高溫高速下大渦旋壓縮機皮帶故障原因分析

茍慶永， 鐘怡軍

（重慶迪馬工業(yè)責任有限公司研究院， 重慶 401336）

在慶鈴600P改裝的廂式載貨汽車上 ［這種廂式載貨汽車是利用重慶慶鈴的600P二類底盤， 經(jīng)過我公司的設計后， 主要改裝成銀行的運鈔車 （即DIMA5070）， 空調(diào)改裝后于2011年5月上市］， 我公司過去使用的是活塞式的汽車壓縮機， 后來經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 大多數(shù)客戶正常使用時的車速一般在60km／h以內(nèi)， 為了節(jié)能、 降噪和提高制冷效率， 我們決定將其改為等制冷功率的渦旋壓縮機。 但是在應用過程中， 發(fā)現(xiàn)在40 ℃以上的高溫天氣下， 開著空調(diào)長時間跑高速公路 （壓縮機3 500～5 000 r／min） 時，大多數(shù)皮帶的運動能滿足設計要求， 而有的壓縮機皮帶則頻繁斷裂 （過去使用活塞壓縮機時， 此現(xiàn)象沒有這樣嚴重）， 從而影響產(chǎn)品的性能， 同時也影響汽車空調(diào)的正常使用。

在設計選型上， 我們選擇的是一線品牌 “蓋茨優(yōu)霓塔”， 而在未換成渦旋壓縮機之前， 此皮帶一直用于這種底盤上的SE5H14壓縮機， 且沒有類似故障。

根據(jù)本空調(diào)系統(tǒng)， 對渦旋壓縮機的結構特性、皮帶使用環(huán)境和系統(tǒng)的壓力等方面進行分析， 總結了此渦旋壓縮機故障和皮帶故障的原因。

1 問題描述

而在實際使用時， 有些車輛在 （高溫天氣） 高速公路運行幾個月時間后， 空調(diào)皮帶總是斷裂 （頻繁時一周左右斷一次）， 隨后此渦旋壓縮機容易出現(xiàn)異響、 直到鎖死， 空調(diào)不能工作， 影響客戶車輛的正常使用。 圖1為本發(fā)動機的空調(diào)壓縮機皮帶結構圖。

2 原因分析

2.1 源頭追溯分析（設計與匹配）

2.1.1 乘員艙狀態(tài)

本廂式車乘員艙空間 （長×寬×高） 為2 420×1 830×1 620， 共計7.17 m3； 額定乘員數(shù)為6人， 左右側壁內(nèi)飾為鋼板， 隔熱效果差。

車身傳熱面積： 左（或右） 側壁傳熱面積3.8m2，頂面?zhèn)鳠崦娣e4.5 m2， 前（或后） 面?zhèn)鳠崦娣e5.1 m2，玻璃窗傳熱面積2.6 m2。

2.1.2 空調(diào)匹配計算（表1）

注： 表1各功率的試驗條件為： ①冷凝器入口空氣干球溫度35±0.5 ℃； ② 蒸發(fā)器入口空氣干球溫度27±0.5 ℃ （相對濕度約RH50%）； ③壓縮機轉速1 800±3 r／min； ④對應冷凝器入口風速4.5±0.1 m／s。

表1 空調(diào)匹配計算

2.1.3 匹配后實測驗證

CEACAM5是人類組織和腫瘤細胞分化及增殖的重要調(diào)節(jié)分子，可作為結直腸癌肝轉移早期復發(fā)的預測標志[13]，并在2型糖尿病血清中顯著高表達[14]。本研究顯示CEACAM5在結直腸癌樣本中高表達，但在不同血糖狀態(tài)腫瘤樣本中的表達無差異，其mRNA表達與結直腸癌血管累及、原發(fā)灶浸潤深度、TNM分期均呈顯著正相關，CEACAM5與結直腸癌病程進展密切相關。

實測數(shù)據(jù)： 儀表板出風口處溫度9.5℃， 后蒸發(fā)器出風口處溫度9℃， 車內(nèi)平均環(huán)境溫度27℃， 系統(tǒng)高／低壓力2 MPa／0.18 MPa， 壓縮機皮帶正常未斷。

注： R134a加注量為1.2kg， 壓縮機油為170mL；壓縮機未停機。

測試條件： 把車開到烘房內(nèi) （烘房設置溫度35 ℃） 烘烤， 打開各車門窗， 烘烤1 h后， 人進入車內(nèi)， 再關閉各車門窗， 按發(fā)動機在空檔3 000 r／min（相當于壓縮機3 600 r／min） 下運行空調(diào)， 共測試2 h （每10 min記錄一次）。

2.1.4 分析結果說明

從以上實際數(shù)據(jù)可以看出， 空調(diào)系統(tǒng)各部件選型恰當， 冷媒和油的加注量恰當， 空調(diào)運行正常，滿足車廂實際降溫要求， 說明匹配設計合格。

2.2 內(nèi)在原因分析（壓縮機和皮帶自身結構和品質(zhì)）

2.2.1 渦旋式壓縮機的主要結構和工作原理分析

渦旋壓縮機中的主要部件是2個形狀相同但角相位置相對錯開180°的漸開線渦旋盤， 如圖2所示，其一是固定渦旋盤， 而另一個是由偏心軸帶動， 其軸線繞著固定渦旋盤軸線做公轉的繞行渦旋盤。 工作中2個渦旋盤在多處相切形成密封線， 加上2個渦旋盤端面處的適當密封， 從而形成好幾個月牙形氣腔。 2個渦旋盤間切點處的密封線隨著繞行渦旋盤的公轉而沿著渦旋曲線不斷轉移， 使這些月牙形氣腔的形狀大小一直在變化。 壓縮機的吸氣口開在固定渦旋盤外殼的上部， 當偏心軸順時針旋轉時， 氣體從吸氣口進入吸氣腔， 相繼被攝入到外圍的與吸氣腔相通的月牙形氣腔里。 隨著這些外圍月牙形氣腔的閉合而不再與吸氣腔相通， 其密閉容積便逐漸被轉移向固定渦旋盤的中心且不斷縮小， 氣體被不斷壓縮而排出。

從圖2可以看出， 徑向間隙的產(chǎn)生， 主要與渦旋齒面漸開線形狀加工精度誤差、 曲軸的偏心量、以及定圈與動圈組合位置準確度有關。 加工精度高， 偏心量小、 安裝組合達最適當位置才可以控制較小的徑向間隙。 所以渦圈漸開線形狀加工有難度， 加工后的準確檢測有難度， 而到了裝配時靠轉動動圈的同時去調(diào)整定圈、 來獲得側面間隙也有難度……， 這樣勢必造成渦旋壓縮機的品質(zhì)穩(wěn)定性不易保證， 當壓縮機負荷增加時容易導致皮帶斷裂。

在這種情況下， 如果系統(tǒng)壓力過高， 平衡塊的力度就難以自如調(diào)整， 動圈的小撓動會使質(zhì)心內(nèi)移， 離心力減??； 再加上排氣溫度過高時， 引起壓縮機油氧化變質(zhì)， 甚至會破壞油膜的潤滑， 易使兩渦圈側面直接接觸而燒死， 嚴重時擠斷渦圈漸開線型片（圖3）， 從而拉斷皮帶。 所以一般要求渦旋壓縮機在規(guī)定的空調(diào)工況下工作， 防止產(chǎn)生過壓。

2.2.2 壓縮機皮帶品質(zhì)分析

皮帶尺寸如圖4所示。皮帶長度為1 445 mm （蓋茨優(yōu)霓塔品牌）； 皮帶材料使用性能應符合GB 12732—2008； 皮帶張緊力： 用手指按下（約98 N） 皮帶中間部分時， 皮帶的撓曲量是在8～10 mm之間； 皮帶與附近零件之間的最小距離為10.5 mm。

從檢查皮帶材料和尺寸、 以及安裝狀態(tài)來看， 皮帶自身不存在問題， 與壓縮機皮帶的頻繁斷裂無關。

2.3 客觀原因分析（在高溫期間的高速下發(fā)生）

2.3.1 高溫高速下發(fā)生皮帶斷的原因分析

從故障車發(fā)生的時間看， 主要集中在8月8～27日， 這是該年夏季此地區(qū)最高的氣溫段， 況且大多在40 ℃以上的高溫天氣 （地面溫度大約為45 ℃左右） 使用空調(diào)時， 斷皮帶的頻率更高。 為了在規(guī)定的時間內(nèi)完成運輸量， 這些車每天都要跑幾百公里的高速公路（壓縮機的轉速一般在3600r／min以上）。

在這樣的高速下運行空調(diào)， 系統(tǒng)壓力會顯著升高， 從而壓縮氣體溫度高， 壓縮機齒側面間隙間的油膜潤滑性能就會下降， 負荷加大時增加了渦旋圈間無潤滑的直接接觸風險， 容易導致壓縮機動定渦旋盤側面間的摩擦發(fā)熱或卡死， 造成皮帶負荷加大后打滑發(fā)熱， 直至斷裂。

2.3.2 試驗驗證

測試條件： 把車開到烘房內(nèi) （烘房設置溫度45 ℃） 烘烤， 打開各車門窗， 烘烤1 h后， 人進入車內(nèi)， 再關閉各車門窗， 按發(fā)動機在空檔3 000 r／min（相當于壓縮機3 600 r／min） 下運行， 共測試2 h，每10 min記錄一次壓力（見表2）。

表2 排氣壓力測試

2.3.3 更換成等排量的活塞式壓縮機再測試

為了驗證壓力對系統(tǒng)影響的問題， 我們特意將此渦旋壓縮機更換成等排量的活塞式壓縮機， 按同等條件安裝后， 再按2.3.2節(jié)的相同要求進行測試。

發(fā)現(xiàn)空調(diào)運行40 min后， 排氣壓力才上升到3.1 MPa， 而后此壓力一直保持在3～3.1 MPa之間，且在2 h的整個測試過程中， 壓縮機一直不停機， 車內(nèi)空調(diào)制冷不中斷。 因此， 說明在相同工況下， 活塞式壓縮機的空調(diào)系統(tǒng)、 壓力輸出更穩(wěn)定一些。

2.3.4 分析結果說明

從以上描述和試驗可以看出， 在高溫天氣 （例如40 ℃以上）， 開空調(diào)高速行駛時， 當渦旋壓縮機的排氣壓力升高到3.1MPa （圖5）以上時， 此空調(diào)系統(tǒng)中的壓力開關開始工作， 迫使壓縮機電磁線圈斷電， 造成壓縮機高速下突然停機后皮帶的大幅抖動， 等停機3 min左右后壓縮機又啟動 （皮帶又在高速下抖動一次）， 再工作1 min左右又停機……，像這樣周而復始地高速下吸合和斷開， 皮帶壽命肯定會縮短， 壓縮機離合器的頻繁離合， 極易燒蝕摩擦面， 燒壞離合線圈， 壓縮機和皮帶盤卡死后， 皮帶還在繼續(xù)工作， 必然導致皮帶在壓縮機輪上滑動， 從而發(fā)熱斷裂。

說明： ①當高壓端壓力達到3.1±0.1 MPa以上時， 電磁線圈斷電保護， 待壓力回落0.6±0.1 MPa時， 電磁線圈通電， 壓縮機又開始工作驗； ②當?shù)蛪憾藟毫_到0.025 MPa以下時， 電磁線圈斷電保護， 待壓力回升到0.2±0.1 MPa時， 電磁線圈通電，壓縮機又開始工作。

3 結論

通過以上計算、 分析和試驗數(shù)據(jù)等情況， 由于大排量渦旋壓縮機的渦圈數(shù)更多（一般大于2.5圈），工作時， 不規(guī)則的漸開線型線的接觸處就比小排量的渦旋壓縮機多， 在高溫高速下這種渦旋壓縮機齒側面間的直接接觸風險就越大， 極易導致壓縮機高壓下摩擦異響或卡死， 從而造成空調(diào)系統(tǒng)的皮帶打滑發(fā)熱， 直至斷裂。

4 使用及應用壓縮機時的注意事項

通過上述分析， 我們認為使用及應用壓縮機時應注意以下幾點。

1） 如果需要大排量的壓縮機， 特別是需要大于200 cc／r的汽車壓縮機， 而又經(jīng)常在變工況下工作時， 必須控制空調(diào)系統(tǒng)的壓力在安全范圍， 否則盡量不選擇渦旋式的壓縮機。

2） 如果確要選擇節(jié)能的渦旋壓縮機， 則應用時其系統(tǒng)的最高壓力建議控制在2.5 MPa以內(nèi)， 并在使用前需通過各種形式的模擬試驗， 特別需要驗證高溫高速下空調(diào)系統(tǒng)的壓力不超過此值。

3） 如果選擇渦旋壓縮機， 則匹配計算時， 建議將冷凝器的散熱量適當提高， 例如Qn=Qa×（2.4～3）（參考表1）。

4） 為了避免運動時發(fā)生干涉， 壓縮機皮帶安裝設計時， 建議皮帶與附近零件間的最小徑向距離需大于15 mm （張緊狀態(tài)下）， 軸向距離大于5 mm，皮帶端面平面度小于5°。

5） 使用汽車空調(diào)時， 應注意按說明書要求，必需定期沖洗冷凝器翅片 （以保持冷凝器的散熱效果）， 以及保持定期檢查和張緊皮帶的習慣等， 對減少壓縮機皮帶斷裂是非常必要的。

當然影響壓縮機故障和皮帶故障的原因還有很多， 空調(diào)使用中的注意事項也不限于這區(qū)區(qū)幾點，必須根據(jù)實際情況具體分析。 本文所闡述的內(nèi)容僅是立足于本空調(diào)系統(tǒng)進行的分析， 如有不當之處，敬請指正。

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