CN110375967B - 一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台，通过采用步进电机和滚珠丝杠调节活塞的运动行程和速度，对配流盘进行结构改进，在配流盘上可以安装不同数量、结构形式和结构参数的进排气单向阀和风冷进排气单向阀，具有不同结构形式和结构参数风冷气体流道的自风冷气缸方便在外壳中更换，在不同位置安装压力和温度传感器，通过测控系统采集气体压缩过程中不同部位的压力和温度信息，研究活塞运动行程和速度、进排气单向阀结构形式和结构参数、风冷进排气单向阀数量、结构形式和结构参数、风冷气体流道结构形式和结构参数对压缩过程、冷却效果、压缩效率的影响规律，根据实验目的建立评价函数，得出设计依据，为进一步完善了自风冷活塞式压缩机设计理论奠定实验基础。该试验台具有测控数据齐全、可研究参数多、通用性强、结构紧凑等众多优点。

Description

一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台

技术领域

本发明涉及一种自风冷活塞式气缸实验台，主要是为自风冷活塞式气缸的关键参数进行性能测试和评价。

背景技术

自风冷活塞式气缸作为活塞式压缩中重要组成部分，可以通过多个气缸同时工作输出大流量压缩气体，也可以通过多级串联输出高压气体。由于该装置无需增加任何辅助散热设备，在压缩气体的同时产生风冷气体对自身进行强制对流换热，极大的提高了压缩效率，因此开始逐渐应用于小、微型高压压缩机。但是，由于自风冷气缸属于新型研究领域，其特性研究还不够深入，自风冷气缸中的关键参数(如活塞运动行程和速度、进排气单向阀结构形式和结构参数、风冷进排气单向阀数量、结构形式和结构参数、风冷气体流道结构形式和参数等)对压缩过程、冷却效率、压缩效率等压缩机性能参数的影响规律如何，如何进行关键参数性能评价，关键参数遵循怎样的结构设计原则等一些列研究工作还尚未开展。因此，亟需设计一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台，为自风冷活塞式气缸中的关键参数研究提供有效的实验数据支撑，对于促进和完善其理论研究具有重要意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台。通过采用步进电机和滚珠丝杠调节活塞的运动行程和速度，对配流盘进行结构改进，在配流盘上可以安装不同数量、结构形式和结构参数的进排气单向阀和风冷进排气单向阀，风冷气体流道具有不同结构形式和结构参数的自风冷气缸安装更换方便，在不同位置安装压力和温度传感器，通过测控系统采集气体压缩过程中不同部位的压力和温度信息，研究活塞运动行程和速度、进排气单向阀结构形式和结构参数、风冷进排气单向阀数量、结构形式和结构参数、风冷气体流道结构形式和结构参数对压缩过程、冷却效果、压缩效率的影响规律，根据实验目的建立评价函数，确定自风冷活塞式气缸关键参数设计原则，为自风冷活塞式气缸结构设计理论提供实验基础。

为实现上述目的，本发明为一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台，包括：电机、滚珠丝杠、直线导轨、活塞、自风冷气缸、外壳、外壳温度传感器、风冷温度传感器、风冷压力传感器、风冷进气单向阀、进气单向阀、排气单向阀、风冷排气单向阀、气缸压力传感器、气缸温度传感器、压力传感器、温度传感器、安全阀、放气阀、储气瓶、联轴器、轴承座、底座、配流盘、气动管路、阀块、丝杠螺母、过渡件、联接轴、堵头、工控机、板卡、电机驱动器。

电机、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、轴承座、联接轴、过渡件和直线导轨组成可调速往复直线驱动单元，电机通过联轴器带动滚珠丝杆旋转，从而带动丝杠螺母实现直线运动，丝杠螺母通过过渡件、联接轴和活塞联接并通过直线导轨进行导向，滚珠丝杠两端采用轴承座支撑。

自风冷气缸中的无杆腔、活塞、进气单向阀、排气单向阀形成气体压缩回路，通过气缸压力传感器、气缸温度传感器测试空气压缩回路中气体的压力和温度。将安全阀、放气阀、压力传感器、温度传感器和储气瓶安装在阀块上，排气单向阀通过气动管路与阀块联接，这样活塞将气体通过排气单向阀、气动管路压缩进入储气瓶内，完成气体压缩。采用压力传感器和温度传感器测试储气瓶中气体的压力和温度。

自风冷气缸中的风冷气体流道和有杆腔、活塞、风冷进气单向阀、风冷排气单向阀形成自风冷回路，通过风冷温度传感器和风冷压力传感器测试自风冷回路中气体的压力和温度，同时在外壳上布置多个外壳温度传感器测试外壳温度分布特性。

风冷进气单向阀、风冷排气单向阀、风冷温度传感器、风冷压力传感器、进气单向阀、排气单向阀、气缸压力传感器和气缸温度传感器全部安装在配流盘上。配流盘通过螺栓将自风冷气缸压紧在外壳内，对自风冷气缸实现端部密封，这样方便自风冷气缸的拆卸，当研究风冷流道结构形式和结构参数特性时，只需更换自风冷气缸即可，无需对其他元件做任何改变，通用性大大增强。

在配流盘上加工不同直径的进排气单向阀孔和风冷进排气单向阀孔并为可不同数量、结构形式和结构参数的进排气单向阀和风冷进排气单向阀孔预留安装空间和安装定位孔，并为所有孔定型设计堵头，需要用时将堵头取出，不需要用时用堵头封死，安装方便，通用性大大增强。

工控机、板卡、电机驱动器和各种温度和压力传感器组成测控系统，工控机在Windows环境下采用LabeWindows作为上位机，采用RTX作为下位机，上位机和下位机通过共享内存实现数据交互，板卡安装在工控机PCI插槽内，用来采集各种温度和压力传感器的数据信息和给电机驱动器下发控制指令，板卡通过PCI总线与下位机RTX实现数据交互。这样就通过测控系统实现控制电机和数据采集，将采集到的实验数据进行记录保存，作为关键参数性能研究和评价的重要依据。

电机采用步进电机，通过电机驱动器控制电机的旋转角度和速度，从而控制活塞的运动行程和速度，实现对气体压缩回路和自风冷回路吸气和压缩。通过气缸压力传感器和气缸温度传感器采集气缸中气体的压力和温度，研究活塞运动行程和速度对单周期气缸压缩过程的影响规律；通过风冷压力传感器和风冷温度传感器采集风冷气体流道中气体的压力和温度，外壳温度传感器采集外壳温度分布特性，研究活塞运动行程和速度对风冷效果的影响规律；通过压力传感器和温度传感器采集工作过程中储气瓶中气体的压力和温度，研究活塞运动行程和速度对压缩效率的影响规律。根据实验目的确定评价函数，并通过上述实验数据对活塞运动行程和速度进行性能评价，为其设计提供实验依据。

进排气单向阀选用不同的结构形式(条状、舌簧状、圆环状、马蹄状等)和结构参数，，将被研究进排气单向阀安装在配流盘中。通过气缸压力传感器和气缸温度传感器采集自风冷气缸中压力和温度，研究进排气单向阀结构形式和结构参数对单周期气缸压缩过程的影响规律。通过外壳温度传感器采集外壳温度分布特性，研究进排气单向阀结构形式和结构参数对系统温升的影响规律。通过压力传感器和温度传感器采集工作过程中储气瓶中气体的压力和温度，研究进排气单向阀结构形式和结构参数对压缩效率的影响规律。根据实验目的确定评价函数，并通过上述实验数据对进排气单向阀结构形式和结构参数进行性能评价，为其结构选型和参数设计提供实验基础。

风冷气体流道采用不同结构形式(单螺旋槽、多螺旋槽、筒形等)和结构参数加工成不同的自风冷气缸，并将其安装在实验台中。通过气缸压力传感器和气缸温度传感器采集自风冷气缸中压力和温度，研究风冷气体流道结构形式和结构参数对单周期气缸压缩过程的影响规律。通过风冷压力传感器和风冷温度传感器采集风冷气体流道中气体的压力和温度，外壳温度传感器采集外壳温度分布特性，研究风冷气体流道结构形式和结构参数对风冷效果的影响规律。通过压力传感器和温度传感器采集工作过程中储气瓶中气体的压力和温度，研究风冷气体流道结构形式和结构参数对压缩效率的影响规律。根据实验目的确定评价函数，并通过上述实验数据对风冷气体流道结构形式和结构参数进行性能评价，为其结构选型和参数设计提供实验基础。

风冷进排气单向阀选用不同的结构形式(条状、舌簧状、圆环状、马蹄状等)和结构参数，将被研究风冷进排气单向阀安装在配流盘中。通过气缸压力传感器和气缸温度传感器采集自风冷气缸中压力和温度，研究风冷进排气单向阀结构形式和结构参数对单周期气缸压缩过程的影响规律。通过风冷压力传感器和风冷温度传感器采集风冷气体流道中气体的压力和温度，外壳温度传感器采集外壳温度分布特性，研究风冷进排气单向阀结构形式和结构参数对风冷效果的影响规律。通过压力传感器和温度传感器采集工作过程中储气瓶中气体的压力和温度，研究风冷进排气单向阀结构形式和结构参数对压缩效率的影响规律。根据实验目的确定评价函数，并通过上述实验数据对风冷进排气单向阀结构形式和结构参数进行性能评价，为其结构选型和参数设计提供实验基础。

本发明为一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台，通过在不同位置安装温度和压力传感器，并对结构形式进行通用化设计，可研究活塞行程和速度、风冷流道、风冷进排气单向阀和进排气单向阀结构形式和参数的特征规律，并根据实验目的确定评价函数，得出设计依据，为进一步完善了自风冷活塞式压缩机设计理论奠定实验基础。

附图说明

下面结合附图对本发明进行说明。其中：

图1是根据本发明一个实施方式的自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台工作原理示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台结构图；

图3是根据本发明一个实施方式的自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台结构剖面图；

图4是根据本发明一个实施方式的自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台中配流盘安装结构图；

图5是根据本发明一个实施方式的自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台中自风冷气缸结构示意图。

图6是根据本发明一个实施方式的实验台测控系统原理示意图。

具体实施方式

下文将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，下面的说明的实施方式仅仅是示例性的，而非限制性。

如图1、2、3、4所示，自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台包括：电机1、滚珠丝杠2、直线导轨3、活塞4、自风冷气缸5、外壳6、外壳温度传感器7、风冷温度传感器8、风冷压力传感器9、气源10、风冷进气单向阀11、进气单向阀12、排气单向阀13、风冷排气单向阀14、气缸压力传感器15、气缸温度传感器16、压力传感器17、温度传感器18、安全阀19、放气阀20、储气瓶21、联轴器22、轴承座23、底座24、配流盘25、气动管路26、阀块27、丝杠螺母28、过渡件29、联接轴30、堵头31。

如图4所示，风冷温度传感器8、风冷压力传感器9、风冷进气单向阀11、风冷排气单向阀14、气缸压力传感器15、气缸温度传感器16、进气单向阀12、排气单向阀13全部安装在配流盘25上。在配流盘25上加工多种直径的进排气单向阀安装孔和风冷进排气单向阀安装孔，可以安装多种结构形式的单向阀，在不需要使用时，通过堵头31进行封堵。

如图5所示，在自风冷气缸5中加工风冷气体流道33，活塞4和自风冷气缸5形成无杆腔34和有杆腔32。

如图1、2、3所示，电机1通过联轴器22与丝杠2联接，丝杠螺母28通过过渡件29与联接轴30固定联接，联接轴30通过螺纹与活塞4联接，活塞4安装在自风冷气缸5中，自风冷气缸5安装在外壳6中，丝杠2的两端采用轴承座23支撑，过渡件29与直线导轨3联接，电机1、轴承座23、直线导轨3和外壳6通过螺栓安装在底座24上。电机1旋转带动丝杠2旋转，丝杠螺母28带动活塞4沿着直线导轨3实现直线运动。

如图1、2、3、4所示，在配流盘25上安装风冷进气单向阀11、风冷排气单向阀14、风冷温度传感器8和风冷压力传感器9，与风冷气体流道33和有杆腔32形成风冷气体回路，通过活塞4的往复直线运动在风冷气体流道33中实现进排气，从而形成气体定向流动，实现对自风冷气缸5强迫对流换热。风冷温度传感器8和风冷压力传感器9用来测量风冷气体回路中气体的温度和压力。

如图1、2、3、4所示，压力传感器17、温度传感器18、安全阀19、放气阀20、储气瓶21安装在阀块27上。进气单向阀12、排气单向阀13、气缸压力传感器15、气缸温度传感器16安装在配流盘25上，配流盘25安装在外壳6的端面上，排气单向阀13通过气动管路26与阀块27联接。活塞4、自风冷气缸5、进气单向阀12、排气单向阀13、气动管路26、安全阀19、放气阀20和储气瓶21形成气体压缩回路，通过活塞4的往复直线运动配合进气单向阀12和排气单向阀13将气体压入储气瓶21中。安全阀19用来确保储气瓶21中压缩气体的最高安全压力。放气阀20用来排出储气瓶21中的压缩气体。气缸压力传感器15和气缸温度传感器16用来测量自风冷气缸5中无杆腔32中气体的压力和温度。压力传感器17和温度传感器18用来测量储气瓶21中气体的压力和温度。

如图1、2所示，在外壳6表面安装多个外壳温度传感器7，用来测量外壳6温度分布特性。

如图6所示，测控系统包括：工控机35、板卡36、电机驱动器37、外壳温度传感器7、风冷温度传感器8、风冷压力传感器9、气缸压力传感器15、气缸温度传感器16、压力传感器17、温度传感器18。

如图6所示，测控系统上位机采用LabWindows，下位机采用RTX实时控制系统，全部安装在工控机35中Windows环境下，上位机和下位机通过本地共享内存完成数据交换，下位机的定时周期设置为1毫秒。

如图6所示，板卡36安装在工控机38的PCI插槽内，主要用来采集外壳温度传感器7、风冷温度传感器8、风冷压力传感器9、气缸压力传感器15、气缸温度传感器16、压力传感器17、温度传感器18的数据信号，通过PCI总线发送给下位机RTX，完成数据采集，同时还可以根据RTX下发的控制指令控制电机驱动器37，对电机1实现转动角度和速度控制。

基于该公开，在图示和说明特征的配置和操作序列中的许多变形例对于本领域技术人员而言是明显的。因而，应当领略的是，在不偏离权利要求主题的精神和范畴的情况下，可以对本专利做出各种改变。

Claims (1)

1.一种自风冷活塞式气缸关键参数性能测试评价实验台，其特征在于包括电机(1)、滚珠丝杠(2)、直线导轨(3)、活塞(4)、自风冷气缸(5)、外壳(6)、外壳温度传感器(7)、风冷温度传感器(8)、风冷压力传感器(9)、气源(10)、风冷进气单向阀(11)、进气单向阀(12)、排气单向阀(13)、风冷排气单向阀(14)、气缸压力传感器(15)、气缸温度传感器(16)、压力传感器(17)、温度传感器(18)、安全阀(19)、放气阀(20)、储气瓶(21)、联轴器(22)、轴承座(23)、底座(24)、配流盘(25)、气动管路(26)、阀块(27)、丝杠螺母(28)、过渡件(29)、联接轴(30)、堵头(31)、工控机(35)、板卡(36)和电机驱动器(37)；

电机(1)、联轴器(22)、滚珠丝杠(2)、丝杠螺母(28)、轴承座(23)、联接轴(30)、过渡件(29)和直线导轨(3)组成可调速往复直线驱动单元，电机(1)通过联轴器(22)带动滚珠丝杠(2)旋转，从而带动丝杠螺母(28)实现直线运动，丝杠螺母(28)通过过渡件(29)、联接轴(30)和活塞(4)联接并通过直线导轨(3)进行导向，滚珠丝杠(2)两端采用轴承座(23)支撑；自风冷气缸(5)中的无杆腔(34)、活塞(4)、进气单向阀(12)、排气单向阀(13)形成气体压缩回路；通过气缸压力传感器(15)、气缸温度传感器(16)测试空气压缩回路中气体的压力和温度；将安全阀(19)、放气阀(20)、压力传感器(17)、温度传感器(18)和储气瓶(21)安装在阀块(27)上，排气单向阀(13)通过气动管路(26)与阀块(27)联接；自风冷气缸(5)中的风冷气体流道(33)和有杆腔(32)、活塞(4)、风冷进气单向阀(11)、风冷排气单向阀(14)形成自风冷回路；通过风冷温度传感器(8)和风冷压力传感器(9)测试自风冷回路中气体的压力和温度，同时在外壳(6)上布置多个外壳温度传感器(7)测试外壳温度分布特性；工控机(35)、板卡(36)、电机驱动器(37)和各种温度和压力传感器组成测控系统，工控机在Windows环境下采用LabeWindows作为上位机，采用RTX作为下位机，上位机和下位机通过共享内存实现数据交互，板卡安装在工控机PCI插槽内，用来采集各种温度和压力传感器的数据信息和给电机驱动器(37)下发控制指令，板卡通过PCI总线与下位机RTX实现数据交互；

风冷进气单向阀(11)、风冷排气单向阀(14)、风冷温度传感器(8)、风冷压力传感器(9)、进气单向阀(12)、排气单向阀(13)、气缸压力传感器(15)和气缸温度传感器(16)全部安装在配流盘(25)中，在配流盘(25)上加工不同直径的进排气单向阀孔和风冷进排气单向阀孔， 并为不同数量、结构形式和结构参数的风冷进气单向阀(11)、进气单向阀(12)、排气单向阀(13)、风冷排气单向阀(14)孔预留安装空间和安装定位孔，并为所有孔定型设计堵头(31)，需要用时将堵头取出，不需要用时用堵头(31)封死；

电机(1)和滚珠丝杠(2)配合调节活塞(4)的运动行程和速度，在配流盘(25)上安装不同数量、结构形式和结构参数的风冷进气单向阀(11)、进气单向阀(12)、排气单向阀(13)、风冷排气单向阀(14)，外壳(6)中安装具有不同结构形式和结构参数风冷气体流道(33)的自风冷气缸(5)，通过测控系统采集外壳温度传感器(7)、风冷温度传感器(8)、风冷压力传感器(9)、气缸压力传感器(15)、气缸温度传感器(16)、压力传感器(17)、温度传感器(18)的压力和温度信息。

Images