活塞式压缩机气阀运动规律的测试

2000年12月

顺石油学院学报

JOURNAL　OF　FUSHUN　PETROLEUM　INSTITUTE

　　　抚

Vol.20　No.4

　Dec.2000

　　文章编号:1005-3883(2000)04-0048-04

活塞式压缩机气阀运动规律的测试

孙　杰

(抚顺石油学院机械系,辽宁抚顺113001)

摘　要:　简述了用变距离电容位移测定法对活塞式压缩机气阀运动规律进行测试的基本过程。介绍了变距离电容位移传感器的设计原理和结构,具有结构简单、位移变化产生的信号较大、受温度影响小和精度高的特点。对交流电桥的最佳选择做了详细讨论,使其达到桥路简单、组件少和性能稳定的要求。并提出一种用正交多项式法来处理标定曲线的数学方法,避免了采用最小二乘法解联立方程的繁琐过程,而且可以任意增加逼近多项式的次数。通过对2ZA-1/8小型活塞压缩机的气阀运动规律实测曲线的对比和分析,证明该测试方法切实可行,克服了其他类型的位移传感器破坏阀门结构、影响排气、改变阀片受力状态的缺点,更适应小型压缩机气阀的测定,能够为气阀的设计和改造工作提供较为准确和可靠的实验资料。

关键词:　运动规律;　测试;　压缩机;　气阀中图分类号:TP274　　　　文献标识码:A

　　气阀是活塞式压缩机中最重要的部件之一,它直接影响压缩机运转的经济性和可靠性。在研究压缩机的气阀运动规律时,首先要测定

阀片的位移随曲柄转角(或时间)变化的函数关系,即阀片运动规律曲线。目前,广泛采用的非电量测试法[1]有光电位移式、电感位移式、电容位移式和压电位移式等。它们的共同特点是必须在气阀中置入一个预先准备好的探头,并使探头的运动端和阀片发生机械联系或占据一定的气流通道。这样就破坏了阀门结构,影响进排气,改变了阀片的运动规律和受力状态,特别不利于微小型压缩机气阀的测定。为此,我们对变距离电容位移式测定法进行了研究和探讨,设计制作了变距离电容位移式传感器。经过对本实验室2ZA-l/8小型压缩机的气阀运动规律的实际测定,表明该测定方法准确可靠;设计的传感器具有结构简单、无接触测量、灵敏度高、分辨力强和动态响应好等特点。

收稿日期:2000-03-14

作者简介:孙杰(1957-),男,辽宁抚顺,高级工程师。

1　传感器设计原理

　　利用改变极板面积S和极板之间距离d

的方法,均可以达到改变电容量C的目的[2]。采用后一种方法来设计变距离电容位移式传感器。为使传感器能将阀片的位移变化转换成相应的电量变化,使两者成单值函数关系,并保证阀片在气流、弹簧力等作用下产生的移动和倾斜与真实运动状况一致,所以用气阀阀片本身作为电容器的动极板。在升程器上与阀片对应处用机械加工去掉一层,然后嵌入一层耐温绝缘材料,绝缘层贴上厚0.1mm导电层,导电层上涂以厚0.3mm绝缘限位保护层,并与四周绝缘。上述三层厚度应与升程器上去掉的厚度相等。其结构简图见图1。　　当考虑到极板表面环氧树脂厚度时,传感器电容的基本计算公式应为

(1)C=ε1S/(d1+d2/ε2)式中:d1———极板间的空气隙厚度,m;

　　d2———环氧树脂的厚度,m;

ε——空气介电常数,F/m;1—ε　　——环氧树脂相对介电系数。2—

第3期　　　　　　　　　　　孙　杰.活塞式压缩机气阀运动规律的测试49

　　当阀片位移发生变化时。极板空气间隙d1发生改变,就有一个对应的C值,这样可以得到电容与位移之间的关系曲线如图2所示。　　该电桥的输出电压为Ucd=UgδZ　　　　　　　　　　　　　=

πfC1R2)1/(2πfC1R2)][1+1/(2πfC4R3)][1+1/(2(2)

2　交流电桥的选择　　使用了YD-15型动态应变仪作为交流放

大器,SC-16型光线记录示波器进行记录曲线,同时采用B-14型示波器观察波形,电容式传感器工作时,借助交流电桥的振幅调制可得到精确的结果。其工作方式是:让传感器作为交流电桥阻抗的一部分,当阀片处于静态时,电桥应能处于平衡状态,这时电桥无输出信号;当气阀工作时,阀片的位移使传感器电容量发生变化,这时电桥就失去平衡并输出电压信号,该讯号经YD一15型动态应变仪放大、检波、滤波后,即在示波器上显示出波形,这就是气阀的运动规律曲线。　　对于图1结构的传感器,由图2关系曲线分析,为了得到较好的线性,将传感器的最小距离选得大一些,这就使得传感器本身的灵敏度降低,因而在选择交流电桥时,应考虑交流电桥的最佳灵敏度,以便获得足够大的信号供分析研究。

　　选用图3所示的电桥线路,该电桥能与YD-15型动态应变仪配合工作。在电路中有

式中:Ug为交流电桥输入电压,YD-15应变仪供给桥路的载波电压为3V,δZ为传感器所在桥臂阻抗的相对变化。

　　先用精密电桥测出传感器的实际电容值C1即可根据最佳灵敏度条件确定R2,并使R3=R2,C4=C1,R2和R3可选用阻值稍高的电

位器,C4可用单联可变电容器制作,这样便于测量中平衡调节。然后将R2、R3和C4装配在一起制成电桥盘,为便于使用,通过4个接线柱外接引线。

3　传感器测量信道标定

　　传感器与电桥、动态应变仪联接后,其阀片相对于升程器位移与动态应变仪输出电压也成单值函数关系。由于阀片与底座电容受边缘效应影响,且仪器存在各种测量误差,所以前述传感器电容与阀片位移、电桥电压与电容变

两个臂是电容,另两个臂是电阻,其中C1是传

感器电容,C4是外接调整电容。该电桥的最佳灵敏度条件为:

πfC1)=R2;　πfC4)=R31/(21/(2其中,f为电桥输入端的载波频率,YD—15应

变仪供电桥的载频是100kHz。

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n

化之间的关系式(2)只能作为设计传感器和交

流电桥的理论参考。在实际测量前,还要对整个传感器测量信道进行静态标定,即找出阀片位移与动态应变仪输出直流电压之间的真实对应关系。标定时,将传感器、交流电桥、应变仪之间的联机接好,再用一高精度直流电压来测量应变仪电压输出,当阀片位移为零时,调整应变仪平衡或使电压输出为零。然后使阀片每移动一个位置,记录一个相应的电压输出值。一般移动越小越好,考虑到精度要求及实际测量的可能性,测试十几个点就足够了。　　经实测表明,应变仪输出电压U与阀片位移d之间的关系是二次曲线,即

2

(3)U(d)=A0+A1d+A2d　　根据实测的d和V的数据,应用正交多项式法来确定(3)式中的系数A0、A1、A2。这项计算工作可在计算机上进行。

　　根据正交多项式的推导原理[3],可以得出U(d)的最佳多项式逼近中系数Ai计算公式为

Ai=

d=0∑U(d)P

nd=0

ni

(d)

,　i=0,1,2,…,m

∑P2

ni

(d)

(4)

式中,U(d)可在通过标定实测得到,在对某一传感器测量信道静态标定时,可将所记录的阀片位移d1与相应的输出电压U(d)的各组数据代入(4)式中,即可确定系数Ai,并得出该阀片的U～d关系曲线方程式。　　由于计算Ai的(4)式中不含拟合多项式的次数m,因此,如想对逼近多项式再增加新项,即增大m,则所有先前已算得的系数仍不变,只须计算新项的系数即可。而且这种方法无须求解任何联立方程式,要比一般常用的最小二乘法大大地减轻了计算工作量,具有较好的通用性。

4　测试实例

　　对实验室一台2ZA-1/8到两级压缩机进行了改装测试。压缩机Ⅰ级气缸<120mm,Ⅱ级气缸直径75mm,活塞行程100mm,均为双

第3期　　　　　　　　　　　孙　杰.活塞式压缩机气阀运动规律的测试51

作用。压缩机工作转速720r/min,每级吸排气各用两组单环网状阀,阀片升程均为l.8mm。所设计的变距离电容位移式传感器结构与图2相同,在测试过程中我们采取了下列措施:　　1)用屏蔽导线并接地,使测试仪器尽量远离外界电磁场(如电机等),这样可减弱外界电磁场的干扰。　　2)各引线规格,长短力求一致,排列整齐,这样有利于引线的分布,电容能在电桥中自动补偿。　　3)组成电桥元件的性能参数均用精密万用电桥检查和选择,有利于电桥平衡点的调整。　　采用上述方法实测气阀运动规律曲线经非线性校正后与用电阻应变片唯一线性测定法测试的曲线相比较完全一致。图4是其中的一组实测曲线及气阀开闭时间分析图。　　当改变气阀的结构参数时,阀片的运动规律曲线也发生变化。如Ⅱ级气缸吸气阀开启情况不大理想,排气阀在全开时出现颤振,分别将吸气阀的升程由1.8mm减小到1.6mm,排气阀的4个弹簧预压力降低(每个弹簧去掉一圈),结果使两个阀的工作状态得到改善。改进前后的测试曲线见图5。

位移变化产生的信号较大,受温度影响小,精度高,测试过程中平衡点比较稳定。　　b)由于传感器中阀片作为电容器一个极板本身接地,它与交流电桥和应变仪的接地点连在一起,使得整个测试系统性能稳定,抗干扰强,实际使用中一个传感器只有一根引线,另一极可接在压缩机外壳上,简化了密封点。　　c)采用了正交多项式法处理系统标定曲线,避免用最小二乘法解烦琐的联立方程,由于可以任意增加逼近多项式的次数,大大减轻了计算工作量。

d)该测试方法切实可行,可以作为检测压缩机气阀运动规律一种手段,为气阀的设计和改造工作提供较为可靠的实验资料。

5　结　论

a)变距离电容位移式传感器,结构简单,

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(下转第57页)

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油气设备诊断序列统计的应用

迪夫V,斯莫拉道夫E

(乌法国立石油技术大学,乌法,俄罗斯)

　　摘　要:　给出了振动信号的统计特性,即GCU低压汽轮机振动仪上收到的时间和频率线等级标准。油气设备诊断中等级标准的应用,可本质上去除专家估计的主观性,在传统时线分析方法中是不可缺少的,并可对设备的技术条件、可操作模型的定义加入定量的标准。

(Ed.:T,W)

　　(上接第51页)

MeasurementforMovementLawofthePistonCompressorGasValve

SunJie

(DepartmentofChemicalMachinery,FushunPetroleumInstitute,LiaoningFushun113001,China)

Abstract:　Thispaperdescribesbrieflythebasicprocesstotestmovinglawofpistoncompressorgasvalvebycapacitancedisplacementofvaryingdistance.Thedesignprincipleandstructureofthesensorarealsointroduced.Theoptimumselectionforthealternationbridgeisdiscussedindetail.Amathematicmethodtotreatthemarkedratingcurvebyorthogonalpolynormalisproposed.Throughthecomparisonandanalysisoftestedcurves,thepossibilityofpracticalusageofthismethodhasbeenproved.Thedisavantagesofdistroyingvalvestructure,influecingexhaust,changingtheforcestateinotherkindofdisplacementsensorhavebeenremovedaswell.Andthismethodcanprovideaccurateandreliabledataforgasvalvedesignandinnovation.

Keywords:　Movementlaw;　Testing;　Compressor;　Gasvalve;

(Ed.:ZW,W)