一、背景及意義
風(fēng)機(jī)是用于壓縮、輸送氣體的機(jī)械，主要應(yīng)用于礦井、地下工程和地下電站的通風(fēng)換氣，鍋爐的通風(fēng)引風(fēng)，化工廠高溫腐蝕氣體的排送，石油工業(yè)中的催化裂化，空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻通風(fēng)等，遍及煤炭、石油、化工、冶金、建筑和農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。
科學(xué)合理地設(shè)計(jì)、制造和使用風(fēng)機(jī)對于生產(chǎn)廠商和用戶具有重要意義。表征風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)有流量、壓力、功率、效率、噪聲和轉(zhuǎn)速等，當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其他性能參數(shù)會(huì)隨之變化。為了選用合適的風(fēng)機(jī)，需要了解額定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)隨流量的變化情況。由于風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場十分復(fù)雜，目前想要用理論計(jì)算方法準(zhǔn)確地求得風(fēng)機(jī)的性能曲線還很困難，所以通過試驗(yàn)方法測得風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能就顯得尤為必要。風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)就是通過測試與計(jì)算，獲得給定轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，并繪制性能曲線的過程。
對于成品檢測和新產(chǎn)品開發(fā)，風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)不可或缺。一方面，許多風(fēng)機(jī)用戶為了經(jīng)濟(jì)效益的最大化，在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)對其性能參數(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求;另一方面，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家為了提升產(chǎn)品競爭力，在努力改進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)、提升加工水平和生產(chǎn)效率的同時(shí)，也對風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的研究和改進(jìn)給予了高度的重視長期以來，我國的風(fēng)機(jī)測試方法較為落后，試驗(yàn)步驟的操作、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和性能曲線的繪制都以手工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低且精度難以保證。隨著測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，使得風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的自動(dòng)采集成為可能。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的自動(dòng)采集和自動(dòng)控制，既提高了測試效率又避免了人為因素造成的誤差，具有獲取數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確和可靠的優(yōu)點(diǎn)。因此，對于風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家和研究單位而言，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的自動(dòng)化具有重要意義。
為提高測試精度，相關(guān)部門出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范性能試驗(yàn)的裝置設(shè)計(jì)和測試方法。由于風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，涉及裝置選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過專家多年的討論在科學(xué)性上已經(jīng)相當(dāng)完善，但在實(shí)際測試過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)依然存在一些問題和爭議，因此，有必要對標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題進(jìn)行研究和分析，從而為今后的進(jìn)一步修訂和完善提供參考。
二、風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀
風(fēng)機(jī)屬于在發(fā)電、化工等行業(yè)應(yīng)用范圍較廣的通用機(jī)械，國外發(fā)達(dá)國家對風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的研究和制造非常重視。世界上比較大的風(fēng)機(jī)制造國主要有日本、德國、意大利、丹麥、美國等。
作為世界上最早研究風(fēng)機(jī)的國家之一，丹麥有很多風(fēng)機(jī)制造商，如Bonus公司、Vestas公司、NEG Micon公司和Wincon公司等[61，這些公司擁有先進(jìn)的試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)測試風(fēng)機(jī)性能并計(jì)算分析，從而指導(dǎo)風(fēng)機(jī)的性能改進(jìn)。
德國同樣十分重視風(fēng)機(jī)的發(fā)展。1974-1993年，德國研發(fā)部為風(fēng)機(jī)研究資助了超過3.3億馬克，其中關(guān)于風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的研究占有相當(dāng)大比例t71。據(jù)統(tǒng)計(jì)，德國有二十幾家公司相繼投入風(fēng)機(jī)的研究與生產(chǎn)，形成了大學(xué)、研究所和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的趨勢，如薩爾大學(xué)和西門子公司就曾開展相關(guān)合作[fgl。德國工程師協(xié)會(huì)還制定了DIN 24163, V D1 2044等風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在制定時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量上都處于領(lǐng)先水平。
國際上也出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)。ISO/TC 117“工業(yè)通風(fēng)機(jī)”技術(shù)委員會(huì)下的SCI分會(huì)于1997年制訂了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5801: 1997(E ) "Industrial fans-Performance testing using standardized airways"，并于2001年制訂了ISO 5802:2001 "Industrial fans-Performance testing in situ"。
我國在風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)方面也取得了一定的進(jìn)展，根據(jù)測試中使用的設(shè)備儀表和自動(dòng)化程度的差異，大體上可分為三個(gè)階段：
(1)七十年代及以前，采集數(shù)據(jù)利用全分立儀表進(jìn)行，處理數(shù)據(jù)和描點(diǎn)繪圖則通過手工完成。使用的儀器和儀表包括:機(jī)械風(fēng)表、壓差計(jì)、畢托管、空盒氣壓計(jì)、溫濕度計(jì)、機(jī)械式轉(zhuǎn)速表、功率表等f lzl。試驗(yàn)時(shí)需要機(jī)電、通風(fēng)等多部門人員分組配合，組織工作較為困難，且用分立式儀表測量，指揮協(xié)調(diào)十分不便，這種方式既存在人為的讀數(shù)視差，也存在各組之間的讀數(shù)時(shí)差，上述缺陷導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果難以反映風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能，并且到后期整理數(shù)據(jù)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中存在的問題，此時(shí)已很難補(bǔ)救。
(2)八十年代中期，試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了部分儀器和儀表的自動(dòng)化。比如采用可編程計(jì)算機(jī)PC-1500和Apple II微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，通過GPIB總線可在計(jì)算機(jī)上顯示、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及打印報(bào)告，并由自動(dòng)繪圖儀輸出試驗(yàn)結(jié)果，從而提高了工作效率。隨后又出現(xiàn)了由傳感器、A。轉(zhuǎn)換器、Z80單片機(jī)、打印機(jī)、六筆智能繪圖儀組成的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，典型產(chǎn)品如南京某單位生產(chǎn)的DF-X型9頭風(fēng)速儀，利用布置在風(fēng)道中的9只風(fēng)速表，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集氣流速度并打印輸出。
(3)九十年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及數(shù)字集成電路的快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)進(jìn)入了自動(dòng)化、智能化的新階段[ 16]。以計(jì)算機(jī)為核心的試驗(yàn)系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行測量并自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)等任務(wù)，具有高效率、高精度、功能全的特點(diǎn)，因而在目前的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
近年來，國內(nèi)有不少學(xué)校和單位進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā):
張師帥等采用Visual Basic開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用錐形節(jié)流器調(diào)節(jié)流量，采用皮托管測量風(fēng)機(jī)出口平均動(dòng)壓，能夠完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、顯示、打印以及性能曲線的繪制，軟件具有良好的人機(jī)界面，但系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)皮托管測點(diǎn)位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)，仍需手工操作。
宋玲等根據(jù)離心風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)和性能測試的要求，開發(fā)了墓于可視化編程語言Delphi和DAQ數(shù)據(jù)采集卡的離心風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理及分析，同時(shí)利用CFD軟件對節(jié)流孔板前后流場的速度、壓力分布和流阻特性進(jìn)行了分析。
董泳等針對便攜式風(fēng)力滅火機(jī)開發(fā)了一套性能試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的流量測量采用均速管流量計(jì)，信號采集選用研華PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡，軟件編寫以MCGS組態(tài)軟件和Visual Basic編程語言為工具，實(shí)現(xiàn)了信號顯示和數(shù)據(jù)處理等功能。
關(guān)貞珍等參照GB/T 1236-1985應(yīng)用虛擬儀器LabWindows/CVI開發(fā)了信號采集與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用NI公司的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了多路信號的采集和時(shí)域、頻域分析，并可顯示、存儲(chǔ)和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
我國的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)方法最初是按照1 H 15-59制定的，它承襲了蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。1977年我國制定了GB 1236-76《通風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，取代了TH 15-59專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1985年又制定了GB 1236-85《通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》，兩者在內(nèi)容上沒有大的變化[211。我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)是2000年制訂的GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》和2006年制訂的GB/T 10178-2006《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗(yàn)》。
為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，現(xiàn)行的GB/T 1236-2000在技術(shù)內(nèi)容和編寫規(guī)則上等同于ISO 5801: 1997 ( E )。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，GB/T 1236-2000對于試驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和完善，但其中有關(guān)裝置設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算的表述存在一定爭議，許多人對此進(jìn)行了研究。比如在計(jì)算軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)壓時(shí)需要確定出口面積，此時(shí)是否需要扣除輪毅面積一直是人們爭論的焦點(diǎn)，GB 1236-1985對此未作規(guī)定，GB/T1236-2000則明確指出:“為了確定通風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓，軸流通風(fēng)機(jī)的出口面積應(yīng)被看作在未對電動(dòng)機(jī)、整流裝置或任何其他障礙物扣除下機(jī)殼的出口法蘭或出口開放處的總面積’，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了不扣除輪毅面積。陸明琦等采用理論分析和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法對這一規(guī)定的科學(xué)性進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)在計(jì)算出口面積時(shí)單純扣除或不扣除輪毅面積都是不合理的，并提出了延長輪毅至出口截面以外的改進(jìn)辦法。梁春霖也對該問題進(jìn)行了研究，提出了改用進(jìn)氣裝置為進(jìn)出氣裝置的建議。
對標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行比較和改進(jìn)的研究也有很多。周海燕在理論分析的基礎(chǔ)上采用CFD軟件對孔板、文丘里管和錐形節(jié)流器三種節(jié)流裝置的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)錐形節(jié)流器具有壓力損失小、可靠性好且來流適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。朱建國等采用試驗(yàn)方法，比較了矩形風(fēng)閥和錐形節(jié)流器在風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)中流量調(diào)節(jié)效果的差異，結(jié)果表明兩者都能得出較為準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)性能曲線，但使用矩形風(fēng)閥更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，流量的控制精度更高，且此時(shí)噪聲測量更加準(zhǔn)確。
