程軍明，曾翔君，余小玲，馮全科

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西西安710049)

迷宮活塞壓縮機(jī)活塞組件精確導(dǎo)向技術(shù)研究（二）
——精確電磁導(dǎo)向技術(shù)

程軍明，曾翔君，余小玲，馮全科

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西西安710049)

現(xiàn)行迷宮式活塞壓縮機(jī)在工作過程中，活塞與氣缸之間保持高度的對中性難度較大，因而活塞與氣缸壁之間的設(shè)計間隙取得較大，造成容積效率低下，尤其是在較高壓差下（10 MPa以上），容積效率僅有50%。因此，實現(xiàn)活塞的精確定心，減少活塞與氣缸壁之間的間隙，大幅度提高容積效率，成為迷宮壓縮機(jī)研究的最迫切的問題。提出了一種以電磁力實現(xiàn)活塞精確定心的新技術(shù)，將目前的懸臂活塞導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改為兩端簡支的活塞導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。模擬結(jié)果表明，通過此電磁定心方案，可將活塞的徑向偏心位移由目前減小至0.01 mm以下。

迷宮壓縮機(jī)；活塞導(dǎo)向技術(shù)；精確定心；容積效率

1 引言

非接觸式迷宮活塞壓縮機(jī)作為生產(chǎn)線上的心臟設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于煉油、化工、制藥、啤酒飲料等領(lǐng)域各種氣體的壓縮與輸送。與傳統(tǒng)的往復(fù)壓縮機(jī)相比，迷宮壓縮機(jī)在應(yīng)用上最大優(yōu)勢在于其能供應(yīng)保證生產(chǎn)出來的介質(zhì)氣體絕對干凈，特別適用于對氣體潔凈度有嚴(yán)格要求的化工裝置、制藥企業(yè)及食品生產(chǎn)等領(lǐng)域。

然而，迷宮式活塞壓縮機(jī)一直以來就存在著應(yīng)用上的局限性，由于氣缸與活塞之間采用迷宮密封方式，要求活塞與氣缸之間具有高度的對中性，才能滿足密封的要求。但在現(xiàn)行的迷宮式活塞壓縮機(jī)中，活塞固定在活塞桿的一端，相當(dāng)于是懸臂導(dǎo)向，在實際的運行過程中，活塞在氣缸中往往處于偏心運行狀態(tài)，導(dǎo)致活塞在氣缸中運行時與氣缸壁面發(fā)生擦撞。在工程中，活塞與氣缸壁面之間的間隙值達(dá)到0.2～0.5 mm（單邊），才能避免活塞與氣缸壁面的擦撞，然而該間隙會導(dǎo)致迷宮壓縮機(jī)內(nèi)泄漏嚴(yán)重，容積效率低下。另外，迷宮密封的泄漏量會隨活塞的偏心而增大，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活塞在氣缸中偏心運行時，迷宮密封的泄漏量比無偏心時高2倍左右[2-4]。目前，在工程實際中，受活塞偏心運動的制約，迷宮式活塞壓縮機(jī)的排氣壓力最多也只能達(dá)到10 MPa左右，且只能采用立式結(jié)構(gòu)。因此，如何實現(xiàn)活塞組件的精確定心，已成為實現(xiàn)迷宮式活塞壓縮機(jī)進(jìn)一步發(fā)展所需亟待解決的問題之一。

國內(nèi)學(xué)者對該問題進(jìn)行了初步的研究，并得到了有益的結(jié)果。如董新宇[5]等建立活塞桿力學(xué)簡化模型，利用ANSYS軟件對活塞桿進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和屈曲分析，對活塞桿導(dǎo)向支承進(jìn)行了優(yōu)化；李玉艷[6]等利用ANSYS軟件對活塞桿進(jìn)行了振動特性分析，指出相關(guān)參數(shù)對活塞桿振動的影響。然而，到目前為止，國外文獻(xiàn)少有報道?；诖?，本文提出了一種新的實現(xiàn)活塞精確定心的方法，即采用貫穿型活塞桿，首次嘗試著利用電磁自動控制技術(shù)，將活塞的徑向偏心置于實時的自動控制之下，從而實現(xiàn)活塞在做高速往復(fù)運動時，始終與氣缸之間保持同心，同時也為以后相關(guān)課題的研究提供了新思路和借鑒。

2 電磁導(dǎo)向技術(shù)設(shè)計思路

現(xiàn)行迷宮壓縮機(jī)中，活塞主要依靠十字頭與安裝在活塞桿中部的導(dǎo)向軸承實現(xiàn)定位導(dǎo)向，活塞相當(dāng)于外懸在活塞桿一端的受導(dǎo)部件。如圖1所示，活塞桿是關(guān)鍵的導(dǎo)向部件之一，由于十字頭與滑道之間，以及活塞桿與導(dǎo)向軸承之間均存在著潤滑間隙，而且受結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)向軸承與十字頭之間的跨度只能取的較短，尤其當(dāng)活塞處于上止點時，十字頭與活塞桿的連接處距離導(dǎo)向軸承只有活塞桿總長的1/4，這將使得活塞在做高速往復(fù)運動時，必然會發(fā)生徑向的偏心。更進(jìn)一步，尤其活塞桿還是主要的承載部件，在巨大氣體力和往復(fù)慣性力的作用之下，導(dǎo)致活塞桿發(fā)生彎曲，進(jìn)一步加劇了活塞的偏心。因此，在這種結(jié)構(gòu)之下，活塞在工作過程中與氣缸保持高度同心是非常困難的。

本文提出了一種新的活塞導(dǎo)向技術(shù)，即采用主動式電磁控制系統(tǒng)，對活塞的徑向偏心進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，從而實現(xiàn)活塞的精確導(dǎo)向定心。其主要設(shè)計思路是在活塞上頂面端固定一根長度為活塞行程1.2～1.3倍的鋼制桿體（具有鐵磁性的45鋼），將活塞桿制成貫穿活塞桿型，活塞桿外徑為80 mm。如圖2所示，鋼制桿體與活塞同心，且隨著活塞做往復(fù)的高速運動，則在活塞工作過程中，鋼制桿體與活塞具有一致的徑向偏心軌跡和偏心量，沿著鋼制桿體的周向設(shè)置一套徑向電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，通過位移傳感器對鋼制桿體進(jìn)行實時的監(jiān)測并進(jìn)行主動式電磁約束，如此可將活塞的導(dǎo)向由傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)改為依靠電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與十字頭處兩端簡支的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)對活塞的徑向約束和精確定心，并可取掉安裝在活塞桿中部的導(dǎo)向軸承，簡化迷宮壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時在氣缸蓋體與活塞桿的貫穿孔處設(shè)置迷宮填料套筒，防止介質(zhì)的泄漏。

3 電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電磁導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由位移傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括功率放大器和電磁導(dǎo)向套兩部分，其中電磁導(dǎo)向套為硅鋼片沖壓而成，鋼制桿體與電磁導(dǎo)向套之間的初始徑向間隙（單邊）為δ=0.4 mm。為了減小磁極間的耦合效應(yīng)，電磁導(dǎo)向套的磁極上下、左右必須對稱布置，當(dāng)活塞桿的外徑d≤80 mm時，一般取8極。本文采用8極周向結(jié)構(gòu)電磁導(dǎo)向套，線圈槽型為圓形。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中所得出的活塞徑向偏心量，可求得活塞徑向偏心瞬時最大沖擊力Fmax=320 N，為提高電磁導(dǎo)向套的安全可靠性，本文擬以最大徑向承載力fm=1000 N作為電磁導(dǎo)向套的設(shè)計依據(jù)。根據(jù)以上條件，可求得電磁導(dǎo)向套的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)及其性能參數(shù)，如下表1所示。

圖3所示為電磁導(dǎo)向套剖面圖，相鄰兩極組成一個磁極對，共有4個磁極對，其中箭頭所示方向為磁力線回路。

3.2 電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作原理

在被控對象，即鋼制桿體的正交方向設(shè)置兩個位移傳感器，并分別與外部2個獨立的電路控制系統(tǒng)連接，其中電路控制系統(tǒng)采用差動式負(fù)反饋控制回路。以其中一個電磁控制機(jī)構(gòu)作說明，如圖4所示，假設(shè)鋼制桿體在某一瞬時發(fā)生偏心（假設(shè)偏心量為Δx），則鋼制桿體與電磁導(dǎo)向套之間的徑向間隙一側(cè)減小Δx，而正對面一側(cè)的間隙同步的增大Δx；而位移傳感器實時測量出鋼制桿體的偏心位移，并反饋該信號至控制器，經(jīng)過控制器和功率放大器的比較和運算，輸出相應(yīng)的控制電流，并輸入到相應(yīng)的電磁線圈中，增大間隙大一側(cè)電磁鐵的吸引力f1，減小另一側(cè)的線圈電流及其吸引力f2，迫使得桿體向間隙大的一側(cè)移動，從而實現(xiàn)鋼制桿體及其活塞始終處于氣缸中心線上。

其中電磁吸引力的根據(jù)如下公式來確定

式中 μ0——空氣磁導(dǎo)率

S0——單個磁極與鋼制桿體的正對面積

I0——偏置電流

ic——由Δx引起的控制電流

Δx——鋼制桿體的徑向偏心位移

4 效果評估

基于以上分析，本文利用Simulink建立鋼制桿體動態(tài)仿真模型，為提高對鋼制桿體的控制精度，我們設(shè)計了PID多環(huán)控制策略并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由圖看出，共有3環(huán)組成，由內(nèi)而外，分別為：

（1）電流反饋系統(tǒng)，主要用于對電流的限幅，防止電流過大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)電路燒壞；

（2）速度反饋系統(tǒng)，對鋼制桿體徑向偏心速度進(jìn)行及時的控制，提高系統(tǒng)控制精度；

（3）位移反饋系統(tǒng)，對鋼制桿體徑向偏心位移進(jìn)行控制。

其中虛框中表示被控對象，即鋼制桿體，根據(jù)控制器二階工程整定方法，電流環(huán)和速度環(huán)均采用比例控制器，位移環(huán)采用PID控制器，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

設(shè)定仿真時長為0.1 s。其階躍仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為15 ms，最大超調(diào)量為4%，上升時間為0.006 s。滿足本文系統(tǒng)控制精度要求。

圖7所示為活塞在一個行程中其徑向偏心位移隨時間變化曲線[1]，圖8所示為該擾動經(jīng)過本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的控制之后所反映出的位移變化曲線。兩者相比較，可看出在控制之前，活塞的徑向偏心位移范圍在-0.15～0.28 mm之間，而在控制之后，活塞的徑向偏心位移變化范圍為-0.001～0.0033 mm，即在控制之后，活塞的徑向偏心位移可控制在微米級，完全達(dá)到了控制的要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種采用電磁力實現(xiàn)活塞組件精確定心的技術(shù)，將傳統(tǒng)的活塞外懸導(dǎo)向改為兩端簡支的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在氣缸體上部設(shè)置電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并實時監(jiān)測鋼制桿體的偏心位移，并相應(yīng)的調(diào)整電磁線圈中的控制電流，使鋼制桿體以及活塞組件始終沿著氣缸中心線的方向做往復(fù)運動，從而實現(xiàn)活塞的精確定心。在Simulink中構(gòu)建控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，經(jīng)過電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的實時監(jiān)測和控制，活塞徑向偏心量可始終被控制在0.01 mm之內(nèi)，實現(xiàn)了活塞的精確導(dǎo)向定心。

[1] 程軍明，余小玲，馮全科.迷宮式活塞壓縮機(jī)活塞組件精確導(dǎo)向技術(shù)研究-活塞組件運動特性分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2014.

[2] 馮全科，張義云，束鵬程.迷宮壓縮機(jī)中迷宮泄漏流動泄漏計算與實驗研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，1997，31（5）：97-102.

[3] 郁永章.往復(fù)活塞壓縮機(jī)[M].西安：西安交通大學(xué)能動學(xué)院，2006.

[4] K.Graunke.Dynamic Behavior of Labyrinth Seals in Oilfree labyrinth-piston Compressor.Proceedings of the 1984 International Compressor Engineering Conference.Purdue，USA，1984：7-12.

[5] 董新宇，張士永，王世杰.迷宮式往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿導(dǎo)向支承系的穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械工程師，2014，（2）：64-67.

[6] 李玉艷，戴曉洲，陳朝暉.基于ANSYS的迷宮壓縮機(jī)活塞桿振動分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2011，（2）：55-58.

[7] 戚建成.磁懸浮控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程，2012.

[8] 戴曉洲，應(yīng)洪山.迷宮式活塞壓縮機(jī)迷宮密封及結(jié)構(gòu)分析[J].化工機(jī)械，2000，27（2）：101-106.

[9] 林麗.活塞式壓縮機(jī)密封機(jī)理的理論研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[10]L.di Mare，M.Imregun，et al.A Numerical Study of Labyrinth Seal Flutter[J].Journal of Tribology，2010，（132）：1-7.

[11]時浩浩.主動磁軸承外擾振動的模糊PID控制[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2014.

[12]呂冬明，徐春廣，郝娟.磁懸浮系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2009，37（2）：83-85.

[13]Akatsu S，Torikai H，Saito T.Zero-cross Instantaneous State Setting for Control of a Bifurcating H-bridge Inverter [J]，International Journal of Bifurcation and Chaos，2007，17（10）：3571-3575.

[14]Asahara H，Kousaka T.Bifurcation Analysis in a PWM Current-controlled-H-Bridge Inverter[J].International Journal of Bifurcation and Chaos，2011，21（3）：985-996.

[15]K.Zhang，L.Zhao，H.B.Zhao.Research on Control of Flywheel Suspended by AMBS with Significant Gyroscopic Effects[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17（1）：63-66.

[16]Chen J，He Z F，Qi X.A New Control Method for MIMO First Order Time Delaynon-square Systems[J].Journal of Process Control，2011，21（4）：538-546.

Research on Piston Assemble Precise Guiding Technology of Labyrinth-piston Compressor——The Accurate Electromagnetic Guiding Technology

CHENG Jun-ming,ZENG Xiang-jun,YU Xiao-ling,FENG Quan-ke
(School of Energy and Power,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China)

In current,it is very difficult to keep a small uniform radial clearance between the piston and the cylinder when the labyrinth piston compressor is working,thus the volumetric efficiency is generally lower than that of the piston compressor.Especially,the volumetric efficiency is only 50%under the high pressure difference（above 10 MPa）.Therefore,how to realize the piston centering precisely,reduce the clearance between piston and cylinder,and increase the volume efficiency greatly become the most urgent problem for the labyrinth piston compressor development.This paper proposed a new piston centering technology achieved by electromagnetic force.This technology will make the piston supported at both ends instead of traditionally being a cantilever.The simulation results show that the piston radial eccentric displacement could be controlled below 0.01mm by this electromagnetic centering scheme.

labyrinth piston compressor;piston guiding technology;accurate centering;volume efficiency

TH457

A

1006-2971（2015）06-0007-05

程軍明（1985-），男，甘肅天水人，博士生，主要從事往復(fù)式迷宮壓縮機(jī)活塞組件精確定心技術(shù)的研究。E-mail：chengjunming@stu.xjtu.edu.cn

2015-01-04