王增麗， 王青陽， 孫卓輝， 王宗明， 劉兆增

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，強(qiáng)調(diào)“以本為本”的育人功能成為世界高等教育的共識和發(fā)展趨勢［1］。2018年，教育部部長陳寶生也提出了要堅(jiān)持“以本為本”，推進(jìn)“四個回歸”，建設(shè)中國特色、世界水平的一流本科教育［2-4］。在“以本為本”“四個回歸”教育新理念下，教育部發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，提出要“實(shí)施一流專業(yè)建設(shè)‘雙萬計(jì)劃’”［5-7］。我校過程裝備與控制工程專業(yè)入選國家一流專業(yè)建設(shè)名單，一流專業(yè)建設(shè)過程中，提出了重構(gòu)課程體系、創(chuàng)新教育方法和手段，培育和建設(shè)一批國家級一流課程的要求；對課程教學(xué)也提出了強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐之間的交叉，注重學(xué)生基礎(chǔ)理論知識、工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力均衡發(fā)展的要求。

過程流體機(jī)械課程作為專業(yè)核心課程，是實(shí)施與支撐一流專業(yè)建設(shè)的主體。為適應(yīng)一流課程建設(shè)要求，對課程體系進(jìn)行了修訂，在常規(guī)流體機(jī)械授課內(nèi)容基礎(chǔ)上，增設(shè)螺桿壓縮機(jī)相關(guān)內(nèi)容。課程授課過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和自主探索創(chuàng)新能力的主要途徑。但目前國內(nèi)各高校過程流體機(jī)械所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容均是針對往復(fù)活塞式壓縮機(jī)、離心泵、離心風(fēng)機(jī)等常規(guī)流體機(jī)械的工作性能測試實(shí)驗(yàn)［8-10］，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于陳舊且固定不變，而對目前煉油化工、空調(diào)制冷等行業(yè)應(yīng)用較廣泛的螺桿壓縮機(jī)并沒有開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。另外，所采用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也大都是傳統(tǒng)的“講授式教學(xué)+驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”模式，學(xué)生被動地按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法和步驟機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不利于激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新欲望。另一方面，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置并沒有提供學(xué)生開展探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的空間［11］，近年來，隨著科技進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)正逐步應(yīng)用于教學(xué)，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)具有測試效率高，可開放性強(qiáng)等優(yōu)勢［12-14］，可以滿足開放性和探索性實(shí)驗(yàn)開展要求。

鑒于此，為了適應(yīng)一流專業(yè)和一流課程建設(shè)的要求，滿足過程流體機(jī)械課程體系更新的實(shí)驗(yàn)需求，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的開放性和可擴(kuò)展性，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了可實(shí)施開放性、探索性實(shí)驗(yàn)的單螺桿壓縮機(jī)工作性能測試實(shí)驗(yàn)平臺，在實(shí)現(xiàn)單螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)及p-V圖測試基礎(chǔ)上，支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，開展變工況性能研究、熱力變形特性研究等多類型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，滿足一流專業(yè)建設(shè)對學(xué)生工程實(shí)踐能力、自主探索能力和協(xié)同合作意識培養(yǎng)的要求。

1 測試實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

單螺桿壓縮機(jī)開放探索式性能測試實(shí)驗(yàn)平臺的目的是對單螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)及p-V圖進(jìn)行測試，并支持學(xué)生開展探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。為了測試關(guān)鍵性能參數(shù)并繪制p-V圖，需要實(shí)時監(jiān)控螺桿壓縮機(jī)任意工作瞬時工作腔內(nèi)部壓力、溫度等熱力性能參數(shù)，同時需要測試螺桿轉(zhuǎn)角以實(shí)現(xiàn)工作腔容積的定量分析。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)需要在保證單螺桿壓縮機(jī)正常運(yùn)行基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)上述基礎(chǔ)性能參數(shù)的測試，并提供探索實(shí)驗(yàn)空間，因此需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：

（1）電動機(jī)可變頻調(diào)速，調(diào)速范圍為300～3 000 r/min。

（2）變工況調(diào)節(jié)裝置采用滑閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，氣量調(diào)節(jié)范圍可實(shí)現(xiàn)10%～100%負(fù)荷調(diào)節(jié)。

（3）工作腔內(nèi)壓力和溫度通過在機(jī)殼上打孔安裝壓力傳感器和溫度傳感器進(jìn)行測試。

（4）螺桿轉(zhuǎn)角通過在螺桿轉(zhuǎn)子軸端安裝接近開關(guān)控制測試。

本實(shí)驗(yàn)平臺所用單螺桿壓縮機(jī)工作介質(zhì)為空氣，工作性能測試實(shí)驗(yàn)平臺流程如圖1所示，主要由動力、變頻調(diào)速、主機(jī)及工況調(diào)節(jié)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、測控系統(tǒng)7部分模塊組成。

圖1 工作性能測試實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

動力和變頻調(diào)速模塊主要通過變頻電動機(jī)提供可調(diào)轉(zhuǎn)速的動力，驅(qū)動壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；主機(jī)及工況調(diào)節(jié)模塊主要包括螺桿壓縮機(jī)、滑閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，螺桿壓縮機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)氣體增壓，滑閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)依靠氣水分離器反饋的氣相壓力及滑閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)液壓缸內(nèi)液壓油壓力之間的差值驅(qū)動實(shí)現(xiàn)氣量和壓比調(diào)節(jié)；潤滑系統(tǒng)模塊和冷卻系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)螺桿壓縮機(jī)嚙合部件的潤滑及壓縮介質(zhì)和潤滑介質(zhì)的冷卻；氣路系統(tǒng)模塊則主要是現(xiàn)實(shí)壓縮過程氣體工質(zhì)流動、冷卻及關(guān)鍵參數(shù)測試的管路系統(tǒng)；測控系統(tǒng)模塊中，利用傳感器、接近開關(guān)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集、處理和顯示，利用調(diào)節(jié)閥、壓力表、溫度表、流量計(jì)等實(shí)現(xiàn)工況調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)時顯示。

2 實(shí)驗(yàn)測試方案設(shè)計(jì)

單螺桿壓縮機(jī)開放探索式性能測試實(shí)驗(yàn)平臺的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，要實(shí)時測試其工作性能參數(shù)，進(jìn)行p-V圖的繪制，還需要確定傳感器的安裝位置。

2.1 螺槽嚙合邊線設(shè)計(jì)

單螺桿壓縮機(jī)工作過程中，螺桿轉(zhuǎn)子螺槽、機(jī)殼內(nèi)壁面以及星輪齒上表面共同組成一個封閉的工作腔，螺槽的形狀如圖2（a）所示。封閉工作腔在工作過程中會隨螺桿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，而實(shí)驗(yàn)測試過程要求在工作腔壁面安裝一定數(shù)量的傳感器，實(shí)時監(jiān)測工作腔內(nèi)部溫度、壓力等熱力性能參數(shù)。故為保證傳感器數(shù)量能完全覆蓋整個工作周期，傳感器在安裝過程需要時刻保證有傳感器與封閉螺槽接觸。

圖2 封閉工作腔極限位置

如圖2（b）所示為單螺桿壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁面結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，封閉工作腔沿著螺桿轉(zhuǎn)子軸線方向的范圍處于封閉螺旋線與排氣孔口線之間的區(qū)域，因此要確定傳感器安裝位置，需要得到封閉工作腔螺槽齒后側(cè)螺旋線和排氣孔口線的方程。

當(dāng)星輪齒將螺槽封閉形成基元容積時，螺槽的右側(cè)（螺桿）外緣螺旋線，即封閉螺旋線是傳感器在進(jìn)氣端安裝的極限位置，封閉螺旋線柱坐標(biāo)方程［15］為：

式中：a為螺桿轉(zhuǎn)子與星輪的中心距，m；R1p為星輪齒側(cè)嚙合點(diǎn)處等效半徑，m；α為星輪轉(zhuǎn)角，rad；bb為星輪齒后側(cè)半齒寬，m［11］；R1為螺桿轉(zhuǎn)子半徑，m；P為星輪與螺桿轉(zhuǎn)子的齒數(shù)比；αi為進(jìn)氣角，rad；αδ為星輪嚙合點(diǎn)處位置角，rad；αo為其完全脫離螺槽時轉(zhuǎn)角，rad。

當(dāng)螺槽齒前側(cè)螺旋線與排氣孔口相連通時排氣過程開始，此時的排氣孔口線為傳感器在排氣端安裝的極限位置，排氣孔口線柱坐標(biāo)方程［15］為：

式中：bf為星輪齒前側(cè)半齒寬，m［11］；αp為排氣開始角，rad。

2.2 測點(diǎn)布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)封閉螺旋線及排氣孔口線的軸向坐標(biāo)，即可確定傳感器的安裝數(shù)量及安裝位置，傳感器的安裝數(shù)量為

第1個傳感器在軸線方向的安裝位置為：

各個傳感器之間的距離為：

針對實(shí)驗(yàn)用螺桿壓縮機(jī)，根據(jù)上述方案確定的傳感器的安裝數(shù)量為3個，傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝孔位置

3 測控軟件系統(tǒng)開發(fā)

單螺桿壓縮機(jī)工作性能主測試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)壓縮過程封閉工作腔內(nèi)部壓力、溫度信號、螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角信號、壓縮機(jī)出口排量信號的采集和處理，以及指示功、功率和效率的模擬分析，并能夠?qū)崿F(xiàn)變工況性能參數(shù)測試、嚙合副熱態(tài)特性測試等開放性實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 壓縮機(jī)工作性能參數(shù)測試及p-V圖繪制

壓縮機(jī)工作性能參數(shù)測試部分主要涉及工作腔內(nèi)部壓力、溫度信號、螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角信號以及壓縮機(jī)出口排量信號的采集，需要基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置模塊及數(shù)據(jù)存儲設(shè)置模塊。其中數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置模塊需要設(shè)置的采集參數(shù)為：選擇物理通道、選擇模擬輸出電壓值范圍、接線端配置、采樣時鐘源、采樣率、采樣模式、采樣數(shù)。數(shù)據(jù)存儲設(shè)置模塊中，需要設(shè)置的參數(shù)為：記錄模式、文件路徑選擇。

本實(shí)驗(yàn)平臺所采用螺桿壓縮機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)子頭數(shù)z1=6，星輪齒數(shù)z2=11，齒數(shù)比P為

單螺桿壓縮機(jī)p-V圖測試實(shí)驗(yàn)過程中，工作腔壓力可通過壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測，而工作腔容積的測試則是通過安裝在螺桿轉(zhuǎn)子軸端的接近開關(guān)，測試螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)接近開關(guān)測得的螺桿轉(zhuǎn)角為θ時，根據(jù)齒數(shù)比可得星輪轉(zhuǎn)角為

在這些測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，主測試系統(tǒng)完成壓縮機(jī)p-V圖繪制，就需要得到任意時刻工作腔的容積。假設(shè)任意時刻測得的螺桿轉(zhuǎn)角為θ，根據(jù)螺桿壓縮機(jī)工作原理，可得壓縮機(jī)工作過程任意時刻工作腔容積為［15］：

式中：

式中：R2為星輪半徑，m；αh為星輪齒前側(cè)與螺槽分離時轉(zhuǎn)角，rad；γ為星輪齒頂與螺桿外緣交界處半徑，與星輪齒中心線夾角

根據(jù)上述原理得到了壓縮機(jī)工作性能參數(shù)測試及p-V圖繪制主程序面板如圖4所示。該圖所示為程序前面板，該面板分為4個模塊：任意時刻測試p、V值的顯示及存儲，p-V圖（示功圖）繪制、運(yùn)行工況壓力和轉(zhuǎn)速顯示、名義吸排氣壓力設(shè)置。在用該系統(tǒng)進(jìn)行測試時，首先點(diǎn)擊名義吸排氣壓力參數(shù)設(shè)置按鈕，進(jìn)行名義參數(shù)設(shè)置，并選擇p、V值存儲文件路徑。

3.2 壓縮機(jī)示功圖分析計(jì)算程序

單螺桿壓縮機(jī)工作性能主測試系統(tǒng)的第二部分功能是實(shí)現(xiàn)指示功及功率、效率的模擬分析，并能夠開展變工況性能參數(shù)測試、嚙合副熱態(tài)特性測試等開放性實(shí)驗(yàn)研究。圖5所示為壓縮機(jī)示功圖分析計(jì)算程序面板圖。在該程序中，數(shù)據(jù)采集部分的編寫利用的是NI-DAQmx模塊下相關(guān)的虛擬儀器（VI），實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)的采集功能，同時結(jié)合條件結(jié)構(gòu)+事件結(jié)構(gòu)共同組成示功圖分析計(jì)算程序。事件結(jié)構(gòu)作用為實(shí)現(xiàn)前面板上各個按鈕的功能，包括壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，開始采集、記錄及NI-DAQmx模塊中數(shù)據(jù)的讀取、解綁、拆分、運(yùn)算，并最終實(shí)現(xiàn)指示功及功率、效率的模擬分析。

圖5 示功圖分析計(jì)算程序界面圖

在對示功圖進(jìn)行分析和計(jì)算時，主要對功率的大小以及機(jī)械功率和容積效率進(jìn)行計(jì)算，具體原理如下：

壓縮機(jī)的指示功率為

式中：n為壓縮機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r/min；W為指示功，J。

壓縮機(jī)的軸功率為

式中：Ne為電動機(jī)輸入功率，kW；ηe為電動機(jī)效率；ηz為傳動效率。

壓縮機(jī)機(jī)械效率

壓縮機(jī)平均指示壓力

式中：p為指示壓力的平均值，Pa；Vh為行程容積，Vh=為活塞直徑，m；s為活塞行程，m。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及拓展

為檢驗(yàn)該測試系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)過程中選用SCYG314型壓力傳感器進(jìn)行工作腔內(nèi)部壓力參數(shù)測試，利用NI 9223四通道數(shù)據(jù)采集卡將壓力傳感器和接近開關(guān)所測試的電壓信號進(jìn)行采集并傳輸至PC機(jī)上的采集系統(tǒng)。在壓縮機(jī)示功圖前面板及示功圖分析計(jì)算前面板上分別完成名義參數(shù)設(shè)置后，開始測試，得到結(jié)果如圖6所示，根據(jù)圖中顯示結(jié)果可知該測試系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)單螺桿壓縮機(jī)工作性能參數(shù)信號的采集和處理，并能夠?qū)崿F(xiàn)p-V圖繪制及指示功、功率和效率的模擬分析。

圖6 測試系統(tǒng)有效性的驗(yàn)證

單螺桿壓縮機(jī)開放探索式性能測試實(shí)驗(yàn)平臺除可以適應(yīng)過程流體機(jī)械課程體系修訂對螺桿壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)要求，豐富課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，本實(shí)驗(yàn)臺還可以支持學(xué)生開展變工況工作性能研究及熱力變形特性研究，增加了過程流體機(jī)械課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的開放性和可擴(kuò)展性。學(xué)生依托該測試平臺可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況條件及變工況調(diào)節(jié)方法（滑閥調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)等），探究不同調(diào)節(jié)方法對壓縮機(jī)工作性能及整機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，以及負(fù)載工況和冷態(tài)工況下嚙合副的熱力變形特征，測試的結(jié)果也能夠完整導(dǎo)出并進(jìn)行分析。上述功能對于學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目及參加學(xué)科創(chuàng)新競賽都具有平臺支撐作用。本試驗(yàn)平臺可實(shí)現(xiàn)對學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題能力的培養(yǎng)，對于提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進(jìn)一流課程和一流專業(yè)建設(shè)具有積極的作用。

5 結(jié) 語

針對單螺桿壓縮機(jī)開放探索式性能測試實(shí)驗(yàn)平臺展開設(shè)計(jì)，在明確了性能測試系統(tǒng)工藝流程基礎(chǔ)上，結(jié)合單螺桿壓縮機(jī)工作原理，確定了封閉工作腔全壓范圍內(nèi)壓力傳感器測點(diǎn)布置方案及單螺桿壓縮機(jī)p-V圖測試方案。基于虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了可實(shí)施開放性、探索性實(shí)驗(yàn)的單螺桿壓縮機(jī)工作性能測試實(shí)驗(yàn)平臺，完善了過程流體機(jī)械課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，豐富了課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還提供了豐富的開放性和探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法提供補(bǔ)充，具有較高的教學(xué)實(shí)用性。