容積式空壓機瞬態工況性能檢測裝置的研究

姜文雍 黃增陽 毛方 許中琛

摘 要：設計一套容積式空壓機瞬態工況性能檢測裝置，完成其試驗裝置與數據采集裝置的研制，并對一臺W-16/5型容積式空壓機進行性能參數檢測，得到該設備容積流量、排氣溫度、輸入功率、排氣壓力、潤滑油溫度等參數的檢測結果，證明該裝置的可靠性。

關鍵詞：容積式空壓機;性能參數;檢測裝置;容積流量

中圖分類號：TH45??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.002

基金項目：浙江省教育廳一般項目（Y201941532），衢州市科技計劃項目（2018k27）

作者簡介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，講師，主要從事機械制造與自動化方面的科研和教學工作。

0 引言

容積式空壓機是一種靠壓縮空氣體積提供氣體壓力能的裝置，被廣泛應用于化工、造船、石化、石油天然氣、鋼鐵、食品醫藥、電力和冶金等諸多領域，在工業生產中扮演重要角色，與國民經濟的發展密不可分[1]。由于受到各零部件使用壽命的限制，加上外界不確定因素的干擾（意外損傷、人為破壞、氣候環境變化等），容積式空壓機以及各零部件的故障是不可避免的，而在實際生產使用過程中，故障發生時，若得不到及時的發現、定位和處理，將直接威脅到現場工作人員的人身安全并造成經濟損失。但是目前對空壓機的監控依然停留在現場手動控制、人工查表、定時記錄的方式上，主要依靠工人定期檢查收集數據，這樣獲得的數據周期長，并且沒有故障報警功能[2]。當空壓機出現異常狀態時，若無法第一時間得到異常數據，會造成重大損失，甚至危害到人身安全。

鑒于此，項目組自行設計并開發了一套容積式空壓機瞬態工況性能檢測裝置，實現容積式空壓機作業過程中各項性能參數的瞬態檢測。

1 裝置總體設計及工作原理

圖1為容積式空壓機瞬態工況性能測試裝置的結構原理圖。檢測裝置主要由數據采集單元、數據傳輸與處理裝置、測控軟件裝置三部分組成。數據采集單元主要包括排氣溫度、轉速、排氣壓力、容積流量、潤滑油溫度、功率傳感器，為了能夠實現對空壓機瞬態性能的檢測，本裝置中采用的都是采集頻率為20 kHz的高精度傳感器。

數據檢測裝置主要實現性能參數信號的采集與處理，是本設計的核心，其功能由主控制芯片、主控制器輔助電路（信號調理和轉換電路）、各種不同功能的傳感器共同實現。不同功能的傳感器分別安裝在空壓機的相應位置上，由其采集的信號經過放大、濾波、模數轉換后被單片機采集與處理，繼而通過RS485將數據傳輸到上位機。

測控軟件安裝在上位機上，主要實現兩個功能，一是提供人機交互界面，實現操作人員對空壓機工作全過程的監控;二是負責容積式空壓機性能參數數據的深度處理，以較為直觀的圖形或表格等形式顯示實驗結果。其總體結構原理框圖見圖1所示。

2 測試裝置

圖2所示為本測試裝置主要結構，由吸排氣溫度傳感器、吸排氣壓力傳感器、電流互感器、轉速傳感器、數字流量計、信號采集儀、上位機等組成，能夠實現空壓機運行過程中的排氣壓力、排氣溫度、潤滑油溫度、容積流量、功率等性能參數的瞬態檢測和遠程監控。

本測試裝置創新之處在于使用數字式流量計對空壓機瞬態流量進行檢測，通過測量空壓機終端排氣口處的流量，進而計算出空壓機標準吸氣位置的容積流量，計算公式如下

式中 Q1—空壓機容積流量（m3·min-1）;

Q0—通過數字流量計流量（m3·min-1）;

P2—排氣壓力（MPa）;

P1—進氣壓力（MPa）;

T1—進氣溫度（℃）;

T2—排氣溫度（℃）;

R1—空壓機標準吸氣位置處的氣體常數;

R2—空壓機終端排氣位置處的氣體常數。

系統設計的核心是數據采集處理裝置，實現對檢測數據的采集與處理，直接影響最終的測試結果，其主要由傳感器、調理電路、A/D轉換單元、單片機、PC及打印機組成。其數據傳遞過程見圖3。傳感器負責采集信號，其輸出的信號經過調理電路優化后，傳遞給ADCC進行A/D轉換。經A/D轉換后的數字信號經DMA傳輸通道被送至內存，當完成規定數據采集后，MCU將對數據進行濾波，對滿足預設條件的數據進行分析并保存，同時通過串口通信傳遞給上位機測控軟件。

4 測控軟件設計

上位機負責提供人機交互界面，實現操作人員對實驗過程的控制及瞬態檢測結果的讀取。上位機以windows 10裝置為操作平臺，應用VB采用結構化模塊化設計方式編寫測控軟件作為控制與顯示終端，該軟件可實現與下位機的通信，檢測數據的處理、存儲與顯示，并對實驗流程進行總體控制。

5 裝置試驗

裝置開發完成后，以一臺W-1.6/5型容積式空壓機為測試對象，應用本裝置進行試驗研究，試驗按照GB/T3853-2017和JB/T13928-2015相關要求進行，通過空壓機運轉試驗，完成了對該樣機排氣壓力、排氣溫度、潤滑油溫度、容積流量、功率等幾個重要性能參數的瞬態檢測。下表為實驗結果數據。

6 結論

本文設計了一套容積式空壓機性能參數檢測裝置，完成了數據采集裝置的設計開發，并完成了該裝置的搭建。應用本裝置對一臺W-1.6/5型空壓機進行性能參數檢測，得到有效的檢測結果，初步證明了該裝置的可靠性。

參考文獻：

[1] 文麗，戴巨川，袁賢松.空壓機監控系統現狀與發展趨勢[J]. 壓縮機技術， 2013（5）： 48-51.

[2] 李靜.礦用往復式空壓機遠程監測預警及性能測得系統的研發[D]. 北京：北京工業大學，2009.

[3] ?GB/T3853-2017，容積式壓縮機驗收試驗[S].

[4] ?GB/T15487-2015，容積式壓縮機流量測量方法[S].