往复压缩机气量电磁调节的新方法

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往复压缩机具有通用机械之称，广泛应用于石油、化工等行业。压缩机在最初设计时，其排气量通常是固定的，然而用户对于气量的需求-般是变化的，这就需要对压缩机的气量进行调节↑年来，随着石油等行业生产工艺的改进和节能减排要求的日益提高，要求压缩机能在尽量大的范围内实现无级调节。在众多调节方式中，压开进气阀调节以其卓越的节能性能受到了研究者的青睐。贺尔碧格公司研发的 HydroCOM系统应用最为普遍，这套系统可以实现气量全量程 0%-100%的无级调节，但由于其复杂的自控系统和较为昂贵的核心部件，使其在国内的推广受到了限制。

近年来，国内不少学者对气量调节系统进行了开发。文献 1l开发出了-套以旋转液压分配器收稿 日期 ：2012-07-17基金项目：国家科技重大专项资助(2011ZX05054)O8 I 瓣为核心部件的调节系统，并投入企业试用 ，取得了较好的节能效果；文献 [2]提出了基于脉冲控制理论的占空比调节。但是，这些气量调节系统均以液压系统作为驱动来源，辅以电磁阀等部件进行控制，存在着系统复杂和价格昂贵等问题。作者基于已有的压开进气阀调节理论，借鉴目前较为先进的汽车发动机无凸轮气门驱动技术 [31，寻求替代以往复杂的调节系统，提出了-种结构较为简单的电磁气量调节机构，并对该机构的系统模型进行了研究，为进-步的优化设计提供计算基矗2 机构的主要组成及工作原理压开进气阀调节是气量调节方法中最为经济的方法之-，其功率的损耗几乎与气量成正比。

作用在进气阀的电磁气量调节机构 (如图 1所示)，主要由上下 2个完全相同的电磁铁、2个相同的弹2013年O1期(总第237期)-设计研究Design&Research簧、衔铁和压叉组成 [4-5]。衔铁在上下电磁铁之间往复运动，其行程略高于阀片的升程，采认适的阀片着陆控制策略可以有效减少阀片的撞击 。

在实际的压缩机系统中，通常在气体到达用户之前设有储气罐。当用户用气量减少，即 供过于求”时，要求压缩机进行气量调节，在储气罐内设置压力感应测试装置，并设置压力高于某-值时发出调节的信号至电控单元，电控单元在相应确定的时刻发出控制脉冲信号给电磁铁的驱动电路，控制电磁阀的开关过程，从而控制气阀的运动，以达到气量调节的目的。

当压缩机停机时，2个电磁铁均不充电，衔铁位于上电磁铁处，气阀处于关闭状态。当压缩机运行时，为了打开气阀，下电磁铁通电，上电磁铁断电，衔铁在弹簧力的作用下向下运动，在运动过程中通以较大电流弥补运动损失能量，以达到快速打开气阀的目的。气阀在持续打开的过程，可以通较小的电流以维持气阀在打开位置。当需要关闭气阀时，下电磁铁断电，上电磁铁通电，如此往复循环实现气阀的开启和关闭。在气阀的开关过程转换中，气阀弹簧作为储能元件使能量在驱动器和气阀弹簧之间转换，可以降低系统能耗，转换过程中的摩擦和阻尼的功耗由电磁线圈提供。

驱动器弹簧压叉弹簧导杆图 1 电磁气量调节机构结构示意简图3 机构系统模型由图 1可以看出，阀片的运动规律是由弹簧驱动力和电磁力共同决定的，着眼于整个机构系统模型，则需要研究其电磁系统和机械系统的耦-2013年0l期(总第237期)合关系。通过分别建立电磁铁模型和机械模型，确定输入量 (输人电压 i )和输出量 (阀片位移彳)，该模型的基本理论如图2所示。从输入变量i 到输出变量 ，中间包含了相关的中间变量，需要对每-个拈的数学模型进行研究。

匦亘. . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . . . . .. .. . . . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . -j ：.... ....：匦囹 匦圃 图2 电磁气量调节机构系统模型原理图3.1 电磁铁模型由图 2可知 ，电磁铁模型的输入变量为 i ，输出变量为电磁力‰ ，通过 3个小拈解决这个问题。图 3为电磁铁电路的简化模型 ，由电阻和电感串联而成，根据电路电压平衡方程，线圈电压可以表示为 7JVioiR (1)d式中 尺-电磁线圈的电阻，Q- 电磁线圈的电流，A- 磁链 ， 且在衔铁的运动过程中，电感 是随之变化的，所以有： ： (2) - - L--十- LZJ电源图3 电磁铁线圈简化模型这里电感可以表示为衔铁位移的函数LL0 k·z (3)即 ： . (4)dt式中 z-衔铁位移己 初始电感电感变化率磁场强度日和电磁线圈电流 有如下关系： (5)设计研究Design&Reseaavh来的能耗问题，驱动电压的确定还应进-步考虑经济性因素。另外，从图6中可以看出，机构的响应时间在 1 ms以下，-般大型往复压缩机转速不高于 1000 r/min，为了计算方便，压缩机转速取为 1200 r/min，在气量调节 70%的过程中，气阀需0.O0l图 5 不同驱动电压的衔铁位移曲线0 0.0005 0.0010 0.0015时间(s)图6 不同运动质量的衔铁位移曲线要打开约为32.5 ms，可以看出机构响应时间可以满足压缩机要求。但是提高响应时间必然要增大相应电磁元件的投入成本 ，最终响应时间的确定还需要考虑经济性因素。

5 结语本文建立了电磁气量调节机构的系统模型，为压缩机提供了-种较为简单的电磁气量调节方法，其提出的模型也为机构的进-步优化设计提供了理论基矗通过对该模型进行了初步模拟，结果表明 ：该机构完全可以用于压缩机气量的调节，并且增大驱动电压和减少运动质量可以有效的提高机构响应时间，该响应时间完全可以满足压缩机气阀的开启要求。