基于示功图的单级压缩机排气量试验研究与分析

黄增阳 许中琛 姜文雍

摘要：通过对AW-0.67/8型活塞式空压机的示功图进行测录，讨论了实际排气量与余隙容积之间的关系，为空压机的性能调节和新产品研发提供理论依据。

关键词：空压机；容积系数；余隙容积；过程方程

中图分类号：TH452文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.004

基金项目：衢州职业技术学院重点资助基金项目（QZYZ1702）

作者简介：黄增阳（1986-），男，辽宁沈阳人，硕士，主要从事容积或空压机检测工作，E-mail：121433695@qq.com。

通讯作者：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，硕士，主要从事机械制造与自动化方面的科研和教学工作，E-mail：121433695@qq.com。

0前言

空气压缩机简称空压机，是一种靠压缩气体体积提高气体压力能的装置，主要为气动工具提供动力源。空压机在食品、医药、化工、石油、天然气、钢铁、造船、石化、电力和冶金等行业有着十分广泛的应用[1]。排气量是空压机一项重要的性能指标，它的大小在空压机设计之初就已经确定，但在实践中余隙容积的变化会对实际排气量产生影响[2]。而传统的空压机性能检测手段和方法并不能确定这一影响，也就无从分析实际排气量产生变化的原因。鉴于此，本文主要对AW-067/8型活塞式空压机（单级压缩）进行示功图（P-V图）测录，并基于示功图对所得数据进行研究和分析，找出余隙容积与单级压缩机排气量之间的关系，为后续空压机性能调节及新产品的研发提供理论依据。

1试验装置

空压机实际循环示功图采用机械式螺旋弹簧指示器進行测录，其原理结构见图1。

指示器主要由能反映气缸内压力变化的小气缸及反映活塞位移情况的小卷筒组成。气体由通道进入小气缸后，变化的气体压力会推动小活塞，克服圆柱形弹簧的弹力做往复运动；小卷筒由细绳通过行程缩小器连到十字头上，将十字头的往复运动变成小卷筒的回转摆动。空压机工作时，如果在小卷筒上卷上一张纸，摆杆上装上一支用石墨做成的笔，并稍稍触至小卷筒的纸上，即可录下所需的示功图（P-V图），其纵坐标反映气缸内压力的变化，横坐标反映与压力相对应的活塞行程的位置。示功图的测录和排气量测试同时进行，指示器安装在空压机气缸盖上，见图2。

主要测量的参数为压缩机曲柄的转角和与转角相对应的时刻的气缸内的压力。

2试验

（1）根据试验用空压机的排气压力（08 MPa），选择适合的螺旋弹簧，然后将指示器安装在一个事先准备好的支架平台上，以便于试验时操作调节。

（2）将指示器与气缸缸盖端部用三通阀和接头联接，联接所用接管的管径不宜过大或过小，也不能过长，过长会导致余隙容积增加、压力损失增加，影响测试结果。

（3）将三通阀旋通大气，在小卷筒上卷好测录纸，再将小卷筒的细绳挂到空压机曲轴的挂钩上。

（4）将指示器与空压机气缸联通，启动压缩机，待压力显示08 MPa并且运行稳定后，方可测录示功图。测录结束关先闭压缩机，再取下测录纸。

3结果

本研究的原始数据涉及到新产品的研发机密，故在此只给出处理之后的示功图，见图3。为方便对测录结果进行研究和分析，示功图中相应数值均以字母和数字标记。

空压机在设计阶段确定的理论排气量为标准状况下的排气量，用式（1）表示

Q′0=Vs· N0（m3/min）（1）

而实际排气量Q0只能通过性能检测获得，为研究方便，将空压机的实际排气量Q0与理论排气量Q′0的比值定义为进气系数λ。假设空压机理论设计与实际测量的转速相同，且V3=Q0/N0，则有

λ=V3/Vs（2）

式（2）可表示成

λ=（Vs1/Vs）·（Vs2/Vs1）·（V3/Vs2）（3）

令

λv =Vs1/Vs（4）

λP =Vs2/Vs1（5）

λT =V3/Vs2（6）

又空压机一定程度上存在着泄漏，所以在实际计算中应予以考虑，引入泄露系数λT，但λT具体表达式尚不能确定，只能够给出一个经验值[3]。

综上，空压机排气量的计算公式为

Q0=Vs·λv·λT·λP·λL·N0（m3/min）（7）

Vs—行程容积；λL—泄露系数，它考虑到了空压机所有的泄漏；λv—容积系数；λT—温度系数；λP—压力系数；N0—空压机的额定转速（r/min）。

4分析

余隙容积包括活塞与气缸盖之间的间隙、气缸至气阀的通道、气缸与活塞之间的间隙、活塞杆与气缸座孔的间隙。在排气行程终了时，余隙容积中高压气体无法排出，进气行程开始时，高压气体膨胀至低于进气压力后气缸才可能开始吸入新的气体，极大地影响了空压机的排气量。

从图（2）中可以看出，由c点到d点为余隙容积中压缩空气的膨胀过程，现假定膨胀过程是按照不变的多变指数m进行的，气体过程方程

P1（△V1 +Vc）m=P2·（Vc）m（8）

又

λv=Vs1/Vs=（Vs-Vs1）/Vs =△V1/Vs（9）

由式（8）和（9）得到容积系数λv的计算公式

λv=1-α[ε1/m-1]（10）

α—相对余隙容积，α=Vc/Vs；ε—压力比，ε=P2/P1；m—膨胀指数（多变指数）。

由等式（7）和（10）可知：

（1）行程容积不变时，压力比和膨胀指数相同的情况下，若相对余隙容积增大，则容积系数减小，容量流量也减小，反之增大。

（2）相对余隙容积和膨胀指数一定时，若压力比增大，则相应余隙容积内的气体膨胀至吸气阀开启时所占据的气缸体积增大，容积系数减小，容量流量减小，当压力比大到一定程度之后，膨胀气体会占据整个气缸，空压机吸气量等于零，容积流量亦等于零。令λv=0，α=005，通过计算可得ε=234。

对AW-067/8型活塞式空压机而言，行程容积Vs通常是不会发生改变的，对排气量无影响；压力比ε也是确定的，并且由λT、λP、λL、N0引起的排气量变化在一定条件下可以通过插值法、系数法修正到标准状况；而余隙容积引起的排气量变化不能够修正至标准状况，因为余隙容积决定了空压机标准状况下的实际排气量，所以不可修正，要想获得设计的排气量，必须调节余隙容积。

5结论

示功图能够实现余隙容积与实际排气量的定量分析，通常以容积系数λv=1-α[ε1/m-1]表示余隙容积与实际排气量的关系。行程容积Vs不变时，余隙容积越小，相对余隙容积α越小，容积系数λv增大，排气量增大，反之排气量减小。余隙容积中残留的高压气体压力越高，排气量越小。标准状况下测得实际排气量偏小时，需要通过减小空压机余隙容积来提高空压机的排气量。

参考文献：

[1]刘新航.空气压缩机组监控系统开发[D].大连：大连理工大学，2006.

[2]周敏，王庆锋，刘文彬，等.往复压缩机故障诊断模型技术研究及应用[J].压缩机技术， 2012（4）：13-15.

[3]邹正文，周耀密，邹晓东.活塞式压缩机指示图测试装置的设计及应用[J].机械， 1999（26）：25-28.

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