往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)現(xiàn)狀及展望

摘 要：往復(fù)壓縮機(jī)供氣與需求不匹配是導(dǎo)致能耗高的主要原因，進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)是解決該問題的有效手段，其實(shí)現(xiàn)方式包括直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)。直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對壓縮氣量的精準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)，本質(zhì)為液壓傳動控制，但存在通流面積小、阻力損失大、撞擊嚴(yán)重、執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)雜及故障點(diǎn)多等缺陷。旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種新型氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)，其本質(zhì)為機(jī)電一體化，原理是通過伺服電機(jī)對杯狀閥進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，具有通流面積大、阻力損失小、開閥無摩擦、關(guān)閥摩擦行程小及運(yùn)動部件無撞擊等優(yōu)點(diǎn)。對２種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論、結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、能效進(jìn)行了全面的綜述，指出旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向，應(yīng)從旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料研制及智能系統(tǒng)開發(fā)等方面開展深入研究。

關(guān) 鍵 詞：進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)；直線網(wǎng)狀閥；旋轉(zhuǎn)杯狀閥；部分行程頂開式調(diào)節(jié)；全程可控式調(diào)節(jié)；能效分析

中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６４６－０８

往復(fù)壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油石化、電力造紙、冶金化工等行業(yè)，是過程工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。中國工程院重點(diǎn)咨詢研究項(xiàng)目“中國高耗能裝備運(yùn)行現(xiàn)狀及節(jié)能對策研究”［１］指出，壓縮機(jī)運(yùn)行存在２個(gè)主要問題：故障頻繁發(fā)生和長期偏離設(shè)計(jì)工況低效運(yùn)行，上述問題是需要迫切解決的重大工程問題。２０２４年國務(wù)院常務(wù)會議審議通過《碳排放權(quán)交易管理暫行條例（草案）》，標(biāo)志工業(yè)企業(yè)進(jìn)入碳市場迫在眉睫，對壓縮機(jī)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行提出了更高要求。往復(fù)壓縮機(jī)易損件較多，其中氣閥故障占往復(fù)壓縮機(jī)故障率的６０％，因氣閥故障引起停機(jī)次數(shù)占總停機(jī)次數(shù)的８５％以上［２］，造成氣閥故障頻發(fā)的主要原因是自力式（以彈性力和氣體力的合力作為閥片運(yùn)動的驅(qū)動力）工作原理使氣閥長期處于高頻撞擊的工作狀態(tài)，嚴(yán)重影響氣閥的使用壽命與壓縮機(jī)生產(chǎn)效率。造成往復(fù)壓縮機(jī)高能耗的主要原因是供氣與需求不匹配，文獻(xiàn)［３］給出了不匹配的程度，工藝需求一般只使用壓縮氣量的６０％ ～８５％。供氣與需求不匹配的調(diào)節(jié)方式有多種，包括旁路回流調(diào)節(jié)、進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)和余隙調(diào)節(jié)等，這些調(diào)節(jié)方式存在調(diào)節(jié)范圍窄、精度低及節(jié)能效果差等問題。現(xiàn)在主流的調(diào)節(jié)方式是進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)，無級調(diào)節(jié)是在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、連續(xù)的氣量調(diào)節(jié)過程。進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式包括直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

１ 直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)狀

直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)由ＢＡＵＥＲ［４］提出，包括電液驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，本質(zhì)是液壓傳動控制，如圖１所示。該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程為：電液驅(qū)動系統(tǒng)控制壓叉頂開進(jìn)氣閥，使進(jìn)氣閥在壓縮階段繼續(xù)維持開啟狀態(tài)，氣缸內(nèi)的氣體被活塞推回至進(jìn)氣腔，待缸內(nèi)氣量與工藝需求氣量匹配時(shí)，液壓油撤回，壓叉被復(fù)位彈簧彈回，進(jìn)氣閥關(guān)閉。該系統(tǒng)可根據(jù)工藝生產(chǎn)需要進(jìn)行供給氣量調(diào)節(jié)，可使往復(fù)壓縮機(jī)在任意負(fù)荷條件下連續(xù)工作，減少了實(shí)際做功，有效降低了能耗。

研究人員針對直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)開展了大量研究工作，主要集中在理論、結(jié)構(gòu)、控制及應(yīng)用等方面。

針對直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論研究，吳榮仁等［５－６］提出了頂開力控制方法，當(dāng)作用于氣閥上的氣體力足以克服頂開力大小時(shí)，進(jìn)氣閥開始關(guān)閉，通過改變頂開力大小，實(shí)現(xiàn)氣量的定量調(diào)節(jié)，但是該方法的調(diào)節(jié)范圍是５０％ ～１００％，調(diào)節(jié)范圍小，精度差。ＷＨＩＴＥ［７］提出了頂開時(shí)間控制方法，通過控制器主動控制進(jìn)氣閥的頂開時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓縮氣量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是０～１００％，調(diào)節(jié)范圍大，精度高，為直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。ＨＯＮＧ等［８］建立了氣量調(diào)節(jié)狀態(tài)下往復(fù)壓縮機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)模型，得到了壓縮階段氣閥開啟時(shí)間與缸內(nèi)容積的關(guān)系，但該模型將進(jìn)氣閥看作一組小孔，忽略了進(jìn)氣閥開關(guān)過程的影響。ＪＩＮ等［９］基于ＬＫ氣體狀態(tài)方程建立了氣閥動力學(xué)模型，并修正了熱力學(xué)循環(huán)模型。張春等［１０］基于計(jì)算流體動力學(xué)，提出了一種氣量調(diào)節(jié)工況下對壓縮機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值仿真的方法，并利用該方法對氣缸內(nèi)氣體動態(tài)壓力、平均溫度、質(zhì)量及氣閥閥片的運(yùn)動規(guī)律和氣閥流域氣流速度變化進(jìn)行了研究。孫旭等［１１］基于滿負(fù)荷工作原理建立了氣量調(diào)節(jié)工況下的單級往復(fù)壓縮機(jī)工作循環(huán)模型，模擬了當(dāng)氣閥不同時(shí)，頂開間隙對應(yīng)不同通流面積時(shí)的氣體流動過程，獲得了壓縮機(jī)氣缸動態(tài)壓力變化規(guī)律。

針對直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能參數(shù)優(yōu)化問題，ＪＩＡＮＧ、ＳＵＮ等［１２－１４］采用非支配排序遺傳算法對復(fù)位彈簧剛度、進(jìn)油壓力及回油壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化后壓叉在滿載時(shí)的運(yùn)動特性得到了改善，降低了液壓油引射器的沖擊能量和壓叉的復(fù)位速度，壓縮機(jī)流量誤差小于５％，提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的綜合工作性能。ＷＡＮＧ等［１５］分析了液壓推力、壓叉位移及壓叉撤回速度對缸內(nèi)壓力的影響，并對３種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得相對合理的參數(shù)值。ＺＨＡＯ等［１６］測試了在不同液壓推力和復(fù)位彈簧條件下的動態(tài)響應(yīng)性能，并指出液壓推力對調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能的穩(wěn)定性和可靠性影響更大。

針對直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)優(yōu)化問題，洪槐斌［１７］基于高維逆向解耦、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊控制等方法，提出了解決調(diào)節(jié)系統(tǒng)強(qiáng)耦合、非線性、時(shí)滯問題的方案，提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力和魯棒性。ＬＩＵ等［１８］為了在調(diào)節(jié)系統(tǒng)退化時(shí)恢復(fù)其性能和精度，建立了以負(fù)荷預(yù)測和系統(tǒng)退化率為基礎(chǔ)的控制參數(shù)補(bǔ)償優(yōu)化方法，而且為避免過補(bǔ)償，還建立了自適應(yīng)優(yōu)化補(bǔ)償方法，可根據(jù)退化率自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)的補(bǔ)償量，該方法可使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)性能出現(xiàn)下降后及時(shí)恢復(fù)正常。江志農(nóng)等［１９］提出了一種參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化補(bǔ)償調(diào)控方法，可解決由于驅(qū)動部件性能的參數(shù)變化而導(dǎo)致氣量調(diào)節(jié)控制失穩(wěn)的問題，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的市場應(yīng)用問題，奧地利Ｈｏｅｒｂｉｇｅｒ公司開發(fā)了ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統(tǒng)［２０］，在世界范圍內(nèi)該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用了近千套，在我國應(yīng)用有上百套。美國Ｄｒｅｓｓｅｒ-Ｒａｎｄ公司開發(fā)了無限無極控制（ＩＳＣ）流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)［２１］，該系統(tǒng)與ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統(tǒng)工作方式相同，不同的是必須與同公司特制的蘑菇閥和電液驅(qū)動系統(tǒng)配套使用［２２］。Ｃｏｚｚａｎｉ公司開發(fā)了ＦｌｕｘＴｏＦｌｏｗ流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過輸出至執(zhí)行器的電流大小和持續(xù)時(shí)間來控制進(jìn)氣閥的開啟時(shí)間［２３］。浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所開發(fā)了一套基于液壓分配器的全量程氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)套筒式液壓分配器對各級執(zhí)行器進(jìn)行液壓油分配，通過２臺步進(jìn)電機(jī)控制液壓分配器和壓縮機(jī)同步工作以及液壓推力的持續(xù)時(shí)間［２４］，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，現(xiàn)場安裝和后期維護(hù)難度較高。另外，臺州環(huán)天機(jī)械開發(fā)了ＨＲＣＳ系統(tǒng)［２５－２６］，中海油大榭石化和洛陽設(shè)計(jì)院共同開發(fā)了ＤｉｄｒｏＣｏｍ系統(tǒng)［２７］，２個(gè)系統(tǒng)采用國產(chǎn)化元件替代ＨｙｄｒｏＣｏｍ系統(tǒng)的電磁閥、電控板等部分關(guān)鍵元件，在滿足工藝需求的基礎(chǔ)上降低了生產(chǎn)成本。

綜上所述，研究者們從不同方面做了大量研究工作，促進(jìn)了直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展，但是該技術(shù)在原理和結(jié)構(gòu)上仍存在問題。例如插入在閥座流道槽中的壓叉減小了氣閥的通流面積和流量系數(shù)，增大了氣體的阻力損失，減少了壓縮機(jī)的進(jìn)氣量，且該技術(shù)只是對進(jìn)氣閥的開啟過程進(jìn)行控制，這種半程控制使得進(jìn)氣閥仍處于撞擊開啟、撞擊制動的工作狀態(tài)，縮短了進(jìn)氣閥和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用壽命。該技術(shù)沒有改變傳統(tǒng)氣閥的自力式結(jié)構(gòu)，自力閥具有的通流面積小、流量系數(shù)小、阻力損失大、開關(guān)閥時(shí)間偏離理論、氣閥全開時(shí)間短、閥片撞擊嚴(yán)重、穩(wěn)定性差及工作壽命短等本質(zhì)性缺陷依舊存在，最終效果并不理想。

２ 旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)狀

鑒于直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)尚存在多種缺陷，研究人員提出了旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣閥氣量調(diào)節(jié)方法。唐斌等［２８］提出了一種具有圓盤形閥片的旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣閥，閥片由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鞠傳龍等［２９］提出了一種橢圓球面旋塞式進(jìn)氣閥，采用撓性偏心轉(zhuǎn)擺閥芯，減小了氣閥的運(yùn)動磨損。該氣閥可對運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)最佳開啟、關(guān)閉動作點(diǎn)以及最佳擺轉(zhuǎn)軌跡，從而完成對壓縮氣量的調(diào)節(jié)。李大成等［３０－３１］在端面旋轉(zhuǎn)控制圓盤形氣閥上設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)節(jié)口，并建立了全程控制自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對壓縮機(jī)負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)無級調(diào)節(jié)。上述進(jìn)氣閥采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式取代了自力式位移驅(qū)動方式，使進(jìn)氣閥不再處于撞擊開啟、撞擊制動的工作狀態(tài)，延長了進(jìn)氣閥及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用壽命；采用驅(qū)動器直接驅(qū)動氣閥，取消了復(fù)雜的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，維護(hù)簡單方便。但是圓盤形進(jìn)氣閥存在通流面積小、密封性差的問題；旋塞式進(jìn)氣閥存在旋轉(zhuǎn)角度大、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速低的問題。

ＣＵＩ等［３２－３３］設(shè)計(jì)了全自動多功能氣閥性能測試實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置可對現(xiàn)有氣閥的性能指標(biāo)進(jìn)行定量測試，對閥片進(jìn)行動態(tài)性能分析。在深入研究自力式氣閥以及直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)本質(zhì)性缺陷的基礎(chǔ)上，以理論示功圖為目標(biāo)開發(fā)了多種全程可控式氣閥結(jié)構(gòu)［３４－３７］，其中旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥如圖２所示。旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥由閥桿、閥座、閥芯、伺服電機(jī)及輔助安裝部件構(gòu)成，通過設(shè)定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和控制程序直接驅(qū)動閥桿和閥芯進(jìn)行周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，閥座與閥芯壁面上的梯形流道重疊或交錯，實(shí)現(xiàn)氣閥的開啟與關(guān)閉，其本質(zhì)是基于機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)氣量的無級調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥的伺服電機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能，使進(jìn)氣閥的運(yùn)動規(guī)律不受氣體力影響，閥芯可以在理論時(shí)間開啟和關(guān)閉，開、關(guān)時(shí)間可達(dá)到５～１０ｍｓ，全開時(shí)間超過壓縮機(jī)進(jìn)氣時(shí)間的７０％；相同安裝尺寸的旋轉(zhuǎn)杯狀進(jìn)氣閥有效通流面積超過自力閥的２倍，阻力損失顯著下降。旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以根據(jù)壓縮機(jī)下游用氣量準(zhǔn)確調(diào)整關(guān)閥時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了壓縮氣量的無級調(diào)節(jié)，平均節(jié)能量超過２０％。

旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決了往復(fù)壓縮機(jī)供氣與需求不匹配問題，克服了自力式氣閥受力和運(yùn)動不可控、撞擊力大及通流面積小等本質(zhì)性缺陷，具有運(yùn)動全程可控、開閥無摩擦、關(guān)閥摩擦行程小、運(yùn)動部件無撞擊、通流面積大、阻力損失小、使用壽命長、開關(guān)閥速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)精度高及實(shí)測示功圖接近理論示功圖等優(yōu)勢。

３ 進(jìn)氣閥氣量無級調(diào)節(jié)技術(shù)能效對比分析

理論示功圖為往復(fù)壓縮機(jī)在理想狀態(tài)下的循環(huán)過程，理想狀態(tài)是指壓縮機(jī)進(jìn)排氣過程中不存在壓力損失，壓力保持恒定；氣體與外界不發(fā)生能量交換；缸內(nèi)不存在余隙容積，全部氣體均能排出，如圖３所示。理論示功圖是往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化追求的目標(biāo)，按照理論示功圖進(jìn)行循環(huán)，工作效率為１００％。

往復(fù)壓縮機(jī)的實(shí)際示功圖如圖４所示，與理論示功圖的區(qū)別為：壓縮機(jī)存在余隙容積，高壓氣體不能全部排出氣缸，曲線３—４為余隙氣體膨脹過程，較大的余隙容積會減少壓縮機(jī)吸氣量，影響壓縮機(jī)能效；進(jìn)排氣過程存在能耗，主要原因是自力閥的開關(guān)閥時(shí)間偏離理論、通流面積小、阻力損失大；壓縮機(jī)供氣與需求不匹配造成了能耗損失，壓縮機(jī)按照１００％負(fù)荷進(jìn)行工作循環(huán)，循環(huán)曲線為４—１—２—３—４，但工藝需求一般只使用負(fù)荷的６０％ ～８５％，曲線１—５—６—２—１圍成的陰影面積為壓縮機(jī)浪費(fèi)的壓縮功，這部分壓縮氣體沒有用于下游工藝。

直線網(wǎng)狀氣閥部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)杯狀氣閥全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)均能根據(jù)工藝需求進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，節(jié)約因氣量不匹配消耗的壓縮功，具體過程為：進(jìn)氣閥在壓縮階段繼續(xù)維持開啟狀態(tài)，缸內(nèi)氣體被活塞推回至進(jìn)氣腔，缸內(nèi)容積不斷減少，壓力緩慢上升，循環(huán)曲線由點(diǎn)１向左移動至點(diǎn)５；缸內(nèi)氣量滿足工藝需求時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉，缸內(nèi)氣體開始壓縮，壓力快速上升，曲線由點(diǎn)５移動至點(diǎn)６，而工作負(fù)荷越小，點(diǎn)５和點(diǎn)６越向左移動。但直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能改變氣閥的自力式結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣閥的開關(guān)閥時(shí)間仍然由氣體力與彈性力決定，所以該系統(tǒng)進(jìn)排氣過程的能耗損失仍有降低空間。

旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅可以節(jié)約壓縮功，還能夠降低進(jìn)排氣過程中的能耗，示功圖如圖５所示。旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)杯狀閥代替了自力閥，通流面積增大，阻力損失減小，進(jìn)氣過程的能耗降低，進(jìn)氣曲線更平滑，更貼近理論壓力線；該系統(tǒng)采用了開關(guān)閥時(shí)間控制算法，可控制進(jìn)氣閥在理論特征點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)開關(guān)；該系統(tǒng)還可以將排氣閥改造為旋轉(zhuǎn)杯狀閥，并精準(zhǔn)控制排氣閥的開關(guān)時(shí)間，降低排氣過程的能耗。

本文采用３ＬＷ５８型往復(fù)壓縮機(jī)作為實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥的示功圖測試，并將該氣閥的實(shí)測示功圖與直線網(wǎng)狀自力式進(jìn)氣閥的實(shí)測示功圖進(jìn)行對比分析。

圖６為往復(fù)壓縮機(jī)示功圖測試實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)壓力變送器檢測壓縮機(jī)氣缸內(nèi)壓力，采用上止點(diǎn)傳感器檢測活塞抵達(dá)止點(diǎn)的時(shí)刻，上止點(diǎn)信號和動態(tài)壓力信號由ＮＩ６２１０數(shù)據(jù)采集卡采集。壓縮機(jī)連續(xù)２個(gè)上止點(diǎn)信號可計(jì)算壓縮機(jī)的運(yùn)行周期，通過壓縮機(jī)周期、氣缸直徑及曲柄半徑等參數(shù)可計(jì)算得到壓縮機(jī)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的容積，表達(dá)式為

式中：Ｘ為活塞位移；ｒ?yàn)榍霃剑沪葹榍D(zhuǎn)角，θ＝２πｔ／Ｔ，Ｔ為壓縮機(jī)運(yùn)行周期；λ為曲柄半徑與連桿長度之比；Ｖ為氣缸容積；Ｄ為氣缸直徑；Ｖｙ為余隙容積。

基于ＮＩ６２１０多功能數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可自動測錄分析示功圖，并可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)溫度、排氣量、功率及壓比等常規(guī)性能參數(shù)的檢測。壓縮機(jī)示功圖檢測控制系統(tǒng)如圖７所示。

實(shí)驗(yàn)分為２種情況，分別為一級氣缸兩側(cè)全部為直線網(wǎng)狀自力式進(jìn)氣閥和２側(cè)各替換１臺旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥。在壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，采集２種情況的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，并采用描點(diǎn)法將壓力采集結(jié)果繪圖，得到的實(shí)測示功圖如圖８所示。從圖８中可以看出，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥后，往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣曲線更平滑，更貼近理論壓力線，進(jìn)氣過程的能耗更小，可證明旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式進(jìn)氣閥的節(jié)能效果更優(yōu)。

４ 結(jié)論與展望

綜上所述，直線網(wǎng)狀部分行程頂開式調(diào)節(jié)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)供氣與需求相匹配的２種氣量調(diào)節(jié)方式，均能起到良好的節(jié)能效果。但是前者存在通流面積小、阻力損失大、撞擊嚴(yán)重、執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)雜及故障點(diǎn)多的缺陷；后者不僅可以進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，還能節(jié)約進(jìn)排氣過程的能耗，同時(shí)具有通流面積大、阻力損失小、使用壽命長、開閥無摩擦、關(guān)閥摩擦行程小、運(yùn)動部件無撞擊、開關(guān)閥速度快、調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)精度高及實(shí)測示功圖接近理論示功圖等優(yōu)勢，所以旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向，具體應(yīng)開展以下研究：

１）進(jìn)行氣體動理論、熱力學(xué)理論、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制理論及無級調(diào)節(jié)控制理論等研究；

２）基于上述理論，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)杯狀閥結(jié)構(gòu)模型、氣閥運(yùn)動模型、控制模型、氣體動力學(xué)模型和往復(fù)壓縮機(jī)熱力學(xué)循環(huán)模型；

３）建立關(guān)于通流面積、阻力系數(shù)、流量系數(shù)、馬赫數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)間等性能表征參數(shù)的理論公式；

４）基于旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，優(yōu)化往復(fù)壓縮機(jī)氣閥安裝腔結(jié)構(gòu)、氣體管路結(jié)構(gòu)、冷卻結(jié)構(gòu)和氣缸結(jié)構(gòu)；

５）研發(fā)具備高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、強(qiáng)潤滑性及耐摩擦的工程材料；

６）開發(fā)旋轉(zhuǎn)杯狀全程可控式多級氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。

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（ＷＡＮＧＤＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ＨＯＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｎｄｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｅｓｔｂｅｎｃｈａｎｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｍｅｓｈｓｕｃｔｉｏｎｖａｌｖｅ：２０２３１０３６２４６７．Ｘ［Ｐ］．２０２３－０５－３０．）

［３４］王德喜，洪曉，崔瑋琳，等．一種往復(fù)壓縮機(jī)全程控制式Ａ網(wǎng)型進(jìn)氣閥：２０２３１０５９１４９５.９［Ｐ］．２０２３－０８－１１．

（ＷＡＮＧＤＸ，ＨＯＮＧＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ｅｔａｌ．ＴｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆＡｎｅｔｔｙｐｅｓｕｃｔｉｏｎｐｌａｔｅｖａｌｖｅｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：２０２３１０５９１４９５９［Ｐ］．２０２３－０８－１１．）

［３５］王德喜，洪曉，崔瑋琳，等．一種往復(fù)壓縮機(jī)全程控制式Ｖ網(wǎng)型進(jìn)氣閥：２０２３１０５９１５４０.０［Ｐ］．２０２３－０８－０１．

（ＷＡＮＧＤＸ，ＨＯＮＧＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ｅｔａｌ．ＴｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆＶｎｅｔｔｙｐｅｓｕｃｔｉｏｎｐｌａｔｅｖａｌｖｅｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：２０２３１０５９１５４００［Ｐ］．２０２３－０８－０１．）

［３６］王德喜，崔瑋琳，洪曉，等．一種往復(fù)壓縮機(jī)全程控制式旋轉(zhuǎn)杯型進(jìn)氣閥：２０２３１０５９１４２４９［Ｐ］．２０２３－０７－２１．

（ＷＡＮＧＤＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ＨＯＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏｔａｒｙｃｕｐｐｅｄｓｕｃｔｉｏｎｖａｌｖｅｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：２０２３１０５９１４２４９［Ｐ］．２０２３－０７－２１．）

［３７］王德喜，崔瑋琳，洪曉，等．一種往復(fù)壓縮機(jī)全程控制式旋轉(zhuǎn)杯型排氣閥：２０２３１０５９３４２３８［Ｐ］．２０２３－０８－１５．

（ＷＡＮＧＤＸ，ＣＵＩＷ Ｌ，ＨＯＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏｔａｒｙｃｕｐｐｅｄｄｅｌｉｖｅｒｙｖａｌｖｅｆｏｒｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ：２０２３１０５９３４２３８［Ｐ］．２０２３－０８－１５．）

（責(zé)任編輯：楊 樹 英文審校：尹淑英）

特邀專家 王德喜，沈陽工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院院長，博士生導(dǎo)師，二級教授。榮獲中央組織部“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、科技部“國家創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃”科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才、國務(wù)院政府特殊津貼、“興遼英才計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)高端人才、“興遼英才計(jì)劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、遼寧省五一勞動獎?wù)?、遼寧省優(yōu)秀科技工作者、遼寧省勞模、遼寧省創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)先進(jìn)個(gè)人、遼寧省優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、遼寧省首批事業(yè)單位專技人員“雙創(chuàng)”先進(jìn)典型等榮譽(yù)稱號。任全國科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才聯(lián)盟理事、遼寧省機(jī)械工程學(xué)會環(huán)保工程分會理事長。主要從事壓縮機(jī)、永磁電機(jī)、三廢治理、資源綜合利用、鎂質(zhì)新材料研發(fā)、生產(chǎn)及高端裝備制造等方面研究。致力于節(jié)能降碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)科技成果轉(zhuǎn)化，開發(fā)適應(yīng)國家“雙碳戰(zhàn)略”的節(jié)能減排技術(shù)及產(chǎn)品，構(gòu)建科技、教育、產(chǎn)業(yè)與區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展示范區(qū)，建立“企業(yè)＋高校＋地方政府”深度融合的科技成果產(chǎn)業(yè)化新模式。