常計算摩擦損失時動渦旋盤與靜渦旋盤端面的摩擦系數選擇μ=0.04～0.09[7]。因此，計算結果與實際狀況有一定誤差。為了探究影響摩擦磨損的關鍵因素，獲得較為準確的摩擦功耗的計算方法，設計了本試驗裝置。

2 試驗裝置的構建

根據無油潤滑渦旋壓縮機的工作原理，動靜渦旋端面摩擦力可通過測量摩擦扭矩獲得，試驗裝置主要由3個模塊組成：硬件部分(試驗臺)、采集部分(信號調理與數據采集卡)和軟件部分(LabVIEW程序編寫)。圖1、2分別表示試驗臺整體構造和動靜渦旋盤簡化形式。試驗臺的主要組成部分有電機、曲軸、支架、小曲拐、動盤、靜盤、扭矩傳感器和砝碼，動盤在曲軸和小曲拐共同作用下，實現公轉平動運動，靜盤、動盤之間通過自潤滑材料實現無油潤滑[8]。通過對變頻器的調節，控制電機轉速，在試驗工況下，與靜盤連接的扭矩傳感器完成被測信號從機械量到電量的轉換，并將扭矩信號送入信號調理電路，信號調理包括信號放大、隔離及濾波等，經過調理后的扭矩信號由數據采集卡進行采集，通過數據采集卡輸入端的A/D轉換后進入計算機，供LabVIEW的開發程序分析和處理。動靜渦旋盤端面摩擦可通過更換不同自潤滑材料實現不同對偶摩擦副的摩擦特性研究。

圖1 試驗臺整體構造

圖2 動靜渦旋盤簡化

3 力學模型分析

動靜盤端面力學分析模型如圖3所示。由扭矩傳感器測量得到的數值主要由兩部分組成，一部分為動靜盤端面的摩擦扭矩，主要是由砝碼的重力Fm和靜盤及靜盤上面的連接部件的重力Fz引起的摩擦力；另一部分是動盤所受到的傾覆力矩產生的附加摩擦力。這些力最終作用到動靜盤的接觸面上(圖3)。

圖3 動靜盤端面力學分析模型

由力矩等于力乘以力臂可知摩擦扭矩Mf：

Mf=Ff·r=μ·F·r

(6)

(7)

Mm=Fd·h

(8)

其中，Mf可通過扭矩傳感器獲得，r為回轉半徑；F=Fm+Fz+Fq，且Fm、Fz很容易測量。Fq為傾覆力矩Mm在y方向施加在摩擦副上的作用力，傾覆力矩產生的主要原因是由于動渦盤離心力作用平面與驅動平面不在同一平面造成的。Fd為動盤離心力，h為動盤重心到自潤滑軸承與曲柄銷接觸距離中心線的軸向高度。

4 數據采集與軟件模塊

數據采集模塊是軟件與硬件間通信的橋梁，是扭矩信號順利、準確地從硬件部分輸入到計算機，并清晰地顯示在LabVIEW程序中的關鍵環節，數據采集模塊的流程圖如圖4所示。扭矩傳感器將動靜盤端面摩擦扭矩的機械量轉化成電量，經信號調理電路調理后，變成可被數據采集卡接受的電壓信號[9]。數據采集卡通過其A/D轉換通道采集輸入信號，利用LabVIEW對所輸入的信號進行顯示、處理、分析和存儲。

圖4 系統采集流程

軟件方面應用LabVIEW軟件平臺對無油潤滑渦旋壓縮機動靜盤端面的摩擦扭矩信號進行采集和分析。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，它用圖標表示函數，用連線表示數據流向。試驗中LabVIEW實現的主要功能包括：扭矩信號采集、數據讀寫及扭矩信號分析等。扭矩信號采集部分可對采樣模式、采樣率和基本信息進行設定，設定完成后點擊運行節點開始測量。數據讀寫部分利用文件I/O中的高速數據流文件(TDMS)對波形圖中顯示的扭矩數據進行讀寫、存儲。信號分析部分，通過波形圖表的顯示，對摩擦扭矩進行直觀的分析；利用信號分析(Express VI)呈現出已采集扭矩信號的極值、平均值和標準方差。結合LabVIEW軟件的優勢，采用結構化設計思路和模塊化編程規則從主體到分支，再到各個細節，然后再研究各細節間的相互關系，并按照結構化設計，將各個細節都編寫成結構完整、相對獨立的程序段[10]。圖5為LabVIEW軟件的界面設計，主要提供了基本信息、基本參數的設定。由軟件的界面可以很方便地得到在轉速不變的情況下，不同對偶摩擦副摩擦扭矩的變化曲線，摩擦扭矩的極值、平均值、標準方差，并通過自相關曲線了解摩擦扭矩的變化規律。

圖5 摩擦扭矩采集及限幅濾波

5 系統測試原理

試驗裝置中對靜盤設有徑向約束，使其無法繞軸線旋轉，動盤隨曲軸作公轉平動運動，扭矩傳感器與靜盤通過螺栓固定連接實現動靜盤之間摩擦扭矩的測量。

6 結束語

依據無油潤滑渦旋壓縮機的工作原理，設計了動、靜渦旋盤端面摩擦試驗測試平臺，并應用LabVIEW編制了動靜渦旋盤端面摩擦扭矩信號采集、存儲、數據處理和實時顯示軟件測試系統。試驗裝置可實現在不同轉速、不同對偶摩擦副條件下，動靜渦旋盤端面摩擦特性參數的測量，可為渦旋壓縮機的理論研究和工程設計提供重要參考。

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