活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些探索

葉建軍 謝軍龍 王嘉冰

[摘 要] 針對目前活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，從實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾個方面做出探索，讓學(xué)生能夠更好地理解活塞式壓縮機(jī)性能測試的目的和意義，掌握實(shí)驗(yàn)測試過程原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過研究型實(shí)驗(yàn)探索，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究有機(jī)結(jié)合，使得學(xué)生積極思考，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，更扎實(shí)地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 活塞式壓縮機(jī);實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書;研究型實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)報(bào)告

[作者簡介] 葉建軍（1981—），男，湖北鄂州人，博士，華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，主要從事流體機(jī)械教學(xué)與科研工作;謝軍龍（1970—），男，福建龍巖人，博士，華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院研究員，主要從事流體機(jī)械及裝備相關(guān)的教學(xué)與科研工作;王嘉冰（1973—），女，湖南長沙人，博士，華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，主要從事風(fēng)機(jī)優(yōu)化及仿真方面的教學(xué)及科研工作。

[中圖分類號] TH45? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0384-03? ? [收稿日期] 2020-04-14

一、前言

活塞式壓縮機(jī)作為基礎(chǔ)工業(yè)裝備，廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、冶金、制冷、礦山、紡織等工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域[1-4]。活塞式壓縮機(jī)作為一種典型的容積式流體機(jī)械設(shè)備，對于能源動力相關(guān)專業(yè)的本科生來說，掌握活塞式壓縮機(jī)工作原理，了解其工作過程和特點(diǎn)很有必要。對于學(xué)生來說，需要培養(yǎng)綜合素質(zhì)，既要注重理論知識的學(xué)習(xí)，同時也要注重實(shí)踐鍛煉以及解決實(shí)際問題的能力[5-6]。對于活塞式壓縮機(jī)教學(xué)來說，除了課堂講授基本理論之外，活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)也是課程教學(xué)的重要組成部分。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際動手測試，更能加深學(xué)生對活塞式壓縮機(jī)的理解，加強(qiáng)學(xué)生對活塞式壓縮機(jī)課程的學(xué)習(xí)效果，也可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和自主創(chuàng)造能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)造精神和能力[7-8]。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課前往往對于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容不是很了解，實(shí)驗(yàn)過程中也往往以老師講授和操作為主，學(xué)生實(shí)際操作和動手機(jī)會較少，導(dǎo)致部分學(xué)生不能深層次地思考實(shí)驗(yàn)的意義，同組次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)雷同，很多學(xué)生無法獨(dú)立進(jìn)行分析和探討，實(shí)驗(yàn)效果有所欠缺。針對這種情況，本文結(jié)合容積式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，從實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)工作、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾個方面做出嘗試并展開探索，以期加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)課程和基礎(chǔ)課程的興趣，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二、活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)前預(yù)習(xí)方面的探索

對于本科生來說，在預(yù)習(xí)過程中主動去學(xué)習(xí)相關(guān)的知識點(diǎn)，獲得自主學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，往往能更快速更好地理解老師講授的內(nèi)容，并針對知識點(diǎn)進(jìn)行自主探索及思考，能夠舉一反三，達(dá)到事半功倍的效果，對于活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)課程來說同樣如此。因此，活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)課程的開展，首先要求本科學(xué)生提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的預(yù)習(xí)，針對實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)以及預(yù)習(xí)的考查，作者在教學(xué)過程中進(jìn)行了探索。

（一）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的預(yù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本的教材，在進(jìn)行活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)前要求每個學(xué)生學(xué)習(xí)《活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x，明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)原理和測試方法。針對活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)前的預(yù)習(xí)，主要從三個方面著手。

1.理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x。通過預(yù)習(xí)了解活塞式壓縮機(jī)在國民生產(chǎn)中的重要地位，理解為什么要針對活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行性能測試，使學(xué)生初步認(rèn)識活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)壓縮機(jī)運(yùn)行操作的基本知識，并且理解性能測試對于壓縮機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作性能的重要意義。

2.明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容。通過預(yù)習(xí)了解在活塞式壓縮機(jī)性能測試中主要進(jìn)行哪些測試，明確本次實(shí)驗(yàn)測試的具體項(xiàng)目和內(nèi)容，對于活塞式壓縮機(jī)來說，具體測試內(nèi)容主要為壓縮機(jī)示功圖測試以及相應(yīng)的流量等測試。測試內(nèi)容包括氣缸內(nèi)壓力、工作腔容積、以及排氣溫度等信息量的測試。

3.了解如何進(jìn)行測試。通過預(yù)習(xí)初步了解活塞式壓縮機(jī)性能測試中如何進(jìn)行相關(guān)信息量的測試，示功圖曲線怎么畫。例如，對于示功圖來說，氣缸內(nèi)壓力如何測試，工作腔容積如何測量，示功圖如何畫，流量信息如何測試，轉(zhuǎn)速如何調(diào)節(jié)，排氣壓力如何改變。

（二）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的考查

為調(diào)動學(xué)生的思維積極性，對活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)課程做出探索，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)設(shè)置預(yù)習(xí)思考題，實(shí)驗(yàn)課時通過抽查提問的方式對學(xué)生進(jìn)行考查，了解學(xué)生課前預(yù)習(xí)的程度。這些思考題大多圍繞壓縮機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、測試內(nèi)容和測試方法等展開，而且還包括實(shí)驗(yàn)過程需要注意的問題以及處理措施等安全知識點(diǎn)，使得學(xué)生能夠帶著問題來進(jìn)行預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

以活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)為例，作為探索，預(yù)習(xí)思考題設(shè)置如下：活塞壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對活塞壓縮機(jī)實(shí)物圖片指出進(jìn)氣口和排氣口位置，活塞式壓縮機(jī)示功圖有什么含義，其作用如何，如何測量示功圖中的氣缸壓力，如何測試工作腔容積，實(shí)驗(yàn)測試過程中需要注意哪些問題，若壓力超出實(shí)驗(yàn)規(guī)定壓力怎么處理。

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新性探索

實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及使學(xué)生獲取專業(yè)知識，具有其他任何教學(xué)環(huán)節(jié)都不可替代的作用。因此重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)就必須改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的觀念和模式，結(jié)合實(shí)際需求和技術(shù)發(fā)展，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等進(jìn)行不斷更新探索，增加學(xué)生動手鍛煉的機(jī)會，豐富學(xué)生的專業(yè)知識面，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為培養(yǎng)新時代復(fù)合型高級專門人才的相對獨(dú)立的基本組成部分，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到應(yīng)有的作用。活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)作為流體機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課之一，作者也在這方面做出了一些嘗試和探索。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的探索

為達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在學(xué)校提供專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持的基礎(chǔ)上，通過容積式壓縮機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)、信號采集及測控系統(tǒng)研究開發(fā)以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作軟件設(shè)計(jì)等研究，攻克壓縮機(jī)氣缸內(nèi)壓力測量、活塞行程定位、容積表征以及軸系高精度對中等技術(shù)難題，并結(jié)合操作軟件平臺的開發(fā)，研制了活塞式壓縮機(jī)性能測試本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)（圖1）。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺具有功能多、測試精度高、可擴(kuò)展能力強(qiáng)、安全保護(hù)措施好等特點(diǎn)，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠滿足活塞式壓縮機(jī)性能測試本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

（五）實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和內(nèi)容的探索

1.活塞式壓縮機(jī)示功圖測試和分析實(shí)驗(yàn)。活塞式壓縮機(jī)的示功圖是反映壓縮機(jī)在一個工作循環(huán)中氣缸內(nèi)壓力變化的曲線圖，在壓縮機(jī)工作循環(huán)中處于非常重要的地位，因此示功圖測試一直是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)測試壓縮機(jī)示功圖基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一些探索。示功圖實(shí)驗(yàn)中測試活塞式壓縮機(jī)工作過程中的示功圖，根據(jù)示功圖的面積可計(jì)算出缸內(nèi)的平均指示壓力、指示功率等，根據(jù)示功圖實(shí)際排氣壓力和吸氣壓力求出實(shí)際壓力比。此外，根據(jù)示功圖分析判斷壓縮機(jī)的泄漏情況，分析判斷壓縮機(jī)是否存在故障以及故障產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，通過改變工況條件，例如不同壓力比、不同轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行示功圖的測試，并且讓學(xué)生分析壓力比以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)對于壓縮機(jī)指示功等的影響規(guī)律。通過這一嘗試，不僅讓學(xué)生進(jìn)行了傳統(tǒng)形式的壓縮機(jī)示功圖測試實(shí)驗(yàn)，而且還進(jìn)行了研究型實(shí)驗(yàn)測試，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探索影響規(guī)律。這樣一方面能讓學(xué)生產(chǎn)生更大的學(xué)習(xí)興趣，另外一方面能夠讓學(xué)生加深理解，更好地掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識。

2.活塞式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速—壓力—流量關(guān)系測試實(shí)驗(yàn)。活塞式壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，流量信息也非常重要，但是傳統(tǒng)壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒有相關(guān)內(nèi)容。本文結(jié)合自主研制的活塞式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，創(chuàng)新開發(fā)了活塞式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速—壓力—流量關(guān)系測試實(shí)驗(yàn)，并編制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，形成了轉(zhuǎn)速—壓力—流量測試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。基于噴嘴法測量原理，即通過測量噴嘴兩端的壓差就可以衡量流量的大小。因此，該實(shí)驗(yàn)過程中，首先利用變頻控制，保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過調(diào)節(jié)活塞式壓縮機(jī)壓力開關(guān)，改變壓縮機(jī)的壓力比，再進(jìn)行流量測試;其次，調(diào)節(jié)活塞式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，通過調(diào)節(jié)壓力開關(guān)，保持壓力比不變，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速條件下的流量測試。將測試結(jié)果進(jìn)行匯總并分析，獲得轉(zhuǎn)速和壓力比參數(shù)對于壓縮機(jī)流量的影響規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)同樣也是屬于研究型測試實(shí)驗(yàn)，對于學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)課不但是做實(shí)驗(yàn)，同時也是做研究，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究有機(jī)結(jié)合。通過這樣的探索，既可以豐富學(xué)生對于壓縮機(jī)實(shí)際工作過程的知識面，也提高了工科學(xué)生對于機(jī)械設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的分析能力。

（六）實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的探索

1.實(shí)驗(yàn)小組及循環(huán)測試模式。由于活塞式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)測試過程中既需要控制轉(zhuǎn)速，還需要控制排氣壓力，同時還要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取，因此對于學(xué)生來說無法獨(dú)自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。因此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)測試時，將學(xué)生分成實(shí)驗(yàn)小組，每3人為一組，A同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試及數(shù)據(jù)讀取，B和C同學(xué)配合A同學(xué)進(jìn)行測試，其中B同學(xué)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，C同學(xué)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)排氣壓力。A同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行組內(nèi)循環(huán)，由B同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，C同學(xué)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，A同學(xué)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)排氣壓力，依此類推。這樣每個同學(xué)都可以進(jìn)行實(shí)際操作，鍛煉動手能力，提升自己對實(shí)驗(yàn)過程的理解。在實(shí)驗(yàn)過程中，各位同學(xué)必須分工合作并相互配合，才能成功進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，這種實(shí)驗(yàn)小組和循環(huán)測試模式也可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的獨(dú)立性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)測試項(xiàng)目，往往很多學(xué)生是同樣的數(shù)據(jù)，或者同組的學(xué)生獲得同樣的數(shù)據(jù)，這樣容易使某些學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時，照抄其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析報(bào)告，達(dá)不到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)在這方面同樣進(jìn)行了探索，在實(shí)驗(yàn)小組和循環(huán)測試模式的基礎(chǔ)上，每個學(xué)生針對示功圖測試還有流量測試實(shí)驗(yàn)，均可以測得自己所屬的數(shù)據(jù)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和人工讀取的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保證每個學(xué)生可以獲得獨(dú)立的數(shù)據(jù)。因此，每個學(xué)生都要處理自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析自己的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果并總結(jié)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理和分析同樣具有獨(dú)立性。這樣避免了學(xué)生之間相互抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況，尤其對于學(xué)習(xí)積極性較差的同學(xué)效果更好。

三、結(jié)束語

數(shù)年的活塞式壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)過程分組循環(huán)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告獨(dú)立性等幾方面的探索，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。這些探索不僅使得學(xué)生能夠更好地掌握傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)知識，而且加深了學(xué)生對于活塞式壓縮機(jī)實(shí)際工作過程和工作狀態(tài)的理解，豐富了學(xué)生的專業(yè)知識面，對培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和實(shí)際解決問題的能力具有明顯作用。

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