活塞式压缩机性能检测教学实验台的开发

刘孝刚

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

活塞式压缩机性能检测教学实验台的开发

刘孝刚

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

根据活塞式制冷压缩机性能检测教学实验台的设计组成，从经济性和实用性的角度对活塞式压缩机性能实验台进行开发，采用传感器技术，在计算机控制下实现数据采集与输出，绘制压缩机的示功图和性能曲线图，帮助学生进行压缩机性能指标的计算和热力过程分析，满足高等院校专业教学和科研的不同需求。

性能检测；实训教学；测试软件；数据采集

0 前言

随着生活水平的不断提高，制冷与空调产品的应用越来越广泛，活塞式制冷压缩机的需求量大幅度增加。压缩机的综合性能直接影响制冷与空调产品的制冷效果、使用寿命、噪声和震动，检测压缩机各项参数对于改善压缩机性能和提高制冷效率有着重要意义。压缩机性能检测实验台是压缩机带负荷试运转、产品出厂检验、质量抽检不可缺少的检测设备，也是高校开展制冷压缩机教学中不可缺少的实训设备。所以，根据专业教学需要，开发出适合教学的压缩机性能检测实验台已成为当务之急。

1 活塞式压缩机性能检测实验台的应用现状

活塞式压缩机是石油化工、矿产机械、制冷与空调行业广泛应用的机器之一，它具有适用压力范围广、效率高、适用性强等优点。活塞式压缩机在设计计算、结构参数优化、性能预测以及制造工艺等方面日趋完善，特别是采用多级压缩可以获得比回转式压缩机高很多的压缩比，使活塞式压缩机在高压压缩机中有着不可取代的优势。随着现代工业的发展，人们对压缩机的可靠性和经济性提出了更高的要求，在压缩机的性能检测方面，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等手段来提高压缩机产品性能已经成为主流。因此，应该积极探索通过压缩机性能检测手段预测压缩机在实际工况下的性能参数，来提升压缩机产品开发的成功率。

现行的教学用活塞式压缩机性能检测实验台一般是从企业买入的，它存在以下问题：基础理论研究不强、产品的二次技术开发能力低、工艺装备和实验手段有限制、产品技术与压缩机教学不衔接，专业教学用的压缩机实验台与企业应用的压缩机检测实验台还存在一定差距。未来的活塞式压缩机在转速、长行程、气阀技术、振动噪声、摩擦润滑、新工艺与新材料的应用方面将继续发展与突破，这也给开发活塞式压缩机性能检测教学实验台提供了方向。因此，活塞式压缩机实验台的开发无论在专业教学还是学生开展压缩机技能训练方面都很重要，对促进工学结合、产学研结合的广泛开展产生深远影响。

2 活塞式压缩机性能实验台的开发

2.1 多功能活塞式压缩机性能检测实验台的开发

根据企业提供的压缩机性能实验台的检测方法，构建了一套低成本、易操作、基于数据采集与数据处理的教学用活塞式压缩机性能检测实验台，实验台主要测试功率10 HP以内的活塞式制冷压缩机，可以确定压缩机的制冷量、输入功率、示功图、性能曲线以及性能系数等参数，由活塞式制冷压缩机本体与其配套的电动机及测试系统组成，辅助以温度、压力、流量等传感器和计算机搭建的测试实验台，测试系统包括应变式压力传感器、磁脉冲传感器、PLC-818HD控制器、动态应变仪、微机及打印机等。其实验装置系统如图1所示，实验台采用两缸单级立式氟利昂2F-100系列制冷压缩机，采用R410A制冷剂，压缩机进出口处安装压力表及压力传感器，飞轮上安装磁力脉冲传感器。利用微机的测试软件对活塞式压缩机参数进行实时动态采集，经计算处理得到展开和封闭的示功图，从而获得其平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。

图1 实验装置系统图

实验台主要实现以下功能：可以通过计算机检测系统对压缩机的检测状态点进行实时监控，获得2F-100系列制冷压缩机性能的示功图，在压缩机汽缸上安装应变式压力传感器，顺时输出汽缸内的瞬态压力信号，该信号经桥式整流后通过动态应变仪放大，经过 PLC-818HD控制器转换为数值量送到计算机，实验台能测定活塞曲轴转速、测定压力和曲柄转角信号的同步信号，在图示飞轮处安装从电磁脉冲传感器，测定控制采集压力的起止信号，经计算机的测试软件处理后得到活塞式压缩机工作过程的有关数据，这些被采集的检测点通过数据采集卡采集，可实现计算机可视化界面。

2.2 实验参数允许偏差

实验所采用的主机为2F-100系列压缩机，气缸直径10 cm，活塞行程7.6 cm，综合余隙距离0.25 cm，转速1 000 r/min；电机参数：额定功率0.75 kW，额定电压220 V，额定电流10 A，转速2 500 r/min；保险丝管为10 A。压缩机性能实验包括主要实验和校核实验，在性能测试过程中二者同时测量，校核实验和主要实验结果制冷量偏差应在±5%以内，以主要实验的测量结果作为计算依据。在进行压缩机性能测试实验时，系统应达到热平衡状态后再进行测量，实验时间一般不超过1小时，测量数据在热工况稳定后每隔20分钟测量1次，直到连续4次的测量结果均不超过表1规定的测量偏差，即测量周期为20分钟，在测量周期内可以通过控制压缩机的转速来改变吸排气压力、温度和流量的实时调节。校核试验的方法采用水冷冷凝器法，介质的进出口温差在标定或实验时，均应不小于5℃，主要实验和校核实验应该同时进行测量。

表1 实验参数允许偏差

2.3 测试软件

测试软件采用WinXP平台下的Visual Basic软件编写，界面美观、操作性与交互性强。软件由PLC-818HD控制器进行数据采集与转换，ACCESS数据库软件进行数据库的存储与组织，运用MODBUS通讯进行数据传输，可实现对平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数的计算。采样后的压力数据以P-α图形式显示，示功图以p-V图显示，可以进行多边压缩指数的计算，并以20分钟的测量周期对活塞式制冷压缩机数据进行采集，对以上的参数进行相应的保存打印操作。软件的测试界面提供了主界面、性能曲线界面、示功图界面、参数计算界面，可以直观表达压缩机的性能参数与性能曲线，如图2所示。

2.4 测量仪表与控制仪表的应用

压缩机轴功率的测量能直接反映压缩机的制造水平。在活塞式制冷压缩机中，通常用功率（单位排气量所消耗的轴功率） 来衡量压缩机的经济性。压缩机性能检测实验台用电流互感器和电压互感器测量电动机的输入相电流I和相电压U，然后考虑电机效率和带传动的传动效率，间接得到压缩机的轴功率。除了压缩机性能检测实验台装入传感器等测量仪器外，本实验台采用磁脉冲传感器作为转速测量传感器，磁脉冲传感器的Z相严格保证一转输出一个脉冲，利用数据采集卡的脉冲计数功能，软件计算出主轴的平均转速，或直接利用数据采集卡的脉冲频率测量功能得到转速。另外，为方便对压缩机压力和温度的实时观察，在压缩机进排气口处安装真空压力表与温度计，配有高低压力控制器1只，能实时监测高压侧压力和低压侧压力，高压高于设定压力或低压低于设定压力时，控制器发出控制信号切断压缩机电源。

2.5 实验数据采集

压缩机的性能用特性曲线来表示，活塞式制冷压缩机在教学当中通常用的特性曲线图为流量-压力比图，实验时首先将压缩机转速开至额定转速，待转速稳定后逐渐将排气阀关小，通过控制排气面积来提高压缩机的排气压力，从而得到同一转速下不同制冷剂流量点的性能特性。当制冷剂的流量减小到一定值时就会发生喘振或失速，在图形上部压力产生了突变，膨胀线向下形成震荡，且偏离了正常位置，如图3所示，图形表明，排气阀片剧烈抖动，在排气末期压力趋于平稳，此时基本已经退出喘振状态。将同一转速下的这些测点连接起来就成为一条完整的特性曲线。如需不同完整的特性曲线图，还应返回大流量状态，然后调至其他转速，重复这个过程，可以得到不同的压缩机性能曲线图。图3为活塞式压缩机额定转速下的特性曲线示意图。

图2 测试界面图

图3 特性曲线示意图

3 结束语

活塞式压缩机性能检测实验台可以满足专业教学要求和技能训练，实验台设计结构简单、安装方便，测试过程直观快捷、准确方便，实验台采用高精度的压差变送器，测量的压力值可以快速转换成对标准信号，提高了系统的准确性与可靠性，PLC-818HD控制器提高了实验台的人机交互，测控软件采用Visual Basic多线程的编程技术，可以实时对实验台进行监控，测试软件引入虚拟控件，形成WinXP操作风格的一体化操控界面。实验台的开发充分考虑实训教学的需要，将实验台的技术应用与技能实训相结合，弥补了制冷压缩机实训教学的不足。同时，实验台的开发为开展压缩机其他的演示实验打下了基础，对高等院校技能人才和企业工程技术人员的培养起到关键作用。

[1]周莺,张华俊,李积杰,等.世界制冷压缩机现状及发展动向[J].压缩机技术,2001(4):39-46.

[2]张华俊,王俊,杨晓弟,等.家用空调压缩机的发展趋势[J].制冷与空调,2000(4):10-12+69.

[3]邵双全,石文星,陈华俊,等.制冷空调系统计算机仿真技术综述[J].制冷与空调,2002(3):10-15.

[4]赵军朋,张薇,王智忠,等.空调压缩机制冷量测量及其不确定度分析[J].压缩机技术,2004(2):5-6+10．

［责任编辑：陆丽娜］

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

刘孝刚（1978-），男，黑龙江海林人，讲师，硕士，研究方向：热能与动力工程。