活塞式压缩机性能测试实验教学中的一些探索
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作者:叶建军 谢军龙 王嘉冰
[摘 要] 针对目前活塞式压缩机性能测试实验教学中存在的一些问题，从实验前的预习、实验内容、实验项目、实验过程及实验报告等几个方面做出探索，让学生能够更好地理解活塞式压缩机性能测试的目的和意义，掌握实验测试过程原理和实验内容，独立分析实验数据并完成实验报告。通过研究型实验探索，将实验教学和实验研究有机结合，使得学生积极思考，增强学习兴趣，更扎实地掌握实验内容，达到更好的实验教学效果。
[关键词] 活塞式压缩机;实验教学;实验指导书;研究型实验;实验报告
[作者简介] 叶建军（1981—），男，湖北鄂州人，博士，华中科技大学能源与动力工程学院副教授，主要从事流体机械教学与科研工作;谢军龙（1970—），男，福建龙岩人，博士，华中科技大学能源与动力工程学院研究员，主要从事流体机械及装备相关的教学与科研工作;王嘉冰（1973—），女，湖南长沙人，博士，华中科技大学能源与动力工程学院副教授，主要从事风机优化及仿真方面的教学及科研工作。
[中图分类号] TH45 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）31-0384-03 [收稿日期] 2020-04-14
一、前言
活塞式壓缩机作为基础工业装备，广泛应用于石油化工、机械制造、冶金、制冷、矿山、纺织等工业生产的各个领域[1-4]。活塞式压缩机作为一种典型的容积式流体机械设备，对于能源动力相关专业的本科生来说，掌握活塞式压缩机工作原理，了解其工作过程和特点很有必要。对于学生来说，需要培养综合素质，既要注重理论知识的学习，同时也要注重实践锻炼以及解决实际问题的能力[5-6]。对于活塞式压缩机教学来说，除了课堂讲授基本理论之外，活塞式压缩机性能测试实验也是课程教学的重要组成部分。通过实验进行实际动手测试，更能加深学生对活塞式压缩机的理解，加强学生对活塞式压缩机课程的学习效果，也可以培养学生的实际动手能力，提高学生的实践能力和自主创造能力，培养和提高学生的创新、创业、创造精神和能力[7-8]。在以往的实验教学中，学生在上实验课前往往对于实验目的和实验内容不是很了解，实验过程中也往往以老师讲授和操作为主，学生实际操作和动手机会较少，导致部分学生不能深层次地思考实验的意义，同组次实验结果和数据雷同，很多学生无法独立进行分析和探讨，实验效果有所欠缺。针对这种情况，本文结合容积式压缩机性能测试实验教学工作，从实验前的预习工作、实验项目、实验内容、实验过程及实验报告等几个方面做出尝试并展开探索，以期加深学生对实验内容的理解，提高学生对于实验课程和基础课程的兴趣，达到更好的实验教学效果。
二、活塞式压缩机性能测试实验教学前预习方面的探索
对于本科生来说，在预习过程中主动去学习相关的知识点，获得自主学习的经验，往往能更快速更好地理解老师讲授的内容，并针对知识点进行自主探索及思考，能够举一反三，达到事半功倍的效果，对于活塞式压缩机性能测试实验课程来说同样如此。因此，活塞式压缩机性能测试实验课程的开展，首先要求本科学生提前进行实验相关内容的预习，针对实验前的预习以及预习的考查，作者在教学过程中进行了探索。
（一）实验指导书的预习
实验指导书是实验教学最基本的教材，在进行活塞式压缩机性能测试实验前要求每个学生学习《活塞式压缩机性能测试实验指导书》，通过实验指导书，理解实验目的和意义，明确实验项目和内容，掌握实验原理和测试方法。针对活塞式压缩机性能测试实验教学前的预习，主要从三个方面着手。
1.理解实验目的和意义。通过预习了解活塞式压缩机在国民生产中的重要地位，理解为什么要针对活塞式压缩机进行性能测试，使学生初步认识活塞式压缩机的结构，学习压缩机运行操作的基本知识，并且理解性能测试对于压缩机工作原理、结构特点以及工作性能的重要意义。
2.明确实验项目和内容。通过预习了解在活塞式压缩机性能测试中主要进行哪些测试，明确本次实验测试的具体项目和内容，对于活塞式压缩机来说，具体测试内容主要为压缩机示功图测试以及相应的流量等测试。测试内容包括气缸内压力、工作腔容积、以及排气温度等信息量的测试。
3.了解如何进行测试。通过预习初步了解活塞式压缩机性能测试中如何进行相关信息量的测试，示功图曲线怎么画。例如，对于示功图来说，气缸内压力如何测试，工作腔容积如何测量，示功图如何画，流量信息如何测试，转速如何调节，排气压力如何改变。
（二）实验预习效果的考查
为调动学生的思维积极性，对活塞式压缩机性能测试实验课程做出探索，在实验指导书内设置预习思考题，实验课时通过抽查提问的方式对学生进行考查，了解学生课前预习的程度。这些思考题大多围绕压缩机工作原理、结构特点、测试内容和测试方法等展开，而且还包括实验过程需要注意的问题以及处理措施等安全知识点，使得学生能够带着问题来进行预习和实验。
以活塞式压缩机性能测试实验为例，作为探索，预习思考题设置如下：活塞压缩机的结构特点，针对活塞压缩机实物图片指出进气口和排气口位置，活塞式压缩机示功图有什么含义，其作用如何，如何测量示功图中的气缸压力，如何测试工作腔容积，实验测试过程中需要注意哪些问题，若压力超出实验规定压力怎么处理。
（三）实验内容的设计及创新性探索
实验教学强调学生的实践能力，培养学生的动手能力以及使学生获取专业知识，具有其他任何教学环节都不可替代的作用。因此重视实验教学就必须改变传统的实验教学依附于理论教学的观念和模式，结合实际需求和技术发展，对实验内容和实验项目等进行不断更新探索，增加学生动手锻炼的机会，丰富学生的专业知识面，使实验教学成为培养新时代复合型高级专门人才的相对独立的基本组成部分，使实验教学在教学环节中起到应有的作用。活塞式压缩机性能测试实验作为流体机械专业的基础实验课之一，作者也在这方面做出了一些尝试和探索。 （四）实验教学平台的探索
为达到更好的实验教学效果，在学校提供专项经费支持的基础上，通过容积式压缩机教学实验系统机电一体化优化设计、信号采集及测控系统研究开发以及实验系统操作软件设计等研究，攻克压缩机气缸内压力测量、活塞行程定位、容积表征以及轴系高精度对中等技术难题，并结合操作软件平台的开发，研制了活塞式压缩机性能测试本科实验教学系统（图1）。该实验教学平台具有功能多、测试精度高、可扩展能力强、安全保护措施好等特点，经过多年的实际应用表明，该系统能够满足活塞式压缩机性能测试本科实验教学的需求。
（五）实验教学项目和内容的探索
1.活塞式压缩机示功图测试和分析实验。活塞式压缩机的示功图是反映压缩机在一个工作循环中气缸内压力变化的曲线图，在压缩机工作循环中处于非常重要的地位，因此示功图测试一直是传统实验教学的主要内容。本实验在传统实验教学测试压缩机示功图基础上，进行了一些探索。示功图实验中测试活塞式压缩机工作过程中的示功图，根据示功图的面积可计算出缸内的平均指示压力、指示功率等，根据示功图实际排气压力和吸气压力求出实际压力比。此外，根据示功图分析判断压缩机的泄漏情况，分析判断压缩机是否存在故障以及故障产生的原因。在此基础上，通过改变工况条件，例如不同压力比、不同转速条件下进行示功图的测试，并且让学生分析压力比以及转速等参数对于压缩机指示功等的影响规律。通过这一尝试，不仅让学生进行了传统形式的压缩机示功图测试实验，而且还进行了研究型实验测试，通过分析实验数据探索影响规律。这样一方面能让学生产生更大的学习兴趣，另外一方面能够让学生加深理解，更好地掌握实验相关知识。
2.活塞式压缩机转速—压力—流量关系测试实验。活塞式压缩机实际运行过程中，流量信息也非常重要，但是传统压缩机实验教学并没有相关内容。本文结合自主研制的活塞式压缩机实验教学平台，创新开发了活塞式压缩机转速—压力—流量关系测试实验，并编制了相应的实验指导书，形成了转速—压力—流量测试实验项目和实验内容。基于喷嘴法测量原理，即通过测量喷嘴两端的压差就可以衡量流量的大小。因此，该实验过程中，首先利用变频控制，保持压缩机转速不变，通过调节活塞式压缩机压力开关，改变压缩机的压力比，再进行流量测试;其次，调节活塞式压缩机转速参数，通过调节压力开关，保持压力比不变，进行不同转速条件下的流量测试。将测试结果进行汇总并分析，获得转速和压力比参数对于压缩机流量的影响规律。该实验同样也是属于研究型测试实验，对于学生来说，实验课不但是做实验，同时也是做研究，将实验教学和实验研究有机结合。通过这样的探索，既可以丰富学生对于压缩机实际工作过程的知识面，也提高了工科学生对于机械设备实际运行参数的分析能力。
（六）实验过程和实验报告的探索
1.实验小组及循环测试模式。由于活塞式压缩机实验测试过程中既需要控制转速，还需要控制排气压力，同时还要进行相关数据的读取，因此对于学生来说无法独自进行实验操作。因此，在实际实验教学测试时，将学生分成实验小组，每3人为一组，A同学进行实验测试及数据读取，B和C同学配合A同学进行测试，其中B同学负责调节转速，C同学负责调节排气压力。A同学实验结束后，进行组内循环，由B同学进行实验测试，C同学负责调节转速，A同学负责调节排气压力，依此类推。这样每个同学都可以进行实际操作，锻炼动手能力，提升自己对实验过程的理解。在实验过程中，各位同学必须分工合作并相互配合，才能成功进行实验测试，获得实验数据。因此，这种实验小组和循环测试模式也可以培养学生的团队协作意识。
2.实验数据和实验报告的独立性。传统的实验教学测试项目，往往很多学生是同样的数据，或者同组的学生获得同样的数据，这样容易使某些学生在进行实验数据处理时，照抄其他学生的实验数据分析报告，达不到良好的实验教学目的。本实验教学在这方面同样进行了探索，在实验小组和循环测试模式的基础上，每个学生针对示功图测试还有流量测试实验，均可以测得自己所属的数据，再结合计算机数据采集和人工读取的方式对数据进行保存，保证每个学生可以获得独立的数据。因此，每个学生都要处理自己的实验数据，分析自己的实验测试结果并总结规律，实验数据具有独立性，实验报告中的数据处理和分析同样具有独立性。这样避免了学生之间相互抄袭实验报告的情况，尤其对于学习积极性较差的同学效果更好。
三、结束语
数年的活塞式压缩机性能测试实验教学表明，通过实验教学前的预习、实验内容的设计及创新性、实验过程分组循环和实验报告独立性等几方面的探索，取得了良好的实验教学效果。这些探索不仅使得学生能够更好地掌握传统的教学实验知识，而且加深了学生对于活塞式压缩机实际工作过程和工作状态的理解，丰富了学生的专业知识面，对培养学生的工程观念和实际解决问题的能力具有明显作用。
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