冰箱壓縮機活塞的幾個關(guān)鍵特性

廖小寧 孫士杰 湯宇明 徐建中 金文輝 盛正堂 石中玉（華意壓縮機股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

全封閉冰箱壓縮機主要由泵體、電機、殼體三部分組成。泵體是壓縮機工作時機械傳動的重要部分。泵體結(jié)構(gòu)內(nèi)零部件的機械特性直接影響到壓縮機性能?；钊菈嚎s機泵體的重要零部件之一。在整個壓縮機運行過程中，承擔(dān)著壓縮高溫高壓氣體制冷劑，將機械能直接轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的重要工作。在高溫、高壓、高速的工作環(huán)境中，活塞必須具備良好的機械性能、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精密的加工工藝等關(guān)鍵特性。這些特性決定了活塞的性能和壽命，影響了壓縮機的整機性能。本文就活塞對壓縮機性能影響較大的幾個關(guān)鍵特性做如下分析。

2 活塞材料特性

2.1 活塞必須具有較高的強度和剛度

壓縮機運轉(zhuǎn)時，活塞兩側(cè)存在較大的壓力差，如表1。且自身又在高速地做往復(fù)直線運動，承受著巨大的擠壓力、拉伸力和交變應(yīng)力。這就要求活塞具有足夠的強度，來保證其自身的結(jié)構(gòu)不被破壞。

通?；钊透卓着浜祥g隙非常小（常常只有幾個μm），這就要求活塞有足夠的剛度，當(dāng)活塞受到巨大的擠壓力時，保證活塞體不變形，活塞才能在缸孔內(nèi)動作。否則，活塞容易在缸孔內(nèi)卡死。

由圖1可知，活塞在工作過程中，排氣時所受最大作用力為Fgd,吸氣時所受作用力最小為Fgs。（其中Fgd為排氣氣體力，F(xiàn)gs為吸氣氣體力，而排氣氣體力近似為冷凝壓力，吸氣氣體力近似為蒸發(fā)壓力）

2.2 活塞必須具有較高的傳熱性能

活塞無時無刻不處于高溫高壓的環(huán)境中，在高溫環(huán)境下，制冷劑氣體在氣缸中的比容隨溫度的升高而增大。如果活塞導(dǎo)熱系數(shù)高，能及時將氣缸中制冷劑氣體的熱量傳遞出去，勢必降低氣缸內(nèi)制冷劑氣體溫度，減小制冷劑氣體比容，加大制冷劑質(zhì)量流。提高壓縮機的輸氣系數(shù)，提高制冷量與COP值的大小。

2.3 活塞必須具有較小的熱漲系數(shù)

為了保證和提高壓縮機輸氣系數(shù)，活塞與氣缸間配合隙非常小。小型冰箱壓縮機工作時，氣缸溫度在100℃以上?；钊旧硎墙饘偌?，導(dǎo)熱性能較好，在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生和吸收大量的熱量。如果熱漲系數(shù)大，活塞體積膨脹，外徑增大，可能導(dǎo)致活塞與氣缸間隙減小，摩擦力增大，壓縮機輸入功率變大，COP下降。因此，活塞的熱漲系數(shù)是壓縮機性能重要影響因數(shù)。為保證活塞與缸孔的最佳氣缸間隙，盡量使活塞和曲軸箱的的熱膨脹系數(shù)相近。

2.4 活塞質(zhì)量小

壓縮機工作時，活塞在缸孔內(nèi)做往復(fù)直線運動，受往復(fù)慣性力作用。往復(fù)慣性力的大小影響壓縮機整體振動性能。而活塞慣性力的大小與活塞的質(zhì)量大小成正比。適當(dāng)控制活塞的質(zhì)量，可保持壓縮機整體振動穩(wěn)定性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 活塞頭部倒角

活塞倒角大小占壓縮機余隙比例較小，但對防止磕碰，保證機械效率卻起到重要的作用?；钊麖拿鞯匠善吩俚窖b配的過程中，工序較多，且要經(jīng)過多次運輸傳遞，設(shè)計不當(dāng)，極易產(chǎn)生微小毛刺磕碰，增大摩擦阻力，加大輸入功率，降低COP值。有的甚至導(dǎo)致活塞卡死，壓縮機無法正常工作。傳統(tǒng)活塞倒角采用普通倒角結(jié)構(gòu)，倒角后，仍留有兩個小倒角。易產(chǎn)生磕碰毛刺，如圖2所示。近些年采用的圓弧倒角結(jié)構(gòu)，圓弧形狀倒角大大減低了磕碰毛刺的出現(xiàn)，如圖3所示。

3.2 活塞端面凸臺設(shè)計

壓縮機輸氣系數(shù)λ是實際輸氣量與理論輸氣量之比，也是壓縮機的實際制冷量與理論制冷量之比。而輸氣系數(shù)又是容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)之積。

λ=λV·λP·λT·λI

式中：λV為容積系數(shù)

λP為壓力系數(shù)

λT為溫度系數(shù)

λI為泄漏系數(shù)

又有：λV=1V0/Vh[(Pd/Ps)1/m1]

式中：V0為余隙容積

Vh理論容積輸氣量

Pd為排氣壓力

Ps為吸氣壓力

m為多變膨脹指數(shù)

當(dāng)其他條件一定時，壓縮機制冷性能隨著余隙容積的增大而減小。所以減小余隙容積對提高壓縮制冷性能有積極作用?；钊古_的設(shè)計正是減小余隙的一種措施。

例：取某款小型高效壓縮機，分兩組。每組各3臺壓縮機，其他零部件一樣，僅活塞一組帶凸臺，另一組不帶凸臺。各零件為同一批次生產(chǎn)的同型號產(chǎn)品，且裝配條件相同。在同一個量熱臺上測試量熱。試驗結(jié)果如表3。

3.3 油槽及尾槽設(shè)計

壓縮機機械運動中，摩擦功率主要由兩部分組成：往復(fù)摩擦功率和旋轉(zhuǎn)摩擦功率。前者是活塞和氣缸壁的摩擦損失，后者是軸承，連桿大頭孔和曲柄銷等的摩擦損失和驅(qū)動油泵的功率。往復(fù)摩擦功率約占總摩擦功率的比例較大，通過對活塞的優(yōu)化，減小往復(fù)摩擦功率，可增加壓縮機指示功率，提高壓縮機的機械效率。

因而，設(shè)計者通常會對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?；钊筒酆臀膊劬褪瞧渲袃煞N優(yōu)化設(shè)計。有些活塞柱體面常會設(shè)計一個油槽，一是儲存潤滑油，對活塞往復(fù)運動進(jìn)行充分潤滑。二是儲存在油槽中的冷凍油起一個密封圈的作用，封堵高溫高壓端制冷劑氣體，提高壓縮機的輸氣效率。三是減小活塞與缸孔的接觸面積，從而減小活塞往復(fù)運動時所需克服的摩擦力。如圖4所示，活塞中部有一個油槽，且與銷孔相連。

有些小型高效冰箱壓縮機，鑒于制冷量偏小而效率要求又高。有些設(shè)計者常會在活塞尾部設(shè)計一個尾槽。既可以消除活塞尾部磕碰產(chǎn)生的毛刺對壓縮機裝配的影響，又可以減小活塞與缸孔的接觸面積，提高壓縮機機械效率。如圖4所示。某些迷你型高效壓縮機，為得到更高的機械效率，常采用大面積減小活塞接觸面積方式來實現(xiàn)。如圖5、6所示。

圖1 壓縮機工作過程中活塞受力圖

圖2 傳統(tǒng)活塞直角倒角

4 活塞的制造工藝

壓縮機工作時，活塞在缸孔內(nèi)做高速的往復(fù)直線運動，高溫、高壓、高密封性的工作環(huán)境要求活塞必須具備高精度制造工藝。

4.1 活塞外圓加工

小型冰箱壓縮機活塞與缸孔的配合間隙僅為幾個微米，活塞外圓圓度要求非常高。試驗表明當(dāng)壓縮機壓力比、缸孔孔徑、吸排氣密封狀況等條件一定時，活塞與缸孔配合間隙增大，壓縮機泄漏系數(shù)減小，輸氣系數(shù)減小，制冷量降低?；钊鈭A圓度增大可導(dǎo)致活塞與缸孔間隙增大，壓縮機制冷量減小。

表1 常見壓縮機制冷劑壓力參數(shù)表

表2 某系列小型制冷冰箱壓縮機凸臺對余隙減小的情況表

圖3 圓弧倒角

圖4

圖5

圖6

圖7 活塞銷孔棱邊

圖8 活塞銷孔內(nèi)倒角

表3 某款壓縮機活塞凸臺試驗量熱結(jié)果表

活塞外圓加工通常采用外圓無心磨床磨削加工。砂輪的材質(zhì)、砂粒的大小、磨削速度、導(dǎo)輪速度等對活塞外圓圓度的保證都有影響。

4.2 活塞銷孔

曲軸箱與活塞外圓、活塞銷孔與活塞銷、連桿與活塞銷、連桿與曲軸之間的配合間隙非常小，這就要求活塞銷孔相對外圓的垂直度精度較高，以保證活塞運動中心與缸孔中心的同軸度。

活塞銷孔內(nèi)倒角是指活塞銷孔與內(nèi)腔相連部分棱邊倒角，如圖8?；钊N孔經(jīng)過的鉆孔、鉸孔、輥光工藝后，銷孔加工后精度達(dá)到技術(shù)要求，但銷孔內(nèi)棱邊仍沒有去除，如圖7。而孔內(nèi)棱邊常常容易產(chǎn)生毛刺，具有重大隱患。

采用彈簧倒角刀加工可解決這個問題，即刀桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊進(jìn)給，伸入銷孔中，當(dāng)?shù)菇堑兜竭_(dá)兩棱邊位置時，刀桿前端碰到前面擋板，刀桿前端受壓后，在彈簧力作用下，倒角刀從刀桿內(nèi)彈出，對兩棱邊進(jìn)行倒角。倒出的倒角平整光潔，很好地杜絕了銷孔棱邊毛刺對活塞的影響。

4.3 活塞表面磷化

普通小型冰箱壓縮機電機轉(zhuǎn)速達(dá)2940r/min，若以曲軸偏心距為0.009計算，活塞速度為：Vp=4ne=4×2940×0.009/60=1.76m/s式中：n 為電機轉(zhuǎn)速

e 為曲軸偏心距

從上可知，壓縮機工作時，活塞速度較快。另外在氣體力的作用下，活塞還受側(cè)向力的作用，這無疑加大了活塞與氣缸之間的摩擦。而在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)廠家通常會對活塞表面進(jìn)行磷化處理。

活塞進(jìn)行表面錳鐵磷化后，表面形成一層磷化膜。磷化膜有兩個好處：一是使活塞具有較好的耐磨性，提高了活塞壽命；二是對冷凍油有吸附作用，為高速運動的活塞提供一個良好的潤滑環(huán)境。大大減小了活塞運動的摩擦力，提高了壓縮機泵體效率和使用壽命。

另外活塞外圓的粗糙度、清潔度對活塞機械效率有較大的影響，對活塞工作性能和壽命都有至關(guān)重要作用。許多活塞失效的案例中，就有部分是因為活塞光潔度差，導(dǎo)致活塞卡缸，壓縮機無法運行，可見保證活塞外圓粗糙度和清潔度也是很必要的。

5 結(jié)論

綜上所述，冰箱壓縮機小型化、高效化發(fā)展趨勢迫切要求壓縮機生產(chǎn)商對壓縮機各零部件進(jìn)行再一步優(yōu)化升級。活塞作為壓縮機泵體關(guān)鍵零部件之一，其特性對壓縮機性能影響不可小覷?；钊牧稀⒄w結(jié)構(gòu)和加工工藝等都是活塞的關(guān)鍵特性。從這些特性著手，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計優(yōu)化，壓縮機性能可以得到較大的提高，同時品質(zhì)也能得到更好的保證。

[1] 劉東.小型全封閉制冷壓縮機.科技出版社，1990

[2] 郁永章.容積式壓縮機手冊.機械工業(yè)出版社.2000

[3] 吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo).機械工業(yè)出版社.2010