渦旋壓縮機(jī)磨損問(wèn)題的一種解決方法

佟林、李胡廣、魏王睿、徐明、金永鎮(zhèn)、唐昌武

（一汽轎車股份有限公司 130000）

0 引言

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟，是維持制冷劑在制冷系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。渦旋壓縮機(jī)作為第四代壓縮機(jī)，在汽車空調(diào)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是一款比較理想的壓縮機(jī)，在制冷與空調(diào)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。渦旋壓縮機(jī)是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的新型壓縮機(jī)，具有效率高、能耗小、零件少、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)[1-3]。

渦旋式壓縮機(jī)由兩個(gè)渦旋盤組成可壓縮容積，一個(gè)為靜渦旋盤，另一個(gè)為動(dòng)渦旋盤。兩個(gè)渦旋盤呈偏心回轉(zhuǎn)平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)復(fù)雜，所以渦旋壓縮機(jī)對(duì)加工精度要求非常高，渦旋壓縮機(jī)在工作過(guò)程中存在較多的摩擦副，這些摩擦副需要很高的加工精度及良好的潤(rùn)滑才能保證其運(yùn)行的可靠性，渦旋盤之間的磨損問(wèn)題一直作為其主要失效模式，是售后市場(chǎng)較難解決的問(wèn)題之一。

1 故障件拆解

本文針對(duì)某車型50份售后故障件進(jìn)行了拆解，其中32輛因不同程度地磨損而失效（圖1），故障率64%。通過(guò)對(duì)磨損位置的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)27臺(tái)壓縮機(jī)均在動(dòng)渦旋盤相同位置有磨損，經(jīng)過(guò)分析，磨損位置處于整車裝配條件下，壓縮機(jī)受皮帶作用力方向上，磨損故障率85%。

2 原因分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輪系載荷曲線，模擬整車運(yùn)行工況，壓縮機(jī)皮帶輪受到皮帶施加的載荷最大值為2 400 N。以上述載荷作為輸入條件，對(duì)動(dòng)渦旋盤變形量進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，動(dòng)渦旋盤邊緣最大變形量為0.011 mm。

圖1 磨損件拆解圖片

圖2 動(dòng)渦旋盤與靜渦旋盤摩擦面間隙分布

上述變形量有可能導(dǎo)致動(dòng)渦旋盤與靜渦旋盤型線端面非耐磨片覆蓋位置直接接觸，高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生高溫粘蝕。

為了驗(yàn)證上述猜測(cè)，在渦旋壓縮機(jī)生產(chǎn)線上，抽取60個(gè)下線樣件，測(cè)量動(dòng)靜渦旋盤之間的間隙。測(cè)量結(jié)果為，有2個(gè)壓縮機(jī)動(dòng)靜渦旋盤之間的空隙小于0.011 mm，即這兩個(gè)壓縮機(jī)樣件，在2 400 N載荷作用下可能發(fā)生磨損（圖2）。

為了驗(yàn)證猜測(cè)的正確性，針對(duì)上述2個(gè)間隙小于0.011 mm的樣件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體方法如下：在靜渦旋盤型線端面上涂抹紅色油漆。裝配后，模擬壓縮機(jī)整車受力方向，施加2 400 N載荷，靜置10 min后拆解，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)動(dòng)渦旋盤摩擦面上沾有紅色油漆。油漆沾染位置與售后件磨損位置相同，即證明猜測(cè)正確。

綜上，通過(guò)理論計(jì)算及模擬試驗(yàn)，均證明了該車型壓縮機(jī)磨損真因：動(dòng)靜渦旋盤端面間隙控制下限過(guò)小，低于壓縮機(jī)受整車輪系最大載荷要求的最小安全間隙，導(dǎo)致動(dòng)靜渦旋盤間隙在公差下限的樣件，處于極端工況 （承受2 400 N的載荷） 時(shí)發(fā)生接觸磨損。

3 解決方案

將動(dòng)靜盤端面間隙控制范圍由0.008～0.044 mm增大到0.016～0.054 mm，增加動(dòng)靜盤型線端面距離可能帶來(lái)高低壓側(cè)竄氣，導(dǎo)致制冷性能下降。接下來(lái)，進(jìn)行壓縮機(jī)單體性能試驗(yàn)，以及160 h的高溫高壓高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)用于驗(yàn)證其可靠性。在三高試驗(yàn)后，再次進(jìn)行單體性能試驗(yàn)，性能滿足要求，經(jīng)過(guò)上述驗(yàn)證后，可以判定，增加動(dòng)靜盤型線端面間隙不會(huì)帶來(lái)性能降低風(fēng)險(xiǎn)，措施可以實(shí)施。

同時(shí)，渦旋盤型線端面增加C0.15 mm倒角。該措施可以避免渦旋盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將潤(rùn)滑油膜刮掉，增加了儲(chǔ)油空間，降低磨損風(fēng)險(xiǎn)，此為對(duì)標(biāo)電動(dòng)壓縮機(jī)渦旋盤端面結(jié)構(gòu)制定的措施。為避免極端工況對(duì)壓縮機(jī)造成的損害，針對(duì)該款空調(diào)壓縮機(jī)增加了感溫包和泄壓閥。

3.1 感溫包的應(yīng)用

當(dāng)渦旋壓縮機(jī)工作時(shí)，外圍是吸氣區(qū)，溫度較低，中心區(qū)是排氣區(qū)，溫度較高。一般工作條件下，中心區(qū)與外圍區(qū)約有60℃的溫差，中心區(qū)相對(duì)于外圍區(qū)有約0.060 mm的膨脹增高，壓縮機(jī)在制造時(shí)已經(jīng)事先將中心區(qū)域進(jìn)行了0.060 mm的降低，以抵消膨脹帶來(lái)的增高。但如果壓縮機(jī)在汽車爬長(zhǎng)坡等發(fā)動(dòng)機(jī)速度高，前端迎面風(fēng)很小，散熱不好的情況工作時(shí)，排氣壓力就會(huì)升的很高，排氣溫度很高，中心區(qū)和外圍的溫差可能超過(guò)60℃，所以當(dāng)壓縮機(jī)的后殼體溫度升到135℃時(shí)，安裝在殼體上的感溫包就會(huì)切斷離合器，使壓縮機(jī)停止工作，避免壓縮機(jī)中心區(qū)熱膨脹過(guò)度而發(fā)生粘連。當(dāng)殼體溫度低于105℃時(shí)，感溫包復(fù)位，離合器重新吸合，壓縮機(jī)重新工作。

圖3 整改方案驗(yàn)證

3.2 泄壓閥的應(yīng)用

雖然一般空調(diào)系統(tǒng)會(huì)在管路上安裝壓力開關(guān)，但如果堵塞點(diǎn)在壓力開關(guān)的前端，或者壓力開關(guān)失效，壓縮機(jī)后部的壓力值就會(huì)持續(xù)升高，直到有一個(gè)部件炸裂，將壓力釋放。所以SAE(美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)） J639-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓力系統(tǒng)上要配備泄壓裝置，動(dòng)作壓力要小于4.136 MPa，通常是在壓縮機(jī)上加裝卸荷閥。

4 效果驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架驗(yàn)證

方案確定后，按照下公差制作樣件，使動(dòng)靜渦旋盤端面間隙為0.016 mm，同之前的驗(yàn)證方法，在靜渦旋盤型線端面上涂抹紅色油漆。裝配后，按整車受力方向施加2 400 N載荷，靜置10 min后，對(duì)樣件進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)動(dòng)渦旋盤摩擦面上未沾染紅色油漆（圖3）。表明調(diào)整后的動(dòng)靜渦旋盤間隙控制范圍滿足要求。

4.2 售后表現(xiàn)

方案體現(xiàn)后，跟蹤售后市場(chǎng)表現(xiàn)，12mis下降75.6%，效果顯著，進(jìn)一步證明改善措施的有效性。

5 拓展

本案例中，因?yàn)檩喯捣桨敢讯?，只能通過(guò)優(yōu)化壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)磨損風(fēng)險(xiǎn)降低。本案例中的同款壓縮機(jī)應(yīng)用到另一個(gè)新開發(fā)車型上，由于該車型采用了超越皮帶輪，使輪系給壓縮機(jī)的力，大幅度減少，載荷峰值由2 400 N降低到1 500 N。我們采用了上文所述的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，即使不增加動(dòng)靜渦旋盤的間隙，也不會(huì)有磨損發(fā)生。

6 結(jié)論

本文闡述了某車型渦旋壓縮機(jī)磨損問(wèn)題的排查過(guò)程。結(jié)果表明，處理渦旋壓縮機(jī)的售后問(wèn)題，既要排查壓縮機(jī)制件質(zhì)量，還應(yīng)結(jié)合其整車裝配環(huán)境及受力情況進(jìn)行深入分析。有條件的情況下，整車輪系應(yīng)盡量應(yīng)用超越皮帶輪，使輪系受力大幅度降低，提升輪系可靠性，也能保證壓縮機(jī)的渦旋盤受力變形量的降低，規(guī)避因變形產(chǎn)生的干涉風(fēng)險(xiǎn)。渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)靜盤間隙控制范圍應(yīng)根據(jù)整車輪系計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，務(wù)必保證間隙下限大于其承受最大載荷時(shí)的變形量。渦旋盤型線端面增加C0.15 mm倒角，對(duì)于提升渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑效果起到顯著作用，可以有效降低內(nèi)部磨損風(fēng)險(xiǎn)。