容積式空壓機(jī)瞬態(tài)工況性能檢測(cè)裝置的研究

姜文雍 黃增陽 毛方 許中琛

摘 要：設(shè)計(jì)一套容積式空壓機(jī)瞬態(tài)工況性能檢測(cè)裝置，完成其試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集裝置的研制，并對(duì)一臺(tái)W-16/5型容積式空壓機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè)，得到該設(shè)備容積流量、排氣溫度、輸入功率、排氣壓力、潤(rùn)滑油溫度等參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，證明該裝置的可靠性。

關(guān)鍵詞：容積式空壓機(jī);性能參數(shù);檢測(cè)裝置;容積流量

中圖分類號(hào)：TH45??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.002

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳一般項(xiàng)目（Y201941532），衢州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018k27）

作者簡(jiǎn)介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，講師，主要從事機(jī)械制造與自動(dòng)化方面的科研和教學(xué)工作。

0 引言

容積式空壓機(jī)是一種靠壓縮空氣體積提供氣體壓力能的裝置，被廣泛應(yīng)用于化工、造船、石化、石油天然氣、鋼鐵、食品醫(yī)藥、電力和冶金等諸多領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演重要角色，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密不可分[1]。由于受到各零部件使用壽命的限制，加上外界不確定因素的干擾（意外損傷、人為破壞、氣候環(huán)境變化等），容積式空壓機(jī)以及各零部件的故障是不可避免的，而在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中，故障發(fā)生時(shí)，若得不到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)、定位和處理，將直接威脅到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全并造成經(jīng)濟(jì)損失。但是目前對(duì)空壓機(jī)的監(jiān)控依然停留在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、人工查表、定時(shí)記錄的方式上，主要依靠工人定期檢查收集數(shù)據(jù)，這樣獲得的數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)，并且沒有故障報(bào)警功能[2]。當(dāng)空壓機(jī)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，若無法第一時(shí)間得到異常數(shù)據(jù)，會(huì)造成重大損失，甚至危害到人身安全。

鑒于此，項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套容積式空壓機(jī)瞬態(tài)工況性能檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)容積式空壓機(jī)作業(yè)過程中各項(xiàng)性能參數(shù)的瞬態(tài)檢測(cè)。

1 裝置總體設(shè)計(jì)及工作原理

圖1為容積式空壓機(jī)瞬態(tài)工況性能測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。檢測(cè)裝置主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸與處理裝置、測(cè)控軟件裝置三部分組成。數(shù)據(jù)采集單元主要包括排氣溫度、轉(zhuǎn)速、排氣壓力、容積流量、潤(rùn)滑油溫度、功率傳感器，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空壓機(jī)瞬態(tài)性能的檢測(cè)，本裝置中采用的都是采集頻率為20 kHz的高精度傳感器。

數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置主要實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)信號(hào)的采集與處理，是本設(shè)計(jì)的核心，其功能由主控制芯片、主控制器輔助電路（信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路）、各種不同功能的傳感器共同實(shí)現(xiàn)。不同功能的傳感器分別安裝在空壓機(jī)的相應(yīng)位置上，由其采集的信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后被單片機(jī)采集與處理，繼而通過RS485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

測(cè)控軟件安裝在上位機(jī)上，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)空壓機(jī)工作全過程的監(jiān)控;二是負(fù)責(zé)容積式空壓機(jī)性能參數(shù)數(shù)據(jù)的深度處理，以較為直觀的圖形或表格等形式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其總體結(jié)構(gòu)原理框圖見圖1所示。

2 測(cè)試裝置

圖2所示為本測(cè)試裝置主要結(jié)構(gòu)，由吸排氣溫度傳感器、吸排氣壓力傳感器、電流互感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字流量計(jì)、信號(hào)采集儀、上位機(jī)等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)空壓機(jī)運(yùn)行過程中的排氣壓力、排氣溫度、潤(rùn)滑油溫度、容積流量、功率等性能參數(shù)的瞬態(tài)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本測(cè)試裝置創(chuàng)新之處在于使用數(shù)字式流量計(jì)對(duì)空壓機(jī)瞬態(tài)流量進(jìn)行檢測(cè)，通過測(cè)量空壓機(jī)終端排氣口處的流量，進(jìn)而計(jì)算出空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)吸氣位置的容積流量，計(jì)算公式如下

式中 Q1—空壓機(jī)容積流量（m3·min-1）;

Q0—通過數(shù)字流量計(jì)流量（m3·min-1）;

P2—排氣壓力（MPa）;

P1—進(jìn)氣壓力（MPa）;

T1—進(jìn)氣溫度（℃）;

T2—排氣溫度（℃）;

R1—空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)吸氣位置處的氣體常數(shù);

R2—空壓機(jī)終端排氣位置處的氣體常數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)采集處理裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集與處理，直接影響最終的測(cè)試結(jié)果，其主要由傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)、PC及打印機(jī)組成。其數(shù)據(jù)傳遞過程見圖3。傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào)，其輸出的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路優(yōu)化后，傳遞給ADCC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DMA傳輸通道被送至內(nèi)存，當(dāng)完成規(guī)定數(shù)據(jù)采集后，MCU將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，對(duì)滿足預(yù)設(shè)條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存，同時(shí)通過串口通信傳遞給上位機(jī)測(cè)控軟件。

4 測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的控制及瞬態(tài)檢測(cè)結(jié)果的讀取。上位機(jī)以windows 10裝置為操作平臺(tái)，應(yīng)用VB采用結(jié)構(gòu)化模塊化設(shè)計(jì)方式編寫測(cè)控軟件作為控制與顯示終端，該軟件可實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)與顯示，并對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行總體控制。

5 裝置試驗(yàn)

裝置開發(fā)完成后，以一臺(tái)W-1.6/5型容積式空壓機(jī)為測(cè)試對(duì)象，應(yīng)用本裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)按照GB/T3853-2017和JB/T13928-2015相關(guān)要求進(jìn)行，通過空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，完成了對(duì)該樣機(jī)排氣壓力、排氣溫度、潤(rùn)滑油溫度、容積流量、功率等幾個(gè)重要性能參數(shù)的瞬態(tài)檢測(cè)。下表為實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套容積式空壓機(jī)性能參數(shù)檢測(cè)裝置，完成了數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)，并完成了該裝置的搭建。應(yīng)用本裝置對(duì)一臺(tái)W-1.6/5型空壓機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè)，得到有效的檢測(cè)結(jié)果，初步證明了該裝置的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 文麗，戴巨川，袁賢松.空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 壓縮機(jī)技術(shù)， 2013（5）： 48-51.

[2] 李靜.礦用往復(fù)式空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警及性能測(cè)得系統(tǒng)的研發(fā)[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

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[4] ?GB/T15487-2015，容積式壓縮機(jī)流量測(cè)量方法[S].