基于虛擬儀器技術的單螺桿壓縮機性能測試實驗教學平臺開發(fā)

王增麗， 王青陽， 孫卓輝， 王宗明， 劉兆增

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島266580）

0 引 言

進入21世紀，強調(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持“以本為本”，推進“四個回歸”，建設中國特色、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《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，提出要“實施一流專業(yè)建設‘雙萬計劃’”［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)建設名單，一流專業(yè)建設過程中，提出了重構課程體系、創(chuàng)新教育方法和手段，培育和建設一批國家級一流課程的要求；對課程教學也提出了強調(diào)基礎理論與工程實踐之間的交叉，注重學生基礎理論知識、工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力均衡發(fā)展的要求。

過程流體機械課程作為專業(yè)核心課程，是實施與支撐一流專業(yè)建設的主體。為適應一流課程建設要求，對課程體系進行了修訂，在常規(guī)流體機械授課內(nèi)容基礎上，增設螺桿壓縮機相關內(nèi)容。課程授課過程中，實驗教學是培養(yǎng)學生工程實踐能力和自主探索創(chuàng)新能力的主要途徑。但目前國內(nèi)各高校過程流體機械所開設的實驗教學內(nèi)容均是針對往復活塞式壓縮機、離心泵、離心風機等常規(guī)流體機械的工作性能測試實驗［8-10］，實驗內(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)應用較廣泛的螺桿壓縮機并沒有開設相關實驗。另外，所采用的實驗教學模式也大都是傳統(tǒng)的“講授式教學+驗證性實驗”模式，學生被動地按規(guī)定的實驗方法和步驟機械地完成實驗任務。這種實驗教學模式不利于激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新欲望。另一方面，現(xiàn)有的實驗裝置并沒有提供學生開展探索創(chuàng)新實驗的空間［11］，近年來，隨著科技進步，虛擬儀器技術正逐步應用于教學，相比于傳統(tǒng)實驗測試系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)具有測試效率高，可開放性強等優(yōu)勢［12-14］，可以滿足開放性和探索性實驗開展要求。

鑒于此，為了適應一流專業(yè)和一流課程建設的要求，滿足過程流體機械課程體系更新的實驗需求，增加實驗教學平臺的開放性和可擴展性，基于虛擬儀器技術設計了可實施開放性、探索性實驗的單螺桿壓縮機工作性能測試實驗平臺，在實現(xiàn)單螺桿壓縮機關鍵性能參數(shù)及p-V圖測試基礎上，支持學生自主設計實驗參數(shù)，開展變工況性能研究、熱力變形特性研究等多類型創(chuàng)新實驗，豐富實驗教學內(nèi)容，滿足一流專業(yè)建設對學生工程實踐能力、自主探索能力和協(xié)同合作意識培養(yǎng)的要求。

1 測試實驗平臺設計

單螺桿壓縮機開放探索式性能測試實驗平臺的目的是對單螺桿壓縮機的關鍵性能參數(shù)及p-V圖進行測試，并支持學生開展探索創(chuàng)新性實驗。為了測試關鍵性能參數(shù)并繪制p-V圖，需要實時監(jiān)控螺桿壓縮機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角以實現(xiàn)工作腔容積的定量分析。

實驗方案設計需要在保證單螺桿壓縮機正常運行基礎上，實現(xiàn)上述基礎性能參數(shù)的測試，并提供探索實驗空間，因此需要滿足以下設計要求：

（1）電動機可變頻調(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)機構，氣量調(diào)節(jié)范圍可實現(xiàn)10%～100%負荷調(diào)節(jié)。

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

（4）螺桿轉角通過在螺桿轉子軸端安裝接近開關控制測試。

本實驗平臺所用單螺桿壓縮機工作介質(zhì)為空氣，工作性能測試實驗平臺流程如圖1所示，主要由動力、變頻調(diào)速、主機及工況調(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 工作性能測試實驗平臺示意圖

動力和變頻調(diào)速模塊主要通過變頻電動機提供可調(diào)轉速的動力，驅(qū)動壓縮機變轉速運轉；主機及工況調(diào)節(jié)模塊主要包括螺桿壓縮機、滑閥調(diào)節(jié)機構，螺桿壓縮機主要用于實現(xiàn)氣體增壓，滑閥調(diào)節(jié)機構依靠氣水分離器反饋的氣相壓力及滑閥調(diào)節(jié)機構液壓缸內(nèi)液壓油壓力之間的差值驅(qū)動實現(xiàn)氣量和壓比調(diào)節(jié)；潤滑系統(tǒng)模塊和冷卻系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)螺桿壓縮機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)實壓縮過程氣體工質(zhì)流動、冷卻及關鍵參數(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、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、處理和顯示，利用調(diào)節(jié)閥、壓力表、溫度表、流量計等實現(xiàn)工況調(diào)節(jié)參數(shù)實時顯示。

2 實驗測試方案設計

單螺桿壓縮機開放探索式性能測試實驗平臺的硬件系統(tǒng)設計完成后，要實時測試其工作性能參數(shù)，進行p-V圖的繪制，還需要確定傳感器的安裝位置。

2.1 螺槽嚙合邊線設計

單螺桿壓縮機工作過程中，螺桿轉子螺槽、機殼內(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子的旋轉而旋轉，而實驗測試過程要求在工作腔壁面安裝一定數(shù)量的傳感器，實時監(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機殼內(nèi)壁面結構圖，由圖可知，封閉工作腔沿著螺桿轉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螺旋線和排氣孔口線的方程。

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

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

當螺槽齒前側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，排氣孔口線柱坐標方程［15］為：

式中：bf為星輪齒前側半齒寬，m［11］；αp為排氣開始角，rad。

2.2 測點布置方案設計

根據(jù)封閉螺旋線及排氣孔口線的軸向坐標，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：

針對實驗用螺桿壓縮機，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)

單螺桿壓縮機工作性能主測試系統(tǒng)主要實現(xiàn)壓縮過程封閉工作腔內(nèi)部壓力、溫度信號、螺桿轉子轉角信號、壓縮機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驗研究。

3.1 壓縮機工作性能參數(shù)測試及p-V圖繪制

壓縮機工作性能參數(shù)測試部分主要涉及工作腔內(nèi)部壓力、溫度信號、螺桿轉子轉角信號以及壓縮機出口排量信號的采集，需要基于虛擬儀器技術設計數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置模塊及數(shù)據(jù)存儲設置模塊。其中數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置模塊需要設置的采集參數(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)存儲設置模塊中，需要設置的參數(shù)為：記錄模式、文件路徑選擇。

本實驗平臺所采用螺桿壓縮機的螺桿轉子頭數(shù)z1=6，星輪齒數(shù)z2=11，齒數(shù)比P為

單螺桿壓縮機p-V圖測試實驗過程中，工作腔壓力可通過壓力傳感器實時監(jiān)測，而工作腔容積的測試則是通過安裝在螺桿轉子軸端的接近開關，測試螺桿轉子轉角進行計算，當接近開關測得的螺桿轉角為θ時，根據(jù)齒數(shù)比可得星輪轉角為

在這些測試數(shù)據(jù)基礎上，主測試系統(tǒng)完成壓縮機p-V圖繪制，就需要得到任意時刻工作腔的容積。假設任意時刻測得的螺桿轉角為θ，根據(jù)螺桿壓縮機工作原理，可得壓縮機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為星輪齒前側與螺槽分離時轉角，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、運行工況壓力和轉速顯示、名義吸排氣壓力設置。在用該系統(tǒng)進行測試時，首先點擊名義吸排氣壓力參數(shù)設置按鈕，進行名義參數(shù)設置，并選擇p、V值存儲文件路徑。

3.2 壓縮機示功圖分析計算程序

單螺桿壓縮機工作性能主測試系統(tǒng)的第二部分功能是實現(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驗研究。圖5所示為壓縮機示功圖分析計算程序面板圖。在該程序中，數(shù)據(jù)采集部分的編寫利用的是NI-DAQmx模塊下相關的虛擬儀器（VI），實現(xiàn)各數(shù)據(jù)的采集功能，同時結合條件結構+事件結構共同組成示功圖分析計算程序。事件結構作用為實現(xiàn)前面板上各個按鈕的功能，包括壓縮機運行參數(shù)設定，開始采集、記錄及NI-DAQmx模塊中數(shù)據(jù)的讀取、解綁、拆分、運算，并最終實現(xiàn)指示功及功率、效率的模擬分析。

圖5 示功圖分析計算程序界面圖

在對示功圖進行分析和計算時，主要對功率的大小以及機械功率和容積效率進行計算，具體原理如下：

壓縮機的指示功率為

式中：n為壓縮機軸轉速，r/min；W為指示功，J。

壓縮機的軸功率為

式中：Ne為電動機輸入功率，kW；ηe為電動機效率；ηz為傳動效率。

壓縮機機械效率

壓縮機平均指示壓力

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 實驗驗證及拓展

為檢驗該測試系統(tǒng)的有效性，實驗過程中選用SCYG314型壓力傳感器進行工作腔內(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所測試的電壓信號進行采集并傳輸至PC機上的采集系統(tǒng)。在壓縮機示功圖前面板及示功圖分析計算前面板上分別完成名義參數(shù)設置后，開始測試，得到結果如圖6所示，根據(jù)圖中顯示結果可知該測試系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)單螺桿壓縮機工作性能參數(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)有效性的驗證

單螺桿壓縮機開放探索式性能測試實驗平臺除可以適應過程流體機械課程體系修訂對螺桿壓縮機性能測試實驗要求，豐富課程的實驗內(nèi)容外，本實驗臺還可以支持學生開展變工況工作性能研究及熱力變形特性研究，增加了過程流體機械課程實驗教學平臺的開放性和可擴展性。學生依托該測試平臺可自主設計實驗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)方法對壓縮機工作性能及整機運行經(jīng)濟性的影響，以及負載工況和冷態(tài)工況下嚙合副的熱力變形特征，測試的結果也能夠完整導出并進行分析。上述功能對于學生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目及參加學科創(chuàng)新競賽都具有平臺支撐作用。本試驗平臺可實現(xiàn)對學生分析和解決工程實際問題能力的培養(yǎng)，對于提升學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進一流課程和一流專業(yè)建設具有積極的作用。

5 結 語

針對單螺桿壓縮機開放探索式性能測試實驗平臺展開設計，在明確了性能測試系統(tǒng)工藝流程基礎上，結合單螺桿壓縮機工作原理，確定了封閉工作腔全壓范圍內(nèi)壓力傳感器測點布置方案及單螺桿壓縮機p-V圖測試方案?；谔摂M儀器技術，構建了可實施開放性、探索性實驗的單螺桿壓縮機工作性能測試實驗平臺，完善了過程流體機械課程實驗教學體系，豐富了課程實驗內(nèi)容，還提供了豐富的開放性和探索性實驗內(nèi)容，有助于學生創(chuàng)新性實驗的設計和開展，為傳統(tǒng)實驗教學方法提供補充，具有較高的教學實用性。