基于示功圖的單級壓縮機排氣量試驗研究與分析

黃增陽 許中琛 姜文雍

摘要：通過對AW-0.67/8型活塞式空壓機的示功圖進行測錄，討論了實際排氣量與余隙容積之間的關系，為空壓機的性能調節和新產品研發提供理論依據。

關鍵詞：空壓機；容積系數；余隙容積；過程方程

中圖分類號：TH452文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.004

基金項目：衢州職業技術學院重點資助基金項目（QZYZ1702）

作者簡介：黃增陽（1986-），男，遼寧沈陽人，碩士，主要從事容積或空壓機檢測工作，E-mail：121433695@qq.com。

通訊作者：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，碩士，主要從事機械制造與自動化方面的科研和教學工作，E-mail：121433695@qq.com。

0前言

空氣壓縮機簡稱空壓機，是一種靠壓縮氣體體積提高氣體壓力能的裝置，主要為氣動工具提供動力源。空壓機在食品、醫藥、化工、石油、天然氣、鋼鐵、造船、石化、電力和冶金等行業有著十分廣泛的應用[1]。排氣量是空壓機一項重要的性能指標，它的大小在空壓機設計之初就已經確定，但在實踐中余隙容積的變化會對實際排氣量產生影響[2]。而傳統的空壓機性能檢測手段和方法并不能確定這一影響，也就無從分析實際排氣量產生變化的原因。鑒于此，本文主要對AW-067/8型活塞式空壓機（單級壓縮）進行示功圖（P-V圖）測錄，并基于示功圖對所得數據進行研究和分析，找出余隙容積與單級壓縮機排氣量之間的關系，為后續空壓機性能調節及新產品的研發提供理論依據。

1試驗裝置

空壓機實際循環示功圖采用機械式螺旋彈簧指示器進行測錄，其原理結構見圖1。

指示器主要由能反映氣缸內壓力變化的小氣缸及反映活塞位移情況的小卷筒組成。氣體由通道進入小氣缸后，變化的氣體壓力會推動小活塞，克服圓柱形彈簧的彈力做往復運動；小卷筒由細繩通過行程縮小器連到十字頭上，將十字頭的往復運動變成小卷筒的回轉擺動。空壓機工作時，如果在小卷筒上卷上一張紙，擺桿上裝上一支用石墨做成的筆，并稍稍觸至小卷筒的紙上，即可錄下所需的示功圖（P-V圖），其縱坐標反映氣缸內壓力的變化，橫坐標反映與壓力相對應的活塞行程的位置。示功圖的測錄和排氣量測試同時進行，指示器安裝在空壓機氣缸蓋上，見圖2。

主要測量的參數為壓縮機曲柄的轉角和與轉角相對應的時刻的氣缸內的壓力。

2試驗

（1）根據試驗用空壓機的排氣壓力（08 MPa），選擇適合的螺旋彈簧，然后將指示器安裝在一個事先準備好的支架平臺上，以便于試驗時操作調節。

（2）將指示器與氣缸缸蓋端部用三通閥和接頭聯接，聯接所用接管的管徑不宜過大或過小，也不能過長，過長會導致余隙容積增加、壓力損失增加，影響測試結果。

（3）將三通閥旋通大氣，在小卷筒上卷好測錄紙，再將小卷筒的細繩掛到空壓機曲軸的掛鉤上。

（4）將指示器與空壓機氣缸聯通，啟動壓縮機，待壓力顯示08 MPa并且運行穩定后，方可測錄示功圖。測錄結束關先閉壓縮機，再取下測錄紙。

3結果

本研究的原始數據涉及到新產品的研發機密，故在此只給出處理之后的示功圖，見圖3。為方便對測錄結果進行研究和分析，示功圖中相應數值均以字母和數字標記。

空壓機在設計階段確定的理論排氣量為標準狀況下的排氣量，用式（1）表示

Q′0=Vs· N0（m3/min）（1）

而實際排氣量Q0只能通過性能檢測獲得，為研究方便，將空壓機的實際排氣量Q0與理論排氣量Q′0的比值定義為進氣系數λ。假設空壓機理論設計與實際測量的轉速相同，且V3=Q0/N0，則有

λ=V3/Vs（2）

式（2）可表示成

λ=（Vs1/Vs）·（Vs2/Vs1）·（V3/Vs2）（3）

令

λv =Vs1/Vs（4）

λP =Vs2/Vs1（5）

λT =V3/Vs2（6）

又空壓機一定程度上存在著泄漏，所以在實際計算中應予以考慮，引入泄露系數λT，但λT具體表達式尚不能確定，只能夠給出一個經驗值[3]。

綜上，空壓機排氣量的計算公式為

Q0=Vs·λv·λT·λP·λL·N0（m3/min）（7）

Vs—行程容積；λL—泄露系數，它考慮到了空壓機所有的泄漏；λv—容積系數；λT—溫度系數；λP—壓力系數；N0—空壓機的額定轉速（r/min）。

4分析

余隙容積包括活塞與氣缸蓋之間的間隙、氣缸至氣閥的通道、氣缸與活塞之間的間隙、活塞桿與氣缸座孔的間隙。在排氣行程終了時，余隙容積中高壓氣體無法排出，進氣行程開始時，高壓氣體膨脹至低于進氣壓力后氣缸才可能開始吸入新的氣體，極大地影響了空壓機的排氣量。

從圖（2）中可以看出，由c點到d點為余隙容積中壓縮空氣的膨脹過程，現假定膨脹過程是按照不變的多變指數m進行的，氣體過程方程

P1（△V1 +Vc）m=P2·（Vc）m（8）

又

λv=Vs1/Vs=（Vs-Vs1）/Vs =△V1/Vs（9）

由式（8）和（9）得到容積系數λv的計算公式

λv=1-α[ε1/m-1]（10）

α—相對余隙容積，α=Vc/Vs；ε—壓力比，ε=P2/P1；m—膨脹指數（多變指數）。

由等式（7）和（10）可知：

（1）行程容積不變時，壓力比和膨脹指數相同的情況下，若相對余隙容積增大，則容積系數減小，容量流量也減小，反之增大。

（2）相對余隙容積和膨脹指數一定時，若壓力比增大，則相應余隙容積內的氣體膨脹至吸氣閥開啟時所占據的氣缸體積增大，容積系數減小，容量流量減小，當壓力比大到一定程度之后，膨脹氣體會占據整個氣缸，空壓機吸氣量等于零，容積流量亦等于零。令λv=0，α=005，通過計算可得ε=234。

對AW-067/8型活塞式空壓機而言，行程容積Vs通常是不會發生改變的，對排氣量無影響；壓力比ε也是確定的，并且由λT、λP、λL、N0引起的排氣量變化在一定條件下可以通過插值法、系數法修正到標準狀況；而余隙容積引起的排氣量變化不能夠修正至標準狀況，因為余隙容積決定了空壓機標準狀況下的實際排氣量，所以不可修正，要想獲得設計的排氣量，必須調節余隙容積。

5結論

示功圖能夠實現余隙容積與實際排氣量的定量分析，通常以容積系數λv=1-α[ε1/m-1]表示余隙容積與實際排氣量的關系。行程容積Vs不變時，余隙容積越小，相對余隙容積α越小，容積系數λv增大，排氣量增大，反之排氣量減小。余隙容積中殘留的高壓氣體壓力越高，排氣量越小。標準狀況下測得實際排氣量偏小時，需要通過減小空壓機余隙容積來提高空壓機的排氣量。

參考文獻：

[1]劉新航.空氣壓縮機組監控系統開發[D].大連：大連理工大學，2006.

[2]周敏，王慶鋒，劉文彬，等.往復壓縮機故障診斷模型技術研究及應用[J].壓縮機技術， 2012（4）：13-15.

[3]鄒正文，周耀密，鄒曉東.活塞式壓縮機指示圖測試裝置的設計及應用[J].機械， 1999（26）：25-28.

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