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(dòng)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(dòng)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(guò)程中，活塞與氣缸之間保持高度的對(duì)中性難度較大，因而活塞與氣缸壁之間的設(shè)計(jì)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(shí)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(wèn)題。提出了一種以電磁力實(shí)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(jiǎn)支的活塞導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。模擬結(jié)果表明，通過(guò)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(xiàn)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(shì)在于其能供應(yīng)保證生產(chǎn)出來(lái)的介質(zhì)氣體絕對(duì)干凈，特別適用于對(duì)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(lái)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(duì)中性，才能滿(mǎn)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(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，活塞在氣缸中往往處于偏心運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致活塞在氣缸中運(yùn)行時(shí)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(huì)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(huì)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(yùn)行時(shí)，迷宮密封的泄漏量比無(wú)偏心時(shí)高2倍左右[2-4]。目前，在工程實(shí)際中，受活塞偏心運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)活塞組件的精確定心，已成為實(shí)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(wèn)題之一。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該問(wèn)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(jiǎn)化模型，利用ANSYS軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和屈曲分析，對(duì)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(duì)活塞桿進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，指出相關(guān)參數(shù)對(duì)活塞桿振動(dòng)的影響。然而，到目前為止，國(guó)外文獻(xiàn)少有報(bào)道?；诖?，本文提出了一種新的實(shí)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(dòng)控制技術(shù)，將活塞的徑向偏心置于實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制之下，從而實(shí)現(xiàn)活塞在做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，始終與氣缸之間保持同心，同時(shí)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(jì)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(shí)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(rùn)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(diǎn)時(shí)，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(zhǎng)的1/4，這將使得活塞在做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)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(guò)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(dòng)式電磁控制系統(tǒng)，對(duì)活塞的徑向偏心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)活塞的精確導(dǎo)向定心。其主要設(shè)計(jì)思路是在活塞上頂面端固定一根長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，則在活塞工作過(guò)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(guò)位移傳感器對(duì)鋼制桿體進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)并進(jìn)行主動(dòng)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(jiǎn)支的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)化迷宮壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)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(jì)

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(duì)稱(chēng)布置，當(dāng)活塞桿的外徑d≤80 mm時(shí)，一般取8極。本文采用8極周向結(jié)構(gòu)電磁導(dǎo)向套，線(xiàn)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(shí)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(jì)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(gè)磁極對(duì)，共有4個(gè)磁極對(duì)，其中箭頭所示方向?yàn)榇帕€(xiàn)回路。

3.2 電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作原理

在被控對(duì)象，即鋼制桿體的正交方向設(shè)置兩個(gè)位移傳感器，并分別與外部2個(gè)獨(dú)立的電路控制系統(tǒng)連接，其中電路控制系統(tǒng)采用差動(dòng)式負(fù)反饋控制回路。以其中一個(gè)電磁控制機(jī)構(gòu)作說(shuō)明，如圖4所示，假設(shè)鋼制桿體在某一瞬時(shí)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(duì)面一側(cè)的間隙同步的增大Δx；而位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出鋼制桿體的偏心位移，并反饋該信號(hào)至控制器，經(jīng)過(guò)控制器和功率放大器的比較和運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制電流，并輸入到相應(yīng)的電磁線(xiàn)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(xiàn)圈電流及其吸引力f2，迫使得桿體向間隙大的一側(cè)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼制桿體及其活塞始終處于氣缸中心線(xiàn)上。

其中電磁吸引力的根據(jù)如下公式來(lái)確定

式中 μ0——空氣磁導(dǎo)率

S0——單個(gè)磁極與鋼制桿體的正對(duì)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(píng)估

基于以上分析，本文利用Simulink建立鋼制桿體動(dòng)態(tài)仿真模型，為提高對(duì)鋼制桿體的控制精度，我們?cè)O(shè)計(jì)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(duì)電流的限幅，防止電流過(guò)大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)電路燒壞；

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

（3）位移反饋系統(tǒng)，對(duì)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(duì)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(shí)長(zhǎng)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(shí)間為15 ms，最大超調(diào)量為4%，上升時(shí)間為0.006 s。滿(mǎn)足本文系統(tǒng)控制精度要求。

圖7所示為活塞在一個(gè)行程中其徑向偏心位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)[1]，圖8所示為該擾動(dòng)經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的控制之后所反映出的位移變化曲線(xiàn)。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(jí)，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(shí)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(jiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼制桿體的偏心位移，并相應(yīng)的調(diào)整電磁線(xiàn)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(xiàn)的方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)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(guò)電磁導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，活塞徑向偏心量可始終被控制在0.01 mm之內(nèi)，實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)泄漏計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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(dòng)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A(yíng)NSYS的迷宮壓縮機(jī)活塞桿振動(dòng)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(jì)[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(shí)浩浩.主動(dòng)磁軸承外擾振動(dòng)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(jì)[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