压缩机指示功图、排气量、轴功率测试与计算机控制

实验五压缩机指示图、排气量、轴功率
测试与计算机控制
一、实验目的及要求
1 学会使用计算机测试装置测绘压缩机指示图，懂得使用机械式弹簧指示器测绘压
缩机指示图。

2 学会应用所录取的指示图分析压缩机运行工况的方法，从而加深对压缩机工作原
理和性能的理解，并计算出压缩机的主要性能参数。

3 了解计算机测控系统和相关仪器仪表的的基本原理和使用方法。

4 了解压缩机及其装置的基本结构及作用、正确的运行程序和注意事项。

二、实验原理
1.指示图及其形式
活塞式压缩机的指示图是反映压缩机在一个工作循环中活塞在不同位置时气缸内气体压力变化的曲线，亦称气体力图。

根据录取的指示图可对压缩机的工作过程作一系列的分析计算。

例如，根据指示图面积可计算出气缸内平均指示压力、指示功率及气阀功率损失；根据吸入线长度可计算出容积系数λv；根据最高压力和最低压力可计算出气缸内的实际压力比；根据气体压力和活塞面积，可计算出产生的作用力，并以此作为动力计算及强度校核的依据；根据指示图还可分析压缩机的故障。

例如，根据指示图的形状可以分析判断气阀、活塞环、填料函等的泄漏情况；进排气过程的压力损失情况；压缩机膨胀的热交换情况等，从而根据这些分析对压缩机进行故障诊断。

由此可见，压缩机指示图的测试是研究压缩机性能与运行工况的一种基本方法。

在录取指示图时，纵坐标表示压力p，横坐标根据测量方式的不同可分为用气体容积、活塞行程s、曲柄转角α或时间t来表示，所以指示图曲线有以下几种形式：1）p-v图（压力－容积图），它反映气缸内压力与气体容积间的关系
2）p-s 图（压力－行程图），它反映气缸内压力与活塞行程间的关系
3）p-α图（压力－转角图），它反映气缸内压力与曲柄转角间的关系
4）p-t 图（压力－时间图），它反映气缸内压力与一个循环周期内不同时刻间的关系1）2）3）4）的本质是一样的，在一定条件下可以相互转换。

由于转角α=ωt，可以确定时间与转角的关系；根据活塞式压缩机动力学，知道活塞的位移x与转角α之间存在着一定的关系x=f(α)；而气体容积v=x·F，式中F为活塞面积。

2.指示图测试原理
指示图的测量按原理分主要有电子式和机械式。

在实验室中有两种类型的测量方式的实验台。

（1）基于PC的测试系统
基于PC的测试系统直接测量的指示图为p-α图，主要测量的参数为压缩机曲柄的转角和与转角相对应的时刻的气缸内的压力。

如图1所示，在压缩机曲轴上安装的轴编码器2在一个工作循环产生1024个脉冲，作为压力信号5采集的外部触发信号，这样在一个工作循环中（曲轴旋转360º），均匀完成1024次压力信号采集，每个压力信号对应的曲轴转角为（360/1024）º，计算机采样数据进行处理后，可计算出气缸内的活塞的位置、曲轴的转角以及对应位置的压力值，从而绘制出指示图。

由于实验中的指示图需要在一定的排气压力下测定，所以在储气罐上安装了调节阀4，用来调节储气罐的压力，达到调节压缩机出口排气压力的目的。

同时，轴编码器2所产生的信号也可用作测量转速，曲轴旋转一周，产生1024个脉冲，那么压缩机转速=脉冲数/1024；压缩机速度的调节是通过变频器调节，计算机通过输出不同的电压值，控制变频器达到控制速度的目的。

（2）机械式指示器
机械式指示器可分为螺旋弹簧指示器和杠杆形弹簧指示器，如图2所示。

螺旋形弹簧
指示器主要由能反映气缸内压力变化的小气缸及反映活塞位移情况的转筒组成。

气体由通道进入小气缸，变化的气体压力推动小活塞，克服圆柱形弹簧的弹力作往复运动，小卷筒由绳子通过行程缩小器连到十字头上，将十字头的往复运动变成小卷筒的回转摆动。

在压缩机工作时，如果在小卷筒上卷上一张纸，摆杆上装上一支笔（用石墨．铅或黄铜等做成），并稍稍触至小卷筒的纸上，即可录下所需的指示图，其纵坐标反映气缸内压力的变化，横坐标反映与压力相对应的活塞行程的位置。

（3）指示图的整理、分析与计算
图2 螺旋弹簧指示器和杠杆弹簧指示器示意图
p s
p 2
p d
p 1 V 0
V ´
V 1
V
F 2
F 3
F 1
图3 压缩机指示图
V
1）平均指示压力
)(Pa V
F p i
i =
（1）
2）指示功率
)(10603
kw n
F N i i ⨯⨯=
（2）
3）气阀相对压力损失
%1003
2
1⨯+=
F F F δ （3）
4）容积系数 V
V V '=
λ （4）
5）平均多变指数
a ）压缩过程
2112ln /ln
V V p p n = （5）
b ）膨胀过程
3
412ln /ln
V V p p m = （6）
6）实际压力比
s
d p p =
'ε 7）实际排气量 min)/(3m Vn V l T p v d λλλλ=
F i 指示图面积功 N ·m V 行程容积 m 3/r V ˊ 实际进气容积 m 3/r V 0 余隙容积 m 3/r V 1 1点的容积 m 3/r V 2 2点的容积 m 3/r V 3 3点的容积 m 3/r V 4 4点的容积
m 3/r p 1 气缸内名义吸气压力 Pa p 2 气缸内名义排气压力 Pa p s 气缸内实际吸气压力 Pa p d 气缸内实际排气压力 Pa n
压缩机转速
rpm
λpλTλl分别为压力系数、温度系数、泄露系数
三、实验装置简介
本实验使用压缩机是一台无十字头立式单列单级单作用空冷移动式空压机改装而成，如图4所示。

1压缩机及其装置基本参数
机器型号：Z—0.3/l 0—C
吸气压力：p1 = 1×105Pa
排气压力：p2 = 10×105Pa
转速：n = 1370rpm
行程：s = 55mrn
气缸直径：D1 = 9 0mm
排气量：V d = 0.3m3/min
轴功率：N D = 2.7kw
电机功率：Nd = 3kw
储气罐：V = 80l
由于压缩机经过改造，许多参数变为可调，如转速等。

2结构及工作原理
本机为微型空气压缩机，具有结构紧凑、重量轻、运行可靠、寿命长、使用维修方便等优点。

空气压缩机的曲轴由电动机直接带动，再经连杆使活塞作往复运动，将吸入的空气进行压缩至规定压力，经管路并冷却进入单向阀再进入储气罐。

气缸盖，气缸均铸有散热片以利散热。

气缸的吸气端接消声器，又叫空气滤清器。

吸排气阀为舌簧阀。

本机润滑采用飞浅式润滑。

排气量调节采用自动控制。

如果气压超过额定排气压力时气压自动开关可自动切断电源，使空压机停止运转，同时气压自动开关中的放空阀开启使排气管中的压缩空气放空，以便空压机空载启动。

在压力降低时，气压自动开关再自动合上电源，压缩机再次启动运转，其停止运转的压力为高于额定排气压力的0.05MPa进行调节。

在储气罐上装有安全阀如果气压超过额定排气压力时，安全阀可自动放气，起保护作用。

上面所述为压缩机本身自带功能，由于采用了计算机控制，计算机也能进行上述功能。

四、试验步骤
1．预习实验指导书和教材相关部分，明确实验目的、实验原理、实验内容、操作方法、应测数据等。

2．在老师指导下观察实验装置。

用手盘动压缩机联轴器，使轴转动，检查是否有机械故障，检查阀门位置、润滑油位是否正常。

3．在老师指导下操作计算机软件，完成实验数据的采集。

4．完成实验报告。

五、注意事项
1．缩机实验中多属精密仪器，必须严格在老师指导下完成。

2．注意安全。

3．注意保护仪器仪表。

六、实验报告
1．简述实验目的、原理、装置（包括仪器仪表）。

2．简述实验操作步骤。

3．列出测取的实验数据及指示图。

4．根据实验数据和指示图进行计算分析。

5．实验结果的讨论和分析。