活塞式压缩机指示图测试及研究

1、前言

　　活塞式压缩机的指示图是反映压缩机在一个工作循环中，活塞在不同位置时气缸内气体压力变化的曲线。根据测试的指示图可对压缩机的工作过程作一系列的分析计算。通常，压缩机的指示图采用指示器来录取，指示器根据其工作原理和结构特点的不同，分为机械式和电子式两种。本文重点介绍机械螺旋弹簧指示器录取压缩机指示图的测试装置和方法。这种方法录取的指示图曲线是封闭的，计算与分析都比较方便。

　　2、测试装置

　　测试装置如图1所示。它主要由螺旋弹簧指示器、压缩机、电动机、储气罐、支架、接管等组成。螺旋弹簧指示器安装在支架上，再用接管把压缩机气缸内的气体引到指示器的三通阀上。

图1　压缩机性能测试装置

　　压缩机是国产Z-0.1/10-C型无十字头立式单级单缸单动风冷移动式空压机，其主要性能参数为：

　　吸气压力P1=0.1MPa（绝）；排气压力P2=1MPa（表）；排气量d=0.1m3/min；额定转速n=500r/min；活塞行程S=55mm；气缸直径D=90mm；压缩机轴功率NZ=1.9kW。

　　如图1所示，由电动机经皮带轮带动压缩机曲轴作旋转运动，曲轴驱动连杆使活塞作往复运动，空气经空气滤清器进入气缸的吸气端，把吸入的空气压缩至规定压力，气体经排气管、单向阀进入储气罐。压缩机气缸盖、气缸上均铸有散热片以利散热。吸排气阀为舌簧阀。润滑采用飞溅式。排气量调节采用自动控制。储气罐上装设有安全阀和调节阀。

　　螺旋弹簧指示器是德国制造的，型号为Federtable fürIndikator Typ50型。螺旋弹簧指示器的结构原理如图2所示。当指示器与压缩机气缸连通时，气缸内气体压力的变化通过摆杆的上下移动便画在小卷筒的纸上。通过绳索的旋转运动带动小卷筒作转动，反映出活塞行程的变化。这样，摆杆的上下移动与小卷筒的转动便在小卷筒的记录纸上画出了一个合成运动——气体压力随活塞行程变化的关系曲线——封闭的指示图。

图2　实测指示图

　　我们采用数字显示转速表直接测出曲轴的瞬时转速；采用弹簧式压力表直接测量压缩机排气管上的实际平均排气压力，也就是压缩机的名义排气压力P2。气缸内的压力要从测录的指示图上得到。

　　3、指示图的测试

　　（1）根据被测的某压力值从活塞弹簧选配表中选配活塞弹簧组对，把弹簧指示器安装在支架平台上，把记录纸卷在小卷筒上，把绳子套在曲轴端部的挂勾上，把三通阀门旋到通大气位置。

　　（2）启动压缩机，把三通阀门与指示器和压缩机接通，观察弹簧指示器动作是否灵活，调节储节罐上的调节阀门，观察压力表读数，在压缩机的排气压力达到某被测压力并稳定时，即刻录取指示图，读取压力和转速值。

　　（3）停止压缩机，从小卷筒上取下记录纸上录取的指示图，记录测试的原始数据。

　　按此方法，我们对Z-0.1/10-C型空压机进行了测试。吸入压力P1均为大气压力，按压力比递增，排气压力P2分为5组：0.2、0.4、0.6、0.8、1.0MPa（表压）。实测指示图如图3所示。

图3　实测指示图

　　4、指示图的整理计算与分析
　　如图4所示，从压缩和膨胀过程线的始点1和3确定名义吸、排气压力P1、P2线，从膨胀和压缩过程线的终点d和b确定气缸内的吸、排气压力Ps、Pd张，然后确定各对应点之行程S1、S2、Si、S′、S0等以及指示图各面积F1、F2、F3等。整理计算方法如下：

图4　指示图的计算

（1）确定压力比例尺μp

μp=（P2-P1）/（h2-h1）　（MPa/mm）　（1）

（2）确定行程比例尺μs

μs=S/Si　（m/mm）　（2）

（3）指示图面积Fi

Fi=F1＋F2＋F3　（mm2）　（3）

（4）指示图平均高度hi

hi=Fi/Si　（mm）　（4）

（5）缸内平均指示压力Pi

Pi=μphi　（MPa）　（5）

（6）缸内**低吸气压力Ps

Ps=P1-μp（h1-hs）　（MPa）　（6）

（7）缸内**高排气压力Pd

Pd=P2＋μp（hd-h2）　（MPa）　（7）

（8）缸内实际压力比ε′

ε′=Pd/Ps　（8）

（9）容积系数λv

λv=S′/Si　（9）

（10）指示功率Ni
 

Ni=PiFSn/60×103　（kW）　（10）

（11）估算排气量

（11）

（12）气阀的相对功率损失δ

（12）

　　在整理计算时，为便于分析比较，取压力系数λp、温度系数λT、泄漏系数λl的乘积λpλTλl=0.848。活塞面积F=  D2=0.0062m2。名义吸气压力按P1=0.1MPa（绝）计算。指示功率Ni和排气量  都换算到额定转速n=500r/min时的数值。整理计算数据如表1所示。

表1

序 号	P2（表） （MPa）	Ps（绝） （MPa）	Pd （MPa）	ε′	S′ （mm）	λv	Ni （kW）	d （m3/min）
1	0.2	0.08857	0.3400	3.839	45	0.8182	0.2285	0.1214
2	0.4	0.08833	0.5333	6.038	41	0.7455	0.3244	0.1105
3	0.6	0.08867	0.7533	8.496	40	0.7273	0.4749	0.1079
4	0.8	0.08833	0.9333	10.57	38	0.6910	0.5625	0.1025
5	1.0	0.0890	1.150	12.92	36	0.6545	0.6488	0.0971

　　5、测试结果讨论

　　（1）由于吸气压力P1不变，排气压力P2依次增大，则压力比亦随之增大，使得气缸实际吸入线S′变短，气缸容积系数λv下降，排气量d下降，指示功率Ni增大。原因在于尽管气缸余隙容积不变，但压力比增大后，余隙中的高压气体在活塞回行时膨胀占据了气缸内的有效容积，使新鲜气体的吸入量减小，反映在指示图上的吸气线S′变短，排气量相应减小。所以，一般压缩机的压力比不宜太高。当压力比大到一定值时，容积系数λv趋近于零，这时压缩机就无法吸入新鲜气体，那么排气量也就等于零了，而且排气温度也高到不允许的程度，这时就应采用多级压缩了。
　　（2）由于测试的需要，增加了一个接管，故使该压缩机的余隙容积比原设计的余隙容积有所增大，测试结果反映出，在额定排气压力P2=1.0MPa下的排气量比额定排气量小一些。
　　（3）实践表明，采用机械螺旋弹簧指示器测试压缩机指示图的方法和装置简单、方便、迅捷，所测指示图准确直观，可作为分析压缩机运行工况的参考。