基于示功圖的單級壓縮機(jī)排氣量試驗(yàn)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(jī)的示功圖進(jìn)行測錄，討論了實(shí)際排氣量與余隙容積之間的關(guān)系，為空壓機(jī)的性能調(diào)節(jié)和新產(chǎn)品研發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)；容積系數(shù)；余隙容積；過程方程

中圖分類號：TH452文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.004

基金項(xiàng)目：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)資助基金項(xiàng)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(jī)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(jī)械制造與自動(dòng)化方面的科研和教學(xué)工作，E-mail：121433695@qq.com。

0前言

空氣壓縮機(jī)簡稱空壓機(jī)，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(dòng)工具提供動(dòng)力源。空壓機(jī)在食品、醫(yī)藥、化工、石油、天然氣、鋼鐵、造船、石化、電力和冶金等行業(yè)有著十分廣泛的應(yīng)用[1]。排氣量是空壓機(jī)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它的大小在空壓機(jī)設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)確定，但在實(shí)踐中余隙容積的變化會(huì)對實(shí)際排氣量產(chǎn)生影響[2]。而傳統(tǒng)的空壓機(jī)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(shí)際排氣量產(chǎn)生變化的原因。鑒于此，本文主要對AW-067/8型活塞式空壓機(jī)（單級壓縮）進(jìn)行示功圖（P-V圖）測錄，并基于示功圖對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，找出余隙容積與單級壓縮機(jī)排氣量之間的關(guān)系，為后續(xù)空壓機(jī)性能調(diào)節(jié)及新產(chǎn)品的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)裝置

空壓機(jī)實(shí)際循環(huán)示功圖采用機(jī)械式螺旋彈簧指示器進(jìn)行測錄，其原理結(jié)構(gòu)見圖1。

指示器主要由能反映氣缸內(nèi)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(jìn)入小氣缸后，變化的氣體壓力會(huì)推動(dòng)小活塞，克服圓柱形彈簧的彈力做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；小卷筒由細(xì)繩通過行程縮小器連到十字頭上，將十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成小卷筒的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)?？諌簷C(jī)工作時(shí)，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(biāo)反映氣缸內(nèi)壓力的變化，橫坐標(biāo)反映與壓力相對應(yīng)的活塞行程的位置。示功圖的測錄和排氣量測試同時(shí)進(jìn)行，指示器安裝在空壓機(jī)氣缸蓋上，見圖2。

主要測量的參數(shù)為壓縮機(jī)曲柄的轉(zhuǎn)角和與轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的時(shí)刻的氣缸內(nèi)的壓力。

2試驗(yàn)

（1）根據(jù)試驗(yàn)用空壓機(jī)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(gè)事先準(zhǔn)備好的支架平臺(tái)上，以便于試驗(yàn)時(shí)操作調(diào)節(jié)。

（2）將指示器與氣缸缸蓋端部用三通閥和接頭聯(lián)接，聯(lián)接所用接管的管徑不宜過大或過小，也不能過長，過長會(huì)導(dǎo)致余隙容積增加、壓力損失增加，影響測試結(jié)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(xì)繩掛到空壓機(jī)曲軸的掛鉤上。

（4）將指示器與空壓機(jī)氣缸聯(lián)通，啟動(dòng)壓縮機(jī)，待壓力顯示08 MPa并且運(yùn)行穩(wěn)定后，方可測錄示功圖。測錄結(jié)束關(guān)先閉壓縮機(jī)，再取下測錄紙。

3結(jié)果

本研究的原始數(shù)據(jù)涉及到新產(chǎn)品的研發(fā)機(jī)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(jié)果進(jìn)行研究和分析，示功圖中相應(yīng)數(shù)值均以字母和數(shù)字標(biāo)記。

空壓機(jī)在設(shè)計(jì)階段確定的理論排氣量為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的排氣量，用式（1）表示

Q′0=Vs· N0（m3/min）（1）

而實(shí)際排氣量Q0只能通過性能檢測獲得，為研究方便，將空壓機(jī)的實(shí)際排氣量Q0與理論排氣量Q′0的比值定義為進(jìn)氣系數(shù)λ。假設(shè)空壓機(jī)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際測量的轉(zhuǎn)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(jī)一定程度上存在著泄漏，所以在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)予以考慮，引入泄露系數(shù)λT，但λT具體表達(dá)式尚不能確定，只能夠給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值[3]。

綜上，空壓機(jī)排氣量的計(jì)算公式為

Q0=Vs·λv·λT·λP·λL·N0（m3/min）（7）

Vs—行程容積；λL—泄露系數(shù)，它考慮到了空壓機(jī)所有的泄漏；λv—容積系數(shù)；λT—溫度系數(shù)；λP—壓力系數(shù)；N0—空壓機(jī)的額定轉(zhuǎn)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(shí)，余隙容積中高壓氣體無法排出，進(jìn)氣行程開始時(shí)，高壓氣體膨脹至低于進(jìn)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(jī)的排氣量。

從圖（2）中可以看出，由c點(diǎn)到d點(diǎn)為余隙容積中壓縮空氣的膨脹過程，現(xiàn)假定膨脹過程是按照不變的多變指數(shù)m進(jìn)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(shù)λv的計(jì)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(shù)（多變指數(shù)）。

由等式（7）和（10）可知：

（1）行程容積不變時(shí)，壓力比和膨脹指數(shù)相同的情況下，若相對余隙容積增大，則容積系數(shù)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(shù)一定時(shí)，若壓力比增大，則相應(yīng)余隙容積內(nèi)的氣體膨脹至吸氣閥開啟時(shí)所占據(jù)的氣缸體積增大，容積系數(shù)減小，容量流量減小，當(dāng)壓力比大到一定程度之后，膨脹氣體會(huì)占據(jù)整個(gè)氣缸，空壓機(jī)吸氣量等于零，容積流量亦等于零。令λv=0，α=005，通過計(jì)算可得ε=234。

對AW-067/8型活塞式空壓機(jī)而言，行程容積Vs通常是不會(huì)發(fā)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(shù)法修正到標(biāo)準(zhǔn)狀況；而余隙容積引起的排氣量變化不能夠修正至標(biāo)準(zhǔn)狀況，因?yàn)橛嘞度莘e決定了空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的實(shí)際排氣量，所以不可修正，要想獲得設(shè)計(jì)的排氣量，必須調(diào)節(jié)余隙容積。

5結(jié)論

示功圖能夠?qū)崿F(xiàn)余隙容積與實(shí)際排氣量的定量分析，通常以容積系數(shù)λv=1-α[ε1/m-1]表示余隙容積與實(shí)際排氣量的關(guān)系。行程容積Vs不變時(shí)，余隙容積越小，相對余隙容積α越小，容積系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)狀況下測得實(shí)際排氣量偏小時(shí)，需要通過減小空壓機(jī)余隙容積來提高空壓機(jī)的排氣量。

參考文獻(xiàn)：

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