邢 雪

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

利用DASP測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械性能的綜合實(shí)驗(yàn)

邢 雪

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

利用DASP軟件與傳感器、控制元件、計(jì)算機(jī)等建立典型流體機(jī)械性能的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)參數(shù)的采集、整理、計(jì)算和分析，用以完成氣缸內(nèi)瞬態(tài)壓力曲線和氣閥閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線等錄測(cè)及示功圖的轉(zhuǎn)換與分析。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)分析和實(shí)時(shí)計(jì)算指示功率、軸功率、容積流量及功率損失和效率等，并可通過改變轉(zhuǎn)速、改變壓力比進(jìn)行性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。另外系統(tǒng)可根據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行變工況的經(jīng)濟(jì)性分析，尋找最佳參數(shù)及適宜的熱力工況。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)簡化，測(cè)試方案靈活，具有測(cè)量精度高、測(cè)試速度快、操作直觀和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便等特點(diǎn)。

DASP軟件； 流體機(jī)械； 性能測(cè)試； 綜合實(shí)驗(yàn)

0 引 言

流體機(jī)械性能的測(cè)試和檢測(cè)是高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)及專業(yè)的科研院所、生產(chǎn)企業(yè)研究機(jī)器性能必要的基本實(shí)驗(yàn)，其性能測(cè)試和檢測(cè)的手段、方法尤為重要。準(zhǔn)確測(cè)量其性能參數(shù)和指標(biāo)，關(guān)系到機(jī)器的效率、成本和壽命等問題[1]。

DASP軟件是北京東方所開發(fā)的動(dòng)靜態(tài)多參數(shù)采集和分析軟件。DASP軟件與傳感器、控制元件、計(jì)算機(jī)構(gòu)成全新的動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)，用這種智能化的虛擬儀器取代傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，可簡化原系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成套設(shè)備儀器，提高測(cè)試精度、效率，且操作便捷。為此，采用DASP軟件改進(jìn)流體機(jī)械性能綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，除可以提高測(cè)試效率、測(cè)試精度外，還可以提高機(jī)器性能測(cè)試的智能化程度，減少人為誤差，增加分析及存儲(chǔ)功能等。有利于綜合分析影響因素，判斷機(jī)器故障原因，尋找提高機(jī)器效率的途徑，更有利于高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)驗(yàn)證所學(xué)理論，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用和分析能力。

1 測(cè)試方案的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理念及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的原則是設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有先進(jìn)性、實(shí)用性、方便性和綜合性及動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)機(jī)應(yīng)選擇典型的流體機(jī)械，小型的活塞式壓縮機(jī)或小型的離心泵比較適宜。本實(shí)驗(yàn)機(jī)選用較典型的小型活塞式空氣壓縮機(jī)，實(shí)驗(yàn)方法滿足性能測(cè)試的國家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試內(nèi)容覆蓋被測(cè)機(jī)器的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試人員操作、記錄、計(jì)算和分析方便。測(cè)試手段和水平先進(jìn)，并有利于學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB3853(一般用容積式空氣壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法)中規(guī)定的要求設(shè)計(jì)[2]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要圍繞功率和容積流量。需要測(cè)量的參數(shù)包括級(jí)的瞬態(tài)進(jìn)排氣口狀態(tài)的壓力、溫度；容積流量測(cè)量裝置中噴嘴前后的瞬態(tài)物理量變化；瞬態(tài)氣缸內(nèi)壓力及主軸的轉(zhuǎn)矩 、轉(zhuǎn)速等。實(shí)驗(yàn)可分為單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：①轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及軸功率測(cè)定；②活塞式壓縮機(jī)容積流量測(cè)定；③壓縮機(jī)指示圖錄??；④氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定[3]，也可同時(shí)綜合完成。采用調(diào)頻的方法[4]，改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)速下，性能對(duì)比。另外，設(shè)有通過改變背壓的方法調(diào)整參數(shù)對(duì)比性能。最終達(dá)到從實(shí)驗(yàn)上尋找最佳參數(shù)，確定節(jié)能的途徑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)建實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由硬件和軟件組成[5-6]。系統(tǒng)包括：動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采樣，采樣數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及參數(shù)調(diào)節(jié)控制，測(cè)試曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，計(jì)算、分析、顯示和打印4大部分。選用11ZA-1.5/8型小型活塞式壓縮機(jī)為實(shí)驗(yàn)機(jī)，硬件部分由轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、排氣量測(cè)量裝置、壓力、溫度、位移等信號(hào)傳感器，A/D數(shù)據(jù)采集儀及控制箱，計(jì)算機(jī)及打印機(jī)等組成[7]。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要設(shè)備及測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件構(gòu)成示意圖如圖2所示，測(cè)試及分析軟件分為兩部分：①利用DASP軟件完成信號(hào)采集轉(zhuǎn)換、信號(hào)參數(shù)標(biāo)定及工況改變控制部分、采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、實(shí)時(shí)瞬態(tài)測(cè)試曲線及通用常規(guī)的分析；②具體的性能參數(shù)分析、計(jì)算，采樣數(shù)據(jù)調(diào)用、系數(shù)查找等。程序編制主要以②為主，以4個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為主線，并考慮變工況后，由于改變參數(shù)，對(duì)機(jī)器性能的影響。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，尋找最佳參數(shù)及適宜的熱力工況。

1-電機(jī)；2-儲(chǔ)氣罐；3-止點(diǎn)傳感器；4-扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；5-固定式小型壓縮機(jī)；6，7-進(jìn)氣壓力、溫度；8-壓力傳感器；9，10-排氣壓力、溫度；11-調(diào)節(jié)控制閥；12，13-噴嘴前后水柱差、噴嘴前氣體溫度；14-排氣量測(cè)量裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要設(shè)備及測(cè)點(diǎn)示意圖

圖2 測(cè)試軟件構(gòu)成示意圖

2 實(shí)驗(yàn)曲線

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)機(jī)器性能，首先在規(guī)定工況下，分別做示功圖錄取[8]、指示功率測(cè)定、容積流量測(cè)定、氣閥閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定4個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，也可同時(shí)完成綜合實(shí)驗(yàn)。規(guī)定工況一般可按常用工況或額定工況確定。之后改變工況：①采用調(diào)整控制儲(chǔ)氣罐壓力的方法進(jìn)行；②通過改變轉(zhuǎn)速的方法。即在不同的排氣壓力和不同的轉(zhuǎn)速下對(duì)機(jī)器的性能進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)[9]。

2.1 壓力標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，首先對(duì)壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。開機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通向氣缸的壓力傳感器此時(shí)與氣缸斷開，連通進(jìn)氣管道。記錄該時(shí)刻的信號(hào)和被測(cè)進(jìn)氣壓力值。之后，壓力傳感器的被測(cè)壓力，切換到與排氣連通?？紤]到排氣管道內(nèi)氣體壓力波動(dòng)，連通的排氣狀態(tài)氣體由此時(shí)儲(chǔ)氣罐氣體反饋引入。記錄該時(shí)刻的信號(hào)和被測(cè)排氣壓力值。由此，計(jì)算出壓力信號(hào)的標(biāo)定系數(shù)(Pa/V)為

(1)

式中：壓力p1、p2分別為定標(biāo)采樣時(shí)的進(jìn)、排氣壓力值；電壓值U1、U2分別是測(cè)定兩個(gè)壓力所對(duì)應(yīng)的電壓值。

2.2 測(cè)試曲線

活塞式壓縮機(jī)性能中，重要的性能測(cè)試曲線：①氣缸內(nèi)瞬態(tài)壓力曲線，實(shí)測(cè)曲線如圖3所示；②氣閥閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線[10-11]，實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。通過兩條實(shí)際測(cè)試曲線可定性和定量的分析、計(jì)算該機(jī)器的主要性能，判斷損失和故障等。直接關(guān)系到機(jī)器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

圖3 氣缸內(nèi)實(shí)際瞬態(tài)壓力曲線

圖4 氣閥閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

2.3 計(jì)算分析

流體機(jī)械重要的性能指標(biāo)主要有容積流量和指示功率。

2.3.1 容積流量計(jì)算

容積流量按GB3853采用噴嘴法測(cè)量。測(cè)量裝置見圖5。在測(cè)量工況運(yùn)行穩(wěn)定后，實(shí)際采集氣體通過低壓筒噴嘴前后的物理量。容積流量如下：

(2)

式中：C為噴嘴系數(shù)，根據(jù)工況范圍選用數(shù)據(jù)查找功能，按采集的參數(shù)，插值確定噴嘴線型，查噴嘴系數(shù)表確定，程序中已建立了噴嘴線型及噴嘴系數(shù)表；d為噴嘴直徑，mm；x1為Ⅰ級(jí)進(jìn)氣絕對(duì)溫度，K；H為噴嘴前后水柱差，Pa；p0為試驗(yàn)處大氣壓力；T1為噴嘴前氣體的絕對(duì)溫度，K。

1，2-溫度測(cè)點(diǎn)；3，4-壓力測(cè)點(diǎn)

圖5 噴嘴法測(cè)量容積流量裝置示意圖

2.3.2 軸功率計(jì)算

實(shí)驗(yàn)的方法求取壓縮機(jī)的軸功率，有兩種途徑：①通過測(cè)試裝置中的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器直接獲得瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)換后直接得到。②通過氣缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力曲線，把它按循環(huán)轉(zhuǎn)換成封閉曲線，即示功圖。然后求取封閉曲線的面積，該面積表示就是實(shí)際循環(huán)功，如圖6所示。

圖6 實(shí)際循環(huán)示功圖分析示意圖

可通過示功圖的面積求取實(shí)際的循環(huán)功，即指示功。還可以通過示功圖計(jì)算、分析損失及效率?？梢?，方法①簡單、直接、準(zhǔn)確且方便，在測(cè)量軸功率時(shí)多被采用。只要把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸功率：Nz=Mn/9 551，軸功率計(jì)算即完成。方法②的特點(diǎn)是分析方便且細(xì)節(jié)直觀，但要通過示功圖按數(shù)值積分的辦法，求取相應(yīng)的圖形面積。略有繁瑣，故多在分析時(shí)，計(jì)算損失和效率時(shí)使用。

可由內(nèi)止點(diǎn)開始，對(duì)實(shí)際壓縮過程、排氣過程的向蓋行程所圍成的面積數(shù)值積分[12-13]，如圖7(a)所示。再由外止點(diǎn)開始，對(duì)膨脹過程、吸氣過程的向軸行程所圍成的面積數(shù)值積分，如圖7(b)所示。差值即為圖解法求取的實(shí)際循環(huán)指示功。

其中：

i為數(shù)據(jù)的序號(hào)；zd為兩個(gè)相鄰止點(diǎn)間的數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)；p1(i)為p1(X)線第i點(diǎn)的壓力，Pa；p2(i)為p2(X)線上第i點(diǎn)的壓力，Pa；X(i)為第i點(diǎn)的活塞位移[14]。

(a)

(b)

圖7 示功圖分解圖示

3 變工況對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過改變工況，探索機(jī)器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的途徑，達(dá)到尋找最佳的運(yùn)行狀態(tài)的目的。實(shí)驗(yàn)中，變工況采用兩種方法：①通過調(diào)節(jié)背壓，改變機(jī)器的排氣壓力；②通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率，改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.1 改變背壓實(shí)驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣罐的排氣閥門，控制排氣管道的氣體壓力來改變運(yùn)行工況[15]。目的，通過實(shí)驗(yàn)的方法，尋找最佳壓力比，探索適宜的熱力參數(shù)。實(shí)驗(yàn)一般在完成規(guī)定工況實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行，先在規(guī)定轉(zhuǎn)速下，逐次改變排氣壓力。排氣壓力調(diào)節(jié)范圍為，0.3～0.7 MPa。每次改變50 kPa,每次排氣壓力改變運(yùn)行穩(wěn)定后。進(jìn)行容積流量、軸功率等性能的測(cè)量。每次測(cè)量數(shù)據(jù)存盤待用，并對(duì)測(cè)量結(jié)果計(jì)算、分析，總結(jié)規(guī)律，如圖8中n=500 r/min時(shí)軸功率隨壓力比增加的變化曲線。

3.2 改變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

通過采用對(duì)電機(jī)調(diào)頻的方法，改變壓縮機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速。目的，通過實(shí)驗(yàn)，探討在不同的轉(zhuǎn)速下，對(duì)熱力性能的影響。在規(guī)定的壓力下，轉(zhuǎn)速由300～600 r/min范圍調(diào)整,每次改變?cè)黾?0 r/min，待運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)量容積流量和軸功率，每次測(cè)量數(shù)據(jù)存盤待用。并對(duì)測(cè)量結(jié)果計(jì)算、分析，總結(jié)規(guī)律。圖9即p=0.4 MPa時(shí)軸功率隨轉(zhuǎn)速增加的變化曲線。

圖8 n=500 r/min時(shí)軸功率隨壓力比增加的變化曲線

圖9 p=0.4 MPa時(shí)軸功率隨轉(zhuǎn)速增加的變化曲線

3.3 分級(jí)改變轉(zhuǎn)速、依次改變壓力實(shí)驗(yàn)

綜合上述兩種實(shí)驗(yàn)，探索最佳工況。轉(zhuǎn)速由300 r/min開始，依次改變排氣壓力，由0.3～0.7MPa，每次改變50 kPa。通過改變終壓，改變單級(jí)壓力比。待工況穩(wěn)定后，測(cè)量容積流量和軸功率，每次測(cè)量數(shù)據(jù)存盤待用。之后，每次增加50 r/min，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出相應(yīng)的5種轉(zhuǎn)速時(shí)，不同的壓力比情況下，反映機(jī)器重要性能的重要指標(biāo)—比功率的重要性能曲線。針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。探索小型壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要合理確定運(yùn)行工況。根據(jù)使用壓力合理選擇排氣壓力。有條件可通過調(diào)頻的方法，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在保證用戶需要的排氣量前提下，選擇適宜的工作轉(zhuǎn)速。有利于減少損失，提高效率并節(jié)省功率[16]。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析整理分析，圖10為不同轉(zhuǎn)速下比功率隨排氣壓力的變化曲線，即不同轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比功率隨壓力比的增加變化曲線，在壓力比等于6左右時(shí)比功率出現(xiàn)最大值，且隨著轉(zhuǎn)速增加最大值降低。圖11為不同轉(zhuǎn)速下等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線，即經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等溫軸效率隨壓力比的增加而線性增加曲線，且隨著轉(zhuǎn)速降低效率升高?？筛鶕?jù)變化關(guān)系分析變化規(guī)律，探索適宜的機(jī)器轉(zhuǎn)速、最佳的壓力比。為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為運(yùn)行部門機(jī)器的節(jié)能降耗提供參考。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下比功率隨排氣壓力的變化曲線

圖11 不同轉(zhuǎn)速下等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線

4 結(jié) 語

采用DASP測(cè)試軟件組成測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械性能的綜合實(shí)驗(yàn)，用虛擬儀器代替了傳統(tǒng)的測(cè)試儀器和設(shè)備。測(cè)試系統(tǒng)簡化，測(cè)試方案靈活，測(cè)量精度高，使用操作簡明、直觀，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、分析方便。特別是動(dòng)態(tài)參數(shù)的采集、處理、分析，可通過鍵盤操作，瞬間完成。適宜于機(jī)器的動(dòng)態(tài)測(cè)試與實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)中計(jì)算和分析的工作由實(shí)驗(yàn)者自行完成，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際，編制示功圖分析、指示功率和容積流量等性能的計(jì)算程序，繪制不同轉(zhuǎn)速下的比功率、等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線圖。通過實(shí)驗(yàn)印證流體機(jī)械的基礎(chǔ)理論，掌握流體機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試手段，并學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)的基本技能。從中培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。此測(cè)試系統(tǒng)除了應(yīng)用于流體機(jī)械各種類機(jī)器實(shí)驗(yàn)外，可推廣應(yīng)用于動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的其他領(lǐng)域。

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Comprehensive Experiment of Fluid Machinery Performance Using DASP Software

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(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, Jilin, China)

Comprehensive experiment is designed to use DASP software to test typical fluid machinery performance with sensors, control units and computer. It implements the collection, collation, calculation and analysis of the dynamic parameters during the experiment of fluid machinery performance. And it is used to complete the curve of the transient pressure in the cylinder, the curve of the movement rule of valve plates, and indicator diagram transformation. According to the measured data of test system monitoring, experiment can get real time dynamic parameters and calculate indicated power, shaft power, volume flow and power loss and efficiency, etc. Students can do performance comparison experiment by changing the rotational speed and pressure ratio. In addition, the system can complete economic analysis for operation mode, and find the best parameters and the suitable operating mode. Experiment system is simple, and test method has high accuracy of measurement, fast test speed, convenient operation and intuitive, and large data storage features. It can cultivate students to improve their software application skill and solving problem skill.

DASP software; fluid machinery; performance test; comprehensive experiment

2016-10-15

吉林化工學(xué)院基金項(xiàng)目(2014023)

邢 雪(1983-),女,吉林吉林人，碩士，講師，從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真方向研究與工程仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作。

Tel.：15804326516；E-mail：xingwk2005@163.com

TP 391.2

A

1006-7167(2017)06-0142-05