無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦旋端面摩擦測(cè)試裝置*

李 超 孫照嵐 趙 嫚

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院)

渦旋壓縮機(jī)以其效率高、振動(dòng)小、噪音低及運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等優(yōu)勢(shì)成為壓縮機(jī)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[1]。但由于渦旋壓縮機(jī)特有的運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)，使其存在許多摩擦副，因此摩擦功耗使壓縮機(jī)輸入功率增大、效率降低，有時(shí)摩擦磨損甚至?xí)斐蓧嚎s機(jī)事故[2]。因而探究影響摩擦磨損的關(guān)鍵因素、降低摩擦功耗、提高壓縮機(jī)的可靠性和效率，成為渦旋壓縮機(jī)研究的重要課題之一。

通常在進(jìn)行渦旋壓縮機(jī)摩擦損失的分析時(shí)，假設(shè)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部所有摩擦副的摩擦系數(shù)均為一定值，其數(shù)值往往都是來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)[3]。實(shí)際上，渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，各摩擦副的摩擦磨損不僅與壓縮機(jī)載荷、工況有關(guān)，還與摩擦副對(duì)偶材料的表面形貌有關(guān)。為了研究渦旋壓縮機(jī)摩擦副的特性及摩擦磨損的規(guī)律和影響因素，筆者依據(jù)無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的工作原理，以動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面摩擦副為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了無(wú)油潤(rùn)滑渦旋式壓縮機(jī)摩擦特性和動(dòng)力特性試驗(yàn)裝置，基于LabVIEW軟件編制了試驗(yàn)裝置測(cè)試信號(hào)采集和處理測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置可為渦旋壓縮機(jī)的理論研究和工程設(shè)計(jì)提供較好的試驗(yàn)參考。

1 渦旋壓縮機(jī)的工作原理及動(dòng)靜盤(pán)摩擦計(jì)算

渦旋壓縮機(jī)工作時(shí)，動(dòng)渦旋盤(pán)在曲軸和防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并與靜渦旋盤(pán)形成多個(gè)封閉壓縮腔，且隨曲軸的旋轉(zhuǎn)周期性變化其大小，借以實(shí)現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和排出過(guò)程[4,5]。渦旋壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)渦旋盤(pán)受到的作用力主要有：軸向氣體力Fa，徑向氣體力Fr，切向氣體力Ft，離心慣性力Fe；受到的力矩主要有：傾覆力矩Mm，自轉(zhuǎn)力矩Mr，曲柄銷(xiāo)施加給動(dòng)渦盤(pán)的驅(qū)動(dòng)力矩Md，小曲拐的防自轉(zhuǎn)力矩Ms。 動(dòng)靜渦旋盤(pán)之間產(chǎn)生摩擦損耗的主要部位有3處：動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面貼合處、動(dòng)靜渦旋齒徑向嚙合處和渦旋齒頂與渦盤(pán)槽底之間[6]。

為了降低軸向氣體力在動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面貼合處或渦旋齒頂與渦盤(pán)槽底之間產(chǎn)生的摩擦損失，通常在動(dòng)渦旋盤(pán)背側(cè)設(shè)置背壓平衡腔結(jié)構(gòu)，減小摩擦端面的作用力。由于作用在動(dòng)渦旋上的軸向氣體力是隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生變化的，完全平衡較為困難。當(dāng)采用背壓平衡腔結(jié)構(gòu)時(shí)，動(dòng)靜渦旋盤(pán)軸向作用力產(chǎn)生的摩擦損失Pd-j可表示為：

(1)

式中Dd——?jiǎng)訙u盤(pán)的直徑；

Fa(θ)——主軸轉(zhuǎn)角為θ時(shí)的軸向氣體作用力；

pb(θ)——背壓腔中的氣體壓力；

μ——?jiǎng)屿o渦盤(pán)之間的摩擦系數(shù)。

背壓腔中的氣體壓力pb(θ)的計(jì)算分剛性容器的絕熱吸氣和剛性容器的絕熱放氣兩種。

剛性容器的絕熱吸氣：

(2)

κRTi(θ)

(3)

式中Db——背壓孔直徑；

Vb——背壓腔容積；

ρi(θ)——i時(shí)刻(對(duì)應(yīng)θ)的中壓腔中氣體密度。

剛性容器的絕熱放氣：

(4)

κRTb(θ)

(5)

由以上公式可知摩擦損失Pd-j與n、r、pb(θ)、Dd、Fa(θ)、μ的取值有關(guān)，當(dāng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況一定時(shí)，n、r、Dd為一定值，pb(θ)、Fa(θ)是隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，摩擦系數(shù)μ不僅與壓縮機(jī)載荷、運(yùn)行工況有關(guān)，還與渦旋盤(pán)端面的表面形貌有關(guān)。通常計(jì)算摩擦損失時(shí)動(dòng)渦旋盤(pán)與靜渦旋盤(pán)端面的摩擦系數(shù)選擇μ=0.04～0.09[7]。因此，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀況有一定誤差。為了探究影響摩擦磨損的關(guān)鍵因素，獲得較為準(zhǔn)確的摩擦功耗的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)裝置。

2 試驗(yàn)裝置的構(gòu)建

根據(jù)無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的工作原理，動(dòng)靜渦旋端面摩擦力可通過(guò)測(cè)量摩擦扭矩獲得，試驗(yàn)裝置主要由3個(gè)模塊組成：硬件部分(試驗(yàn)臺(tái))、采集部分(信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集卡)和軟件部分(LabVIEW程序編寫(xiě))。圖1、2分別表示試驗(yàn)臺(tái)整體構(gòu)造和動(dòng)靜渦旋盤(pán)簡(jiǎn)化形式。試驗(yàn)臺(tái)的主要組成部分有電機(jī)、曲軸、支架、小曲拐、動(dòng)盤(pán)、靜盤(pán)、扭矩傳感器和砝碼，動(dòng)盤(pán)在曲軸和小曲拐共同作用下，實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，靜盤(pán)、動(dòng)盤(pán)之間通過(guò)自潤(rùn)滑材料實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑[8]。通過(guò)對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，在試驗(yàn)工況下，與靜盤(pán)連接的扭矩傳感器完成被測(cè)信號(hào)從機(jī)械量到電量的轉(zhuǎn)換，并將扭矩信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理包括信號(hào)放大、隔離及濾波等，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的扭矩信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入端的A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，供LabVIEW的開(kāi)發(fā)程序分析和處理。動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面摩擦可通過(guò)更換不同自潤(rùn)滑材料實(shí)現(xiàn)不同對(duì)偶摩擦副的摩擦特性研究。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)整體構(gòu)造

圖2 動(dòng)靜渦旋盤(pán)簡(jiǎn)化

3 力學(xué)模型分析

動(dòng)靜盤(pán)端面力學(xué)分析模型如圖3所示。由扭矩傳感器測(cè)量得到的數(shù)值主要由兩部分組成，一部分為動(dòng)靜盤(pán)端面的摩擦扭矩，主要是由砝碼的重力Fm和靜盤(pán)及靜盤(pán)上面的連接部件的重力Fz引起的摩擦力；另一部分是動(dòng)盤(pán)所受到的傾覆力矩產(chǎn)生的附加摩擦力。這些力最終作用到動(dòng)靜盤(pán)的接觸面上(圖3)。

圖3 動(dòng)靜盤(pán)端面力學(xué)分析模型

由力矩等于力乘以力臂可知摩擦扭矩Mf：

Mf=Ff·r=μ·F·r

(6)

(7)

Mm=Fd·h

(8)

其中，Mf可通過(guò)扭矩傳感器獲得，r為回轉(zhuǎn)半徑；F=Fm+Fz+Fq，且Fm、Fz很容易測(cè)量。Fq為傾覆力矩Mm在y方向施加在摩擦副上的作用力，傾覆力矩產(chǎn)生的主要原因是由于動(dòng)渦盤(pán)離心力作用平面與驅(qū)動(dòng)平面不在同一平面造成的。Fd為動(dòng)盤(pán)離心力，h為動(dòng)盤(pán)重心到自潤(rùn)滑軸承與曲柄銷(xiāo)接觸距離中心線的軸向高度。

4 數(shù)據(jù)采集與軟件模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是軟件與硬件間通信的橋梁，是扭矩信號(hào)順利、準(zhǔn)確地從硬件部分輸入到計(jì)算機(jī)，并清晰地顯示在LabVIEW程序中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集模塊的流程圖如圖4所示。扭矩傳感器將動(dòng)靜盤(pán)端面摩擦扭矩的機(jī)械量轉(zhuǎn)化成電量，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后，變成可被數(shù)據(jù)采集卡接受的電壓信號(hào)[9]。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)其A/D轉(zhuǎn)換通道采集輸入信號(hào)，利用LabVIEW對(duì)所輸入的信號(hào)進(jìn)行顯示、處理、分析和存儲(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)采集流程

軟件方面應(yīng)用LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜盤(pán)端面的摩擦扭矩信號(hào)進(jìn)行采集和分析。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，它用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向。試驗(yàn)中LabVIEW實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：扭矩信號(hào)采集、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)及扭矩信號(hào)分析等。扭矩信號(hào)采集部分可對(duì)采樣模式、采樣率和基本信息進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后點(diǎn)擊運(yùn)行節(jié)點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)部分利用文件I/O中的高速數(shù)據(jù)流文件(TDMS)對(duì)波形圖中顯示的扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)、存儲(chǔ)。信號(hào)分析部分，通過(guò)波形圖表的顯示，對(duì)摩擦扭矩進(jìn)行直觀的分析；利用信號(hào)分析(Express VI)呈現(xiàn)出已采集扭矩信號(hào)的極值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。結(jié)合LabVIEW軟件的優(yōu)勢(shì)，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路和模塊化編程規(guī)則從主體到分支，再到各個(gè)細(xì)節(jié)，然后再研究各細(xì)節(jié)間的相互關(guān)系，并按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將各個(gè)細(xì)節(jié)都編寫(xiě)成結(jié)構(gòu)完整、相對(duì)獨(dú)立的程序段[10]。圖5為L(zhǎng)abVIEW軟件的界面設(shè)計(jì)，主要提供了基本信息、基本參數(shù)的設(shè)定。由軟件的界面可以很方便地得到在轉(zhuǎn)速不變的情況下，不同對(duì)偶摩擦副摩擦扭矩的變化曲線，摩擦扭矩的極值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差，并通過(guò)自相關(guān)曲線了解摩擦扭矩的變化規(guī)律。

圖5 摩擦扭矩采集及限幅濾波

5 系統(tǒng)測(cè)試原理

試驗(yàn)裝置中對(duì)靜盤(pán)設(shè)有徑向約束，使其無(wú)法繞軸線旋轉(zhuǎn)，動(dòng)盤(pán)隨曲軸作公轉(zhuǎn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，扭矩傳感器與靜盤(pán)通過(guò)螺栓固定連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜盤(pán)之間摩擦扭矩的測(cè)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了動(dòng)、靜渦旋盤(pán)端面摩擦試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并應(yīng)用LabVIEW編制了動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面摩擦扭矩信號(hào)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示軟件測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速、不同對(duì)偶摩擦副條件下，動(dòng)靜渦旋盤(pán)端面摩擦特性參數(shù)的測(cè)量，可為渦旋壓縮機(jī)的理論研究和工程設(shè)計(jì)提供重要參考。

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