迷宫活塞压缩机活塞组件精确导向技术研究（二）——精确电磁导向技术

程军明，曾翔君，余小玲，冯全科

(西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049)

迷宫活塞压缩机活塞组件精确导向技术研究（二）
——精确电磁导向技术

程军明，曾翔君，余小玲，冯全科

(西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049)

现行迷宫式活塞压缩机在工作过程中，活塞与气缸之间保持高度的对中性难度较大，因而活塞与气缸壁之间的设计间隙取得较大，造成容积效率低下，尤其是在较高压差下（10 MPa以上），容积效率仅有50%。因此，实现活塞的精确定心，减少活塞与气缸壁之间的间隙，大幅度提高容积效率，成为迷宫压缩机研究的最迫切的问题。提出了一种以电磁力实现活塞精确定心的新技术，将目前的悬臂活塞导向机构改为两端简支的活塞导向机构。模拟结果表明，通过此电磁定心方案，可将活塞的径向偏心位移由目前减小至0.01 mm以下。

迷宫压缩机；活塞导向技术；精确定心；容积效率

1 引言

非接触式迷宫活塞压缩机作为生产线上的心脏设备，已广泛应用于炼油、化工、制药、啤酒饮料等领域各种气体的压缩与输送。与传统的往复压缩机相比，迷宫压缩机在应用上最大优势在于其能供应保证生产出来的介质气体绝对干净，特别适用于对气体洁净度有严格要求的化工装置、制药企业及食品生产等领域。

然而，迷宫式活塞压缩机一直以来就存在着应用上的局限性，由于气缸与活塞之间采用迷宫密封方式，要求活塞与气缸之间具有高度的对中性，才能满足密封的要求。但在现行的迷宫式活塞压缩机中，活塞固定在活塞杆的一端，相当于是悬臂导向，在实际的运行过程中，活塞在气缸中往往处于偏心运行状态，导致活塞在气缸中运行时与气缸壁面发生擦撞。在工程中，活塞与气缸壁面之间的间隙值达到0.2～0.5 mm（单边），才能避免活塞与气缸壁面的擦撞，然而该间隙会导致迷宫压缩机内泄漏严重，容积效率低下。另外，迷宫密封的泄漏量会随活塞的偏心而增大，据研究发现，当活塞在气缸中偏心运行时，迷宫密封的泄漏量比无偏心时高2倍左右[2-4]。目前，在工程实际中，受活塞偏心运动的制约，迷宫式活塞压缩机的排气压力最多也只能达到10 MPa左右，且只能采用立式结构。因此，如何实现活塞组件的精确定心，已成为实现迷宫式活塞压缩机进一步发展所需亟待解决的问题之一。

国内学者对该问题进行了初步的研究，并得到了有益的结果。如董新宇[5]等建立活塞杆力学简化模型，利用ANSYS软件对活塞杆进行模态分析、谐响应分析和屈曲分析，对活塞杆导向支承进行了优化；李玉艳[6]等利用ANSYS软件对活塞杆进行了振动特性分析，指出相关参数对活塞杆振动的影响。然而，到目前为止，国外文献少有报道。基于此，本文提出了一种新的实现活塞精确定心的方法，即采用贯穿型活塞杆，首次尝试着利用电磁自动控制技术，将活塞的径向偏心置于实时的自动控制之下，从而实现活塞在做高速往复运动时，始终与气缸之间保持同心，同时也为以后相关课题的研究提供了新思路和借鉴。

2 电磁导向技术设计思路

现行迷宫压缩机中，活塞主要依靠十字头与安装在活塞杆中部的导向轴承实现定位导向，活塞相当于外悬在活塞杆一端的受导部件。如图1所示，活塞杆是关键的导向部件之一，由于十字头与滑道之间，以及活塞杆与导向轴承之间均存在着润滑间隙，而且受结构的限制，导向轴承与十字头之间的跨度只能取的较短，尤其当活塞处于上止点时，十字头与活塞杆的连接处距离导向轴承只有活塞杆总长的1/4，这将使得活塞在做高速往复运动时，必然会发生径向的偏心。更进一步，尤其活塞杆还是主要的承载部件，在巨大气体力和往复惯性力的作用之下，导致活塞杆发生弯曲，进一步加剧了活塞的偏心。因此，在这种结构之下，活塞在工作过程中与气缸保持高度同心是非常困难的。

本文提出了一种新的活塞导向技术，即采用主动式电磁控制系统，对活塞的径向偏心进行实时监测和控制，从而实现活塞的精确导向定心。其主要设计思路是在活塞上顶面端固定一根长度为活塞行程1.2～1.3倍的钢制杆体（具有铁磁性的45钢），将活塞杆制成贯穿活塞杆型，活塞杆外径为80 mm。如图2所示，钢制杆体与活塞同心，且随着活塞做往复的高速运动，则在活塞工作过程中，钢制杆体与活塞具有一致的径向偏心轨迹和偏心量，沿着钢制杆体的周向设置一套径向电磁导向机构，通过位移传感器对钢制杆体进行实时的监测并进行主动式电磁约束，如此可将活塞的导向由传统的悬臂结构改为依靠电磁导向机构与十字头处两端简支的导向结构，即可实现对活塞的径向约束和精确定心，并可取掉安装在活塞杆中部的导向轴承，简化迷宫压缩机内部结构。同时在气缸盖体与活塞杆的贯穿孔处设置迷宫填料套筒，防止介质的泄漏。

3 电磁导向机构控制系统设计

3.1 电磁导向套结构参数的确定

电磁导向机构主要由位移传感器、控制器、执行机构组成，其中执行机构包括功率放大器和电磁导向套两部分，其中电磁导向套为硅钢片冲压而成，钢制杆体与电磁导向套之间的初始径向间隙（单边）为δ=0.4 mm。为了减小磁极间的耦合效应，电磁导向套的磁极上下、左右必须对称布置，当活塞杆的外径d≤80 mm时，一般取8极。本文采用8极周向结构电磁导向套，线圈槽型为圆形。根据文献[1]中所得出的活塞径向偏心量，可求得活塞径向偏心瞬时最大冲击力Fmax=320 N，为提高电磁导向套的安全可靠性，本文拟以最大径向承载力fm=1000 N作为电磁导向套的设计依据。根据以上条件，可求得电磁导向套的基本结构参数及其性能参数，如下表1所示。

图3所示为电磁导向套剖面图，相邻两极组成一个磁极对，共有4个磁极对，其中箭头所示方向为磁力线回路。

3.2 电磁导向机构工作原理

在被控对象，即钢制杆体的正交方向设置两个位移传感器，并分别与外部2个独立的电路控制系统连接，其中电路控制系统采用差动式负反馈控制回路。以其中一个电磁控制机构作说明，如图4所示，假设钢制杆体在某一瞬时发生偏心（假设偏心量为Δx），则钢制杆体与电磁导向套之间的径向间隙一侧减小Δx，而正对面一侧的间隙同步的增大Δx；而位移传感器实时测量出钢制杆体的偏心位移，并反馈该信号至控制器，经过控制器和功率放大器的比较和运算，输出相应的控制电流，并输入到相应的电磁线圈中，增大间隙大一侧电磁铁的吸引力f1，减小另一侧的线圈电流及其吸引力f2，迫使得杆体向间隙大的一侧移动，从而实现钢制杆体及其活塞始终处于气缸中心线上。

其中电磁吸引力的根据如下公式来确定

式中 μ0——空气磁导率

S0——单个磁极与钢制杆体的正对面积

I0——偏置电流

ic——由Δx引起的控制电流

Δx——钢制杆体的径向偏心位移

4 效果评估

基于以上分析，本文利用Simulink建立钢制杆体动态仿真模型，为提高对钢制杆体的控制精度，我们设计了PID多环控制策略并进行参数的优化。控制系统结构如图5所示。

由图看出，共有3环组成，由内而外，分别为：

（1）电流反馈系统，主要用于对电流的限幅，防止电流过大，导致控制系统电路烧坏；

（2）速度反馈系统，对钢制杆体径向偏心速度进行及时的控制，提高系统控制精度；

（3）位移反馈系统，对钢制杆体径向偏心位移进行控制。

其中虚框中表示被控对象，即钢制杆体，根据控制器二阶工程整定方法，电流环和速度环均采用比例控制器，位移环采用PID控制器，并进行参数优化。

设定仿真时长为0.1 s。其阶跃仿真结果如图6所示，结果显示系统调节时间为15 ms，最大超调量为4%，上升时间为0.006 s。满足本文系统控制精度要求。

图7所示为活塞在一个行程中其径向偏心位移随时间变化曲线[1]，图8所示为该扰动经过本文设计的控制系统的控制之后所反映出的位移变化曲线。两者相比较，可看出在控制之前，活塞的径向偏心位移范围在-0.15～0.28 mm之间，而在控制之后，活塞的径向偏心位移变化范围为-0.001～0.0033 mm，即在控制之后，活塞的径向偏心位移可控制在微米级，完全达到了控制的要求。

5 结论

本文提出了一种采用电磁力实现活塞组件精确定心的技术，将传统的活塞外悬导向改为两端简支的导向机构，在气缸体上部设置电磁导向机构，并实时监测钢制杆体的偏心位移，并相应的调整电磁线圈中的控制电流，使钢制杆体以及活塞组件始终沿着气缸中心线的方向做往复运动，从而实现活塞的精确定心。在Simulink中构建控制系统模型，进行仿真，结果表明，经过电磁导向机构的实时监测和控制，活塞径向偏心量可始终被控制在0.01 mm之内，实现了活塞的精确导向定心。

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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

程军明（1985-），男，甘肃天水人，博士生，主要从事往复式迷宫压缩机活塞组件精确定心技术的研究。E-mail：chengjunming@stu.xjtu.edu.cn

2015-01-04