活塞式壓縮機性能測試實驗教學中的一些探索

葉建軍 謝軍龍 王嘉冰

[摘 要] 針對目前活塞式壓縮機性能測試實驗教學中存在的一些問題，從實驗前的預習、實驗內容、實驗項目、實驗過程及實驗報告等幾個方面做出探索，讓學生能夠更好地理解活塞式壓縮機性能測試的目的和意義，掌握實驗測試過程原理和實驗內容，獨立分析實驗數據并完成實驗報告。通過研究型實驗探索，將實驗教學和實驗研究有機結合，使得學生積極思考，增強學習興趣，更扎實地掌握實驗內容，達到更好的實驗教學效果。

[關鍵詞] 活塞式壓縮機;實驗教學;實驗指導書;研究型實驗;實驗報告

[作者簡介] 葉建軍（1981—），男，湖北鄂州人，博士，華中科技大學能源與動力工程學院副教授，主要從事流體機械教學與科研工作;謝軍龍（1970—），男，福建龍巖人，博士，華中科技大學能源與動力工程學院研究員，主要從事流體機械及裝備相關的教學與科研工作;王嘉冰（1973—），女，湖南長沙人，博士，華中科技大學能源與動力工程學院副教授，主要從事風機優化及仿真方面的教學及科研工作。

[中圖分類號] TH45? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0384-03? ? [收稿日期] 2020-04-14

一、前言

活塞式壓縮機作為基礎工業裝備，廣泛應用于石油化工、機械制造、冶金、制冷、礦山、紡織等工業生產的各個領域[1-4]。活塞式壓縮機作為一種典型的容積式流體機械設備，對于能源動力相關專業的本科生來說，掌握活塞式壓縮機工作原理，了解其工作過程和特點很有必要。對于學生來說，需要培養綜合素質，既要注重理論知識的學習，同時也要注重實踐鍛煉以及解決實際問題的能力[5-6]。對于活塞式壓縮機教學來說，除了課堂講授基本理論之外，活塞式壓縮機性能測試實驗也是課程教學的重要組成部分。通過實驗進行實際動手測試，更能加深學生對活塞式壓縮機的理解，加強學生對活塞式壓縮機課程的學習效果，也可以培養學生的實際動手能力，提高學生的實踐能力和自主創造能力，培養和提高學生的創新、創業、創造精神和能力[7-8]。在以往的實驗教學中，學生在上實驗課前往往對于實驗目的和實驗內容不是很了解，實驗過程中也往往以老師講授和操作為主，學生實際操作和動手機會較少，導致部分學生不能深層次地思考實驗的意義，同組次實驗結果和數據雷同，很多學生無法獨立進行分析和探討，實驗效果有所欠缺。針對這種情況，本文結合容積式壓縮機性能測試實驗教學工作，從實驗前的預習工作、實驗項目、實驗內容、實驗過程及實驗報告等幾個方面做出嘗試并展開探索，以期加深學生對實驗內容的理解，提高學生對于實驗課程和基礎課程的興趣，達到更好的實驗教學效果。

二、活塞式壓縮機性能測試實驗教學前預習方面的探索

對于本科生來說，在預習過程中主動去學習相關的知識點，獲得自主學習的經驗，往往能更快速更好地理解老師講授的內容，并針對知識點進行自主探索及思考，能夠舉一反三，達到事半功倍的效果，對于活塞式壓縮機性能測試實驗課程來說同樣如此。因此，活塞式壓縮機性能測試實驗課程的開展，首先要求本科學生提前進行實驗相關內容的預習，針對實驗前的預習以及預習的考查，作者在教學過程中進行了探索。

（一）實驗指導書的預習

實驗指導書是實驗教學最基本的教材，在進行活塞式壓縮機性能測試實驗前要求每個學生學習《活塞式壓縮機性能測試實驗指導書》，通過實驗指導書，理解實驗目的和意義，明確實驗項目和內容，掌握實驗原理和測試方法。針對活塞式壓縮機性能測試實驗教學前的預習，主要從三個方面著手。

1.理解實驗目的和意義。通過預習了解活塞式壓縮機在國民生產中的重要地位，理解為什么要針對活塞式壓縮機進行性能測試，使學生初步認識活塞式壓縮機的結構，學習壓縮機運行操作的基本知識，并且理解性能測試對于壓縮機工作原理、結構特點以及工作性能的重要意義。

2.明確實驗項目和內容。通過預習了解在活塞式壓縮機性能測試中主要進行哪些測試，明確本次實驗測試的具體項目和內容，對于活塞式壓縮機來說，具體測試內容主要為壓縮機示功圖測試以及相應的流量等測試。測試內容包括氣缸內壓力、工作腔容積、以及排氣溫度等信息量的測試。

3.了解如何進行測試。通過預習初步了解活塞式壓縮機性能測試中如何進行相關信息量的測試，示功圖曲線怎么畫。例如，對于示功圖來說，氣缸內壓力如何測試，工作腔容積如何測量，示功圖如何畫，流量信息如何測試，轉速如何調節，排氣壓力如何改變。

（二）實驗預習效果的考查

為調動學生的思維積極性，對活塞式壓縮機性能測試實驗課程做出探索，在實驗指導書內設置預習思考題，實驗課時通過抽查提問的方式對學生進行考查，了解學生課前預習的程度。這些思考題大多圍繞壓縮機工作原理、結構特點、測試內容和測試方法等展開，而且還包括實驗過程需要注意的問題以及處理措施等安全知識點，使得學生能夠帶著問題來進行預習和實驗。

以活塞式壓縮機性能測試實驗為例，作為探索，預習思考題設置如下：活塞壓縮機的結構特點，針對活塞壓縮機實物圖片指出進氣口和排氣口位置，活塞式壓縮機示功圖有什么含義，其作用如何，如何測量示功圖中的氣缸壓力，如何測試工作腔容積，實驗測試過程中需要注意哪些問題，若壓力超出實驗規定壓力怎么處理。

（三）實驗內容的設計及創新性探索

實驗教學強調學生的實踐能力，培養學生的動手能力以及使學生獲取專業知識，具有其他任何教學環節都不可替代的作用。因此重視實驗教學就必須改變傳統的實驗教學依附于理論教學的觀念和模式，結合實際需求和技術發展，對實驗內容和實驗項目等進行不斷更新探索，增加學生動手鍛煉的機會，豐富學生的專業知識面，使實驗教學成為培養新時代復合型高級專門人才的相對獨立的基本組成部分，使實驗教學在教學環節中起到應有的作用。活塞式壓縮機性能測試實驗作為流體機械專業的基礎實驗課之一，作者也在這方面做出了一些嘗試和探索。

（四）實驗教學平臺的探索

為達到更好的實驗教學效果，在學校提供專項經費支持的基礎上，通過容積式壓縮機教學實驗系統機電一體化優化設計、信號采集及測控系統研究開發以及實驗系統操作軟件設計等研究，攻克壓縮機氣缸內壓力測量、活塞行程定位、容積表征以及軸系高精度對中等技術難題，并結合操作軟件平臺的開發，研制了活塞式壓縮機性能測試本科實驗教學系統（圖1）。該實驗教學平臺具有功能多、測試精度高、可擴展能力強、安全保護措施好等特點，經過多年的實際應用表明，該系統能夠滿足活塞式壓縮機性能測試本科實驗教學的需求。

（五）實驗教學項目和內容的探索

1.活塞式壓縮機示功圖測試和分析實驗。活塞式壓縮機的示功圖是反映壓縮機在一個工作循環中氣缸內壓力變化的曲線圖，在壓縮機工作循環中處于非常重要的地位，因此示功圖測試一直是傳統實驗教學的主要內容。本實驗在傳統實驗教學測試壓縮機示功圖基礎上，進行了一些探索。示功圖實驗中測試活塞式壓縮機工作過程中的示功圖，根據示功圖的面積可計算出缸內的平均指示壓力、指示功率等，根據示功圖實際排氣壓力和吸氣壓力求出實際壓力比。此外，根據示功圖分析判斷壓縮機的泄漏情況，分析判斷壓縮機是否存在故障以及故障產生的原因。在此基礎上，通過改變工況條件，例如不同壓力比、不同轉速條件下進行示功圖的測試，并且讓學生分析壓力比以及轉速等參數對于壓縮機指示功等的影響規律。通過這一嘗試，不僅讓學生進行了傳統形式的壓縮機示功圖測試實驗，而且還進行了研究型實驗測試，通過分析實驗數據探索影響規律。這樣一方面能讓學生產生更大的學習興趣，另外一方面能夠讓學生加深理解，更好地掌握實驗相關知識。

2.活塞式壓縮機轉速—壓力—流量關系測試實驗。活塞式壓縮機實際運行過程中，流量信息也非常重要，但是傳統壓縮機實驗教學并沒有相關內容。本文結合自主研制的活塞式壓縮機實驗教學平臺，創新開發了活塞式壓縮機轉速—壓力—流量關系測試實驗，并編制了相應的實驗指導書，形成了轉速—壓力—流量測試實驗項目和實驗內容。基于噴嘴法測量原理，即通過測量噴嘴兩端的壓差就可以衡量流量的大小。因此，該實驗過程中，首先利用變頻控制，保持壓縮機轉速不變，通過調節活塞式壓縮機壓力開關，改變壓縮機的壓力比，再進行流量測試;其次，調節活塞式壓縮機轉速參數，通過調節壓力開關，保持壓力比不變，進行不同轉速條件下的流量測試。將測試結果進行匯總并分析，獲得轉速和壓力比參數對于壓縮機流量的影響規律。該實驗同樣也是屬于研究型測試實驗，對于學生來說，實驗課不但是做實驗，同時也是做研究，將實驗教學和實驗研究有機結合。通過這樣的探索，既可以豐富學生對于壓縮機實際工作過程的知識面，也提高了工科學生對于機械設備實際運行參數的分析能力。

（六）實驗過程和實驗報告的探索

1.實驗小組及循環測試模式。由于活塞式壓縮機實驗測試過程中既需要控制轉速，還需要控制排氣壓力，同時還要進行相關數據的讀取，因此對于學生來說無法獨自進行實驗操作。因此，在實際實驗教學測試時，將學生分成實驗小組，每3人為一組，A同學進行實驗測試及數據讀取，B和C同學配合A同學進行測試，其中B同學負責調節轉速，C同學負責調節排氣壓力。A同學實驗結束后，進行組內循環，由B同學進行實驗測試，C同學負責調節轉速，A同學負責調節排氣壓力，依此類推。這樣每個同學都可以進行實際操作，鍛煉動手能力，提升自己對實驗過程的理解。在實驗過程中，各位同學必須分工合作并相互配合，才能成功進行實驗測試，獲得實驗數據。因此，這種實驗小組和循環測試模式也可以培養學生的團隊協作意識。

2.實驗數據和實驗報告的獨立性。傳統的實驗教學測試項目，往往很多學生是同樣的數據，或者同組的學生獲得同樣的數據，這樣容易使某些學生在進行實驗數據處理時，照抄其他學生的實驗數據分析報告，達不到良好的實驗教學目的。本實驗教學在這方面同樣進行了探索，在實驗小組和循環測試模式的基礎上，每個學生針對示功圖測試還有流量測試實驗，均可以測得自己所屬的數據，再結合計算機數據采集和人工讀取的方式對數據進行保存，保證每個學生可以獲得獨立的數據。因此，每個學生都要處理自己的實驗數據，分析自己的實驗測試結果并總結規律，實驗數據具有獨立性，實驗報告中的數據處理和分析同樣具有獨立性。這樣避免了學生之間相互抄襲實驗報告的情況，尤其對于學習積極性較差的同學效果更好。

三、結束語

數年的活塞式壓縮機性能測試實驗教學表明，通過實驗教學前的預習、實驗內容的設計及創新性、實驗過程分組循環和實驗報告獨立性等幾方面的探索，取得了良好的實驗教學效果。這些探索不僅使得學生能夠更好地掌握傳統的教學實驗知識，而且加深了學生對于活塞式壓縮機實際工作過程和工作狀態的理解，豐富了學生的專業知識面，對培養學生的工程觀念和實際解決問題的能力具有明顯作用。

參考文獻

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