吳萬榮，梁向京，婁 磊

?

移動(dòng)式雙螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

吳萬榮，梁向京※，婁 磊

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

在對(duì)移動(dòng)式雙螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理分析基礎(chǔ)上，建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)主機(jī)子系統(tǒng)和進(jìn)氣控制子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink平臺(tái)構(gòu)建空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)空氣壓縮機(jī)在加/卸載運(yùn)行條件下的系統(tǒng)壓力、流量和軸功率進(jìn)行仿真分析，以研究雙螺桿空氣壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性；并通過試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的有效性。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：用氣量對(duì)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響，用氣量波動(dòng)越大，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)軸功率越高，能量利用率越低，且壓力波動(dòng)越大；用氣量越大，空氣壓縮機(jī)加卸載頻率越低，系統(tǒng)能量利用率越高；仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差小于5%，所建立的數(shù)學(xué)模型能反映空氣壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)加、卸載運(yùn)行過程。該研究可為空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行提供參考。

計(jì)算機(jī)仿真；模型；試驗(yàn)；雙螺桿空氣壓縮機(jī)；熱力學(xué)；能量損失

0 引 言

壓縮空氣作為一種重要?jiǎng)恿υ?，因其具有生產(chǎn)簡便、環(huán)保、安全、輸送方便等優(yōu)點(diǎn)而得到大規(guī)模使用[1-3]?？諝鈮嚎s機(jī)（簡稱空壓機(jī)）將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能，是壓縮空氣系統(tǒng)中的“核心”。目前，常用的容積式空氣壓縮機(jī)有活塞式空氣壓縮機(jī)和雙螺桿空氣壓縮機(jī)。其中，移動(dòng)式雙螺桿式空氣壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、體積小以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸取代活塞式空氣壓縮機(jī)，廣泛應(yīng)用于水利水電、水井鉆鑿等領(lǐng)域[4-7]。

國內(nèi)外專家對(duì)雙螺桿式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作過程性能等進(jìn)行了大量深入研究[8-11]。文獻(xiàn)[12-15]研究了螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線，并提出各種高效型線的設(shè)計(jì)方法和加工方法，為提高壓縮機(jī)的效率和改善壓縮機(jī)的性能提供依據(jù)。Rane等[16]提出了一種代數(shù)網(wǎng)格生成算法，并應(yīng)用CFD研究了不同螺桿轉(zhuǎn)子對(duì)壓縮機(jī)性能的影響。Wu等[17-19]建立制冷螺桿壓縮機(jī)工作過程數(shù)學(xué)模型，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量壓縮機(jī)在不同工況下的-圖，研究螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)過程。Li等[20]對(duì)噴水螺桿空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，分析了噴水量對(duì)空氣壓縮機(jī)性能的影響。Liu等[21]考慮運(yùn)行條件和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，建立了制冷用螺桿壓縮機(jī)模型，該模型可用于壓縮機(jī)系統(tǒng)仿真和參數(shù)優(yōu)化。Valenti等[22]研究了潤滑油在容積式空氣壓縮機(jī)壓縮過程中的熱效應(yīng)，其結(jié)果表明合理分布在壓縮空氣中的適量潤滑油液能有效減小氣體溫升，并降低壓縮功耗。Seshaiah等[23-24]通過試驗(yàn)確定了傳熱系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行理論建模，分析了螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)功率和容積效率的影響?？椎挛牡萚25-26]對(duì)螺桿空氣壓縮機(jī)運(yùn)行能耗進(jìn)行分析，并提出了令螺桿空氣壓縮機(jī)在加卸載工況下能耗最小的最優(yōu)控制方案。趙前程等[27]建立了螺桿空氣壓縮機(jī)供氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了電機(jī)變頻調(diào)速控制和加、卸載控制工況下空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。

目前對(duì)整個(gè)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)研究較少。本文將空氣壓縮機(jī)分為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、壓縮機(jī)主機(jī)子系統(tǒng)、進(jìn)氣控制子系統(tǒng)，建立移動(dòng)式雙螺桿空氣壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型。該模型不再單一研究螺桿空氣壓縮機(jī)主機(jī)的工作性能，而是在考慮空氣壓縮機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，以期提高移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)工作效率，為降低空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)能耗提供參考。

1 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)建模

圖1為移動(dòng)式雙螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，空氣被不斷的吸入空氣壓縮機(jī)中，經(jīng)過壓縮使空氣壓力上升后排出。同時(shí)，少量油液在壓差作用下噴入空氣壓縮機(jī)工作腔中。這部分油液用于潤滑空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承等；并降低壓縮過程中氣體的溫度。含油的壓縮空氣從空氣壓縮機(jī)排氣口經(jīng)管道進(jìn)入油氣分離器中，在離心力的作用下油液與壓縮空氣分離。經(jīng)過分離之后的壓縮空氣經(jīng)過最小壓力閥，再由散熱器進(jìn)行冷卻，通過排氣閥進(jìn)入用戶空氣管網(wǎng)。分離出來的油液沉降到油氣分離器底部，流經(jīng)溫控閥和冷卻器，在壓差作用下再回到空氣壓縮機(jī)主機(jī)工作腔中進(jìn)行循環(huán)。

1.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)子模型

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與空氣壓縮機(jī)主機(jī)相連，忽略聯(lián)軸器的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)與空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡，得到轉(zhuǎn)矩方程如下

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為

式中J和J分別是螺桿空氣壓縮機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；M是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；M是螺桿空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；M是摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度，rad/s2；n是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；P是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；M是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

研究表明，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性曲線是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的函數(shù)[28-31]。根據(jù)康明斯6BTAA5.9-C180型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性方程為

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在調(diào)速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其調(diào)速特性曲線可以由下列方程近似表示

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出轉(zhuǎn)矩M為

式中是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度；C是黏性阻尼系數(shù)。

調(diào)速狀態(tài)下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速是油門開度的函數(shù)

式中n是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；n是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2 空氣壓縮機(jī)子模型

圖2為雙螺桿空氣壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，雙螺桿空氣壓縮機(jī)中相互嚙合的一對(duì)轉(zhuǎn)子間形成幾組特殊的幾何形狀（齒間容積），隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，空氣壓縮機(jī)中每對(duì)相互嚙合的齒將相繼完成工作循環(huán)?？諝鈮嚎s機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈的工作循環(huán)可分為吸氣、壓縮、排氣3個(gè)過程。吸氣過程中，齒間容積從0不斷增大，空氣從進(jìn)氣閥被吸入。在吸氣過程結(jié)束之時(shí)，齒間容積達(dá)到最大值。在此之后，隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒間容積與進(jìn)氣腔的連接斷開，壓縮過程開始。壓縮過程中齒間容積不斷變小，空氣被連續(xù)壓縮，當(dāng)齒間容積變?yōu)樽钚≈禃r(shí)，它將與排氣腔連通，壓縮空氣由排氣口排出。由于空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，可將壓縮機(jī)工作過程視為連續(xù)進(jìn)行。

1.2.1 基本熱力學(xué)過程

在實(shí)際工作環(huán)境中，空氣中含有水蒸汽。將空氣視為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有

式中是氣體壓力，Pa；是氣體體積，m3；是氣體質(zhì)量，kg；air是空氣的氣體常數(shù)，287J/(kg·K)；是氣體溫度，K。

在已知溫度T和壓力P條件下，濕空氣密度ρ可以表示為干空氣密度ρ,l和水蒸汽密度ρ,w之和

1.2.2 壓縮過程建模

由于壓縮過程中有油液進(jìn)入空氣壓縮機(jī)與空氣混合，因此實(shí)際壓縮過程不是等熵絕熱過程，而是多變過程。壓縮過程結(jié)束之時(shí)與吸氣過程結(jié)束時(shí)齒間容積中的空氣壓力有以下關(guān)系

實(shí)際壓縮過程中，多變指數(shù)可用式（12）計(jì)算。

式中P和in分別是壓縮過程結(jié)束與吸氣過程結(jié)束之時(shí)齒間容積中空氣壓力，Pa；V和in分別是壓縮過程結(jié)束時(shí)與吸氣過程結(jié)束時(shí)齒間容積的體積，m3；是氣體多變指數(shù)；T和in分別是壓縮過程結(jié)束與吸氣過程結(jié)束時(shí)的空氣溫度，K。

當(dāng)壓縮過程結(jié)束后，空氣將進(jìn)入油氣分離器中。忽略空氣流經(jīng)管道的壓力損失，則排氣腔和油氣分離器中的空氣壓力相等。當(dāng)空氣壓縮機(jī)排氣腔壓力等于系統(tǒng)壓力時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生額外的能量損失。但通常情況下空氣壓縮機(jī)排氣壓力P會(huì)低于或者高于系統(tǒng)壓力P，此時(shí)消耗的能量將比P=P時(shí)更多?？諝鈮嚎s機(jī)每轉(zhuǎn)單個(gè)工作容腔氣體壓縮所做的熱力學(xué)功為

式中P是系統(tǒng)壓力，MPa；W是熱力學(xué)功，J。

當(dāng)空氣壓縮機(jī)加載運(yùn)行時(shí)，油氣分離器中壓力等于系統(tǒng)壓力。因此，氣體壓縮的等熵絕熱功率為

空氣壓縮機(jī)實(shí)際消耗的軸功率為

式中n是螺桿空氣壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；是螺桿空氣壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)；is是空氣壓縮機(jī)的絕熱效率；P是空氣壓縮機(jī)等熵絕熱功率，W；P是空氣壓縮機(jī)軸功率，W。

1.3 進(jìn)氣控制子模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于種種原因需要控制空氣壓縮機(jī)的容積流量，用于適應(yīng)負(fù)載對(duì)壓縮空氣的壓力、流量需求，同時(shí)減少空氣壓縮機(jī)能耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

目前，螺桿空氣壓縮機(jī)常用加、卸載調(diào)節(jié)方式對(duì)空氣壓縮機(jī)的容積流量進(jìn)行控制。空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)后，排氣壓力很快達(dá)到設(shè)定系統(tǒng)加載壓力，空氣壓縮機(jī)進(jìn)入加載工況。當(dāng)用氣量Q（m3）等于空氣壓縮機(jī)排氣量時(shí)，系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定。當(dāng)用氣量Q低于空氣壓縮機(jī)排氣量時(shí)，系統(tǒng)壓力會(huì)不斷升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過卸載壓力時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)，使空氣壓縮機(jī)進(jìn)入卸載工況。此時(shí)，進(jìn)氣閥將逐漸關(guān)閉，空氣壓縮機(jī)停止向外界供氣。但有少量空氣被吸入空氣壓縮機(jī)，使?jié)櫥鸵簢娙臊X間容積中，以保持螺桿轉(zhuǎn)子與軸承的潤滑。同時(shí)為了減少空氣壓縮機(jī)能耗，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降至怠速。卸載工況下，隨著用戶繼續(xù)使用壓縮空氣，系統(tǒng)壓力將會(huì)降低。當(dāng)壓力下降到低于加載壓力時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)使得進(jìn)氣閥完全打開，并且發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行，空氣壓縮機(jī)重新進(jìn)入加載狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)氣閥完全打開時(shí)，空氣流經(jīng)進(jìn)氣閥口無壓力損失，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，空氣壓縮機(jī)吸入的空氣質(zhì)量air為

當(dāng)進(jìn)氣閥沒有完全打開時(shí)，空氣流經(jīng)閥口處會(huì)產(chǎn)生壓力損失，且壓力損失隨進(jìn)氣閥的開啟角度不同而發(fā)生變化。根據(jù)進(jìn)氣閥的流體動(dòng)力學(xué)分析，空氣流經(jīng)閥口處的壓力損失為

根據(jù)質(zhì)量守恒定理，空氣流經(jīng)閥口后的質(zhì)量流量不變，得到以下關(guān)系式

式中Q是進(jìn)氣閥口前的空氣體積流量，m3/min；in是進(jìn)氣閥口后的空氣體積流量，m3/min；是空氣的質(zhì)量流量，kg/min；T是進(jìn)氣閥口前的空氣溫度，K。

假設(shè)空氣流經(jīng)進(jìn)氣閥口的溫升可以忽略，則進(jìn)氣閥口前的空氣流速v可以表示為

式中A是進(jìn)氣閥口前的管道通流截面積，m2。

進(jìn)氣閥口后的空氣流速可由式（20）表達(dá)。

把式（20）帶入式（19），可得

2 仿真分析

2.1 模型建立與仿真參數(shù)確定

為了得到空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)仿真模型。圖3所示為空氣壓縮機(jī)簡化模型，該模型由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)子模塊、空氣壓縮機(jī)主機(jī)子模塊和進(jìn)氣系統(tǒng)子模塊組成。

螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。仿真初始條件為：加載壓力1=0.71 MPa，卸載壓力2=0.76 MPa，仿真時(shí)間280 s，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)絕熱效率78%，大氣壓力0.1 MPa，環(huán)境溫度23.8 ℃，空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣管直徑為76 mm。

表1 空氣壓縮機(jī)主要參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4為設(shè)定的3種用氣量Q曲線。其中：曲線1表示用氣量Q在2.49~16.64 m3/min周期性變化；曲線2表示用氣量恒定為11 m3/min；曲線3表示用氣量恒定為8.16 m3/min，是曲線1所示用氣量的平均值。3種用氣量條件下得到的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5a為不同用氣量條件下空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力的變化曲線。由圖5a可知，3種用氣量條件下，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力均在設(shè)定的加載壓力0.71 MPa與卸載壓力0.76 MPa之間變化。隨著用氣量增大，空氣壓縮機(jī)加載卸載頻率減小。用氣量波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)壓力隨之波動(dòng)。

圖5b為不同用氣量條件下空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的流量變化曲線。從圖5b可知，進(jìn)入卸載狀態(tài)后空氣壓縮機(jī)流量迅速下降至0，直到空氣壓縮機(jī)重新加載。在加載狀態(tài)下，隨著用氣量變化，空氣壓縮機(jī)的流量改變很少。

圖5c為不同用氣量條件下的空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)軸功率。如圖5c所示，進(jìn)入卸載狀態(tài)后，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的軸功率迅速下降，并且明顯小于加載狀態(tài)下系統(tǒng)的軸功率。當(dāng)用氣量Q=8.6 m3/min時(shí)，空氣壓縮機(jī)在一次加卸載時(shí)間內(nèi)平均軸功率為96.2 kW，單位用氣量的平均軸功率為11.18 kW/(m3/min)。用氣量波動(dòng)時(shí)空氣壓縮機(jī)平均軸功率為99.5 kW，單位用氣量的平均軸功率為11.57 kW/(m3/min)。這說明當(dāng)平均用氣量不變時(shí)，用氣量波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)的平均軸功率和單位用氣量的軸功率都增大，空氣壓縮機(jī)能量利用率下降。用氣量Q=11 m3/min時(shí)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)平均軸功率為112.2 kW，單位用氣量的軸功率為10.2 kW/(m3/min)。這說明用氣量大時(shí)，空氣壓縮機(jī)平均軸功率增大，但單位用氣量的平均軸功率隨之減小，空氣壓縮機(jī)能量利用率有所提高。

3 試驗(yàn)與分析

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，搭建空氣壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)及有關(guān)傳感器等組成，如圖6所示。采用日本橫河EJA110A壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)壓力，測(cè)量范圍為0～1.4 MPa，測(cè)量精度為±0.065%；采用日本橫河YEWFLO渦街流量傳感器測(cè)量空氣壓縮機(jī)流量，測(cè)量精度為±1%，采用北京新宇航JN338-A轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量空氣壓縮機(jī)功率，測(cè)量精度為±0.2%，并利用臺(tái)灣研華的PCI-1712數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳遞至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？諝鈮嚎s機(jī)主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定空氣壓縮機(jī)加載壓力、卸載壓力與仿真時(shí)一致，用氣量保持11 m3/min不變。

表2為空氣壓縮機(jī)加卸載運(yùn)行時(shí)，空氣壓縮機(jī)最大最小功率以及對(duì)應(yīng)的流量與系統(tǒng)壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較。從表中可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，最大相對(duì)誤差小于5%，證實(shí)了數(shù)學(xué)模型的有效性。試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因是模型忽略了機(jī)械損失以及螺桿空氣壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏。

表2 螺桿空氣壓縮機(jī)加/卸載工況下性能試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)軸功率及壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如圖7所示。從圖7可知螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)加/卸載過程中軸功率與壓力試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線的變化趨勢(shì)一致，最大相對(duì)誤差為4.75%，說明所建立螺桿空氣壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際符合。

4 結(jié) 論

1）在螺桿空氣壓縮機(jī)工作過程中，用氣量會(huì)影響空氣壓縮機(jī)的系統(tǒng)壓力。用氣量波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)壓力產(chǎn)生明顯波動(dòng)；用氣量越大，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力變化的速率越低，即空氣壓縮機(jī)加卸載頻率越低。

2）用氣量越大，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)平均軸功率越大，單位用氣量的軸功率越小，系統(tǒng)能量利用率越高；用氣量波動(dòng)越大，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)平均軸功率越大，單位用氣量的軸功率越大，系統(tǒng)能量利用率越低。

3）對(duì)空氣壓縮機(jī)加卸載過程進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果最大相對(duì)誤差小于5%，驗(yàn)證了所建模型的有效性。

[1] 邢子文. 螺桿壓縮機(jī)－理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：1－10.

[2] Vittorini D, Cipollone R. Energy saving potential in existing industrial compressors[J]. Energy, 2016, 102: 502－515.

[3] Zhao Z, Tian Y, Hou F, et al. Performance analysis of a refrigerant extracting twin screw compressor employed in multi-temperature heat pump systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 67: 383－394.

[4] Stosic N, Smith I, Kovacevic A. Screw Compressors- Mathematical Modeling and Performance Calculation[M]. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2005.

[5] 裴玲玲. 鉆頭自回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)潛孔錘的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長春：吉林大學(xué)，2016.

Pei Lingling. Study and Design of Pneumatic DTH Hammer with Self-propeller Round Bit[D]. Changchun: Jilin University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[6] 許劉萬，王艷麗，左新明. 我國水井鉆探裝備的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 探礦工程：巖土鉆掘工程，2012，39(4)：1－7.

Xu Liuwan, Wang Yanli, Zuo Xinming. Development and the application of water well drilling equipment in China[J]. Exploration Engineering: Rock & Soil Drilling and Tunneling, 2012, 39(4): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[7] 葛林，李純，李超. 多功能拖車水井鉆機(jī)在抗旱灌溉中的應(yīng)用[J]. 山東水利，2015(8)：55－56.

[8] 吳華根，唐昊，王養(yǎng)浩，等. 間隙對(duì)雙螺桿制冷壓縮機(jī)性能的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(2)：130－134.

Wu Huagen, Tang Hao, Wang Yanghao, et al. Clearance effects on performance of twin screw refrigeration compressor[J]. Journal of Xi’ an Jiaotong University, 2015(2): 130－134. (in Chinese with English abstract)

[9] 董誠誠. 車載雙螺桿壓縮機(jī)流場(chǎng)分析及性能研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2014.

Dong Chengcheng. The Flow Field Analysis and Performance Research on Vehicle Twin-Screw Compressor[D]. Changsha: Central South University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[10] Wu Y R, Tran V T. Dynamic response prediction of a twin-screw compressor with gas-induced cyclic loads based on multi-body dynamics[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 65: 111－128.

[11] Arjeneh M, Kovacevic A, Rane S, et al. Numerical and experimental investigation of pressure losses at suction of a twin screw compressor[J]. British Food Journal, 2015, 90(1): 137－143.

[12] Wu Y, Hsu W. A general mathematical model for continuous generating machining of screw rotors with worm-shaped tools[J]. Applied Mathematical Modelling, 2014, 38(1): 28－37.

[13] Zaytsev D, Ferreira C A I. Profile generation method for twin screw compressor rotors based on the meshing line[J]. International Journal of Refrigeration, 2005, 28(5): 744－755.

[14] Wu Y R, Fong Z H. Improved rotor profiling based on the arbitrary sealing line for twin-screw compressors[J]. Mechanism & Machine Theory, 2008, 43(6): 695－711.

[15] 趙永強(qiáng)，趙升噸，魏偉鋒，等. 螺桿轉(zhuǎn)子磨削及計(jì)算機(jī)數(shù)控砂輪修整[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，50(8)：6－14.

Zhao Yongqiang, Zhao Shengdun, Wei Weifeng, et al. Screw rotor grinding and computer numerical control grinding wheel dressing[J]. Journal of Xi’ an Jiaotong University. 2016, 50(8): 6－14. (in Chinese with English abstract)

[16] Rane S, Kovacevic A, Stosic N, et al. Deforming grid generation and CFD analysis of variable geometry screw compressors[J]. Computers & Fluids, 2014, 99(7): 124－141.

[17] Wu H, Xing Z, Shu P. Theoretical and experimental study on indicator diagram of twin screw refrigeration compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2004, 27(4): 331－338.

[18] Wu H, Li J, Xing Z. Theoretical and experimental research on the working process of screw refrigeration compressor under superfeed condition[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(8): 1329－1335.

[19] Wu H, Xing Z, Peng X, et al. Simulation of discharge pressure pulsation within twin screw compressors[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2004, 218(4): 257－264.

[20] Li J, Wu H, Wang B, et al. Research on the performance of water-injection twin screw compressor[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(16): 3401－3408.

[21] Liu J, Li Q, Wang F, et al. A new model of screw compressor for refrigeration system simulation[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(4): 861－870.

[22] Valenti G, Colombo L, Murgia S, et al. Thermal effect of lubricating oil in positive-displacement air compressors[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 51(1/2): 1055－1066.

[23] Seshaiah N, Ghosh S K, Sahoo R K, et al. Mathematical modeling of the working cycle of oil injected rotary twin screw compressor[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(1): 145－155.

[24] Seshaiah N, Sahoo R K, Sarangi S K. Theoretical and experimental studies on oil injected twin-screw air compressor when compressing different light and heavy gases[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(4): 327－339.

[25] 孔德文，林惟鋟，杜丙同. 螺桿空壓機(jī)容積流量調(diào)節(jié)的能耗分析[J]. 液壓與氣動(dòng)，2011(5)：91－93.

[26] 孔德文，林惟鋟，蔡茂林，等. 螺桿空壓機(jī)加卸載工況下節(jié)能運(yùn)行分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(3)：405－409.

Kong Dewen, Lin Weiqin, Cai Maolin, et al. Analysis on energy-saving operation of screw compressor under load /unload operating conditions[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2012, 38(3): 405－409. (in Chinese with English abstract)

[27] 趙前程，戴巨川，覃業(yè)軍. 空壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 壓縮機(jī)技術(shù)，2013(1)：23－28.

Zhao Qiancheng, Dai Juchuan, Qin Yejun, et al. Research on system modeling and dynamic characteristic of air compressor pressure control system[J]. Compressor Technology, 2013(1): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[28] 常綠. 基于性能評(píng)價(jià)網(wǎng)狀圖的裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1)：50－54.Chang Lü. Optimization of power matching on torque-converter with diesel engine for wheel loader based on performance evaluation mesh figure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 50－54. (in Chinese with English abstract)

[29] 李牧菲. 并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)能量管理方法研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2014.

Li Mufei. Research on Energy Management Method for Parallel Hybrid Loader[D]. Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[30] 徐禮超，侯學(xué)明. 基于典型工況的裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(7)：80－84.

Xu Lichao, Hou Xueming. Power matching on loader engine and hydraulic torque converter based on typical operating conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 80－84. (in Chinese with English abstract)

[31] 董巖. 并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)能量管理策略及優(yōu)化研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2015.

Dong Yan. Research on Strategy and Optimization of Energy Management for Parallel Hybrid Loader[D]. Changchun: Jilin University, 2015. (in Chinese with English abstract)

Dynamic characteristics analysis of portable twin screw air compressor system

Wu Wanrong, Liang Xiangjing※, Lou Lei

(410083,)

As the producer of compressed air, portable twin-screw air compressors are widely used in many industrial applications taking into account its reliability and compact feature.The compressor system is frequently operated under unload condition to achieve the air flow consumption. Under the unload condition, the air compressor still requires a lot of energy, but the air compressor stops supplying compressed air to the network. This is often ignored when studying the energy consumption of the compressor. It is important to research the dynamic performance of the portable twin-screw air compressor to reduce the energy consumption of compressor system. The system composition of portable twin-screw air compressor was described and the operating principle was analyzed. The twin-screw air compressor was divided into 3 subsystems: diesel engine, twin-screw compressor and intake valve control. For each subsystem a mathematical model was established and explained in detail. The dynamic simulation model of the portable twin-screw air compressor was implemented on the platform of MATLAB/Simulink. Three different air flow consumption loading patterns of compressor were simulated in order to understand the dynamic performance of the portable twin-screw air compressor with different air flow consumption. Some primary performance parameters of the screw compressor under load and unload conditions, such as system pressure, flow rate and shaft power, were analyzed by numerical simulations. Experimental investigation on a twin-screw air compressor under load and unload conditions was carried out to verify the integrated model. The performances of the compressor under load/unload conditions, such as system pressure and shaft power consumption, were measured with the experimental apparatus. The research results showed that the dynamic characteristics of twin-screw air compressor system under load/unload conditions were influenced by air flow consumption. According to the influence of air flow consumption on the screw compressor system, the system pressure had obvious fluctuation with the variable air flow demand pattern. The pressure change rate decreased with the increased air flow consumption. It meant that the load/unload frequency of screw compressor was reduced. When the air flow consumption was greater, the twin-screw air compressor had a greater average shaft power of system, a smaller shaft power of air flow consumption per unit and a higher energy utilization ratio. When the fluctuation range of air flow consumption was greater, the twin-screw air compressor had a greater average shaft power of system, a greater shaft power of air flow consumption per unit and a lower energy utilization ratio. Therefore, when the twin-screw air compressor runs under the load/unload conditions, it should reduce the fluctuation range of air flow consumption, and increase the air flow consumption to improve working efficiency. Simulation results are in good agreement with the experimental ones. It was shown that the error between the measured and calculated data was less than 5%. So the dynamic working process of twin-screw compressor under load/unload conditions can be predicted exactly by means of the mathematical models. Therefore, this research can be useful for energy-saving running of twin-screw air compressors.

computer simulation; models; experiments; twin screw air compressor; thermodynamics; energy losses

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.010

TH138

A

1002-6819(2017)-02-0073-07

2016-05-11

2016-11-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃，2012AA041801）

吳萬榮，湖南漢壽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電液集成控制研究。長沙 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，410083。Email：csuwwr@163.com

梁向京，湖南長沙人，博士生，主要從事機(jī)電液集成控制研究。長沙 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，410083。Email：liangxiangjing@163.com

吳萬榮，梁向京，婁 磊. 移動(dòng)式雙螺桿空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：73－79. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.010 http://www.tcsae.org

Wu Wanrong, Liang Xiangjing, Lou Lei. Dynamic characteristics analysis of portable twin screw air compressor system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 73－79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.010 http://www.tcsae.org