滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)徑向間隙泄漏特性試驗(yàn)研究

李辛沫，耿愛(ài)農(nóng)，羅耀鵬，何 洋

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東江門(mén) 529020；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

0 引言

滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)具有運(yùn)行平穩(wěn)、外形尺寸小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在制冷空調(diào)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)內(nèi)部存在較多的由間隙配合副形成的內(nèi)部泄漏通道，這些間隙配合副是造成壓縮機(jī)工質(zhì)泄漏損失的主要原因，特別在活塞與氣缸的徑向間隙處，其泄漏量大約占到了壓縮機(jī)總泄漏量的68%［1］，是導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率不高的最主要泄漏通道［2-4］，也因此，研究活塞徑向間隙處的泄漏特性對(duì)該類型壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)具有重要的工程意義。

間隙泄漏特性一直是旋轉(zhuǎn)式活塞壓縮機(jī)的重要研究課題。由于實(shí)際壓縮機(jī)內(nèi)部工作情況非常復(fù)雜，其徑向間隙一直處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中，同時(shí)間隙內(nèi)氣-液兩相泄漏流場(chǎng)的溫度、流態(tài)、組分和壓力也都在時(shí)刻改變，因此給相關(guān)研究帶來(lái)了困難。為方便起見(jiàn)，許多學(xué)者將壓縮機(jī)徑向間隙的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成“收縮噴管+有摩擦等截面噴管”模型，并通過(guò)理論計(jì)算得到泄漏量［5-7］。晏剛等［8］在利用模型計(jì)算的同時(shí)，加工了不同尺寸的轉(zhuǎn)子，并使用試驗(yàn)手段驗(yàn)證了仿真的有效性和可行性，給壓縮機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可信的依據(jù)。Cai等［9-10］對(duì)滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)內(nèi)部油氣混合的工質(zhì)泄漏特性進(jìn)行了研究，指出活塞徑向間隙值的大小以及該間隙處油膜密封弧長(zhǎng)的長(zhǎng)短都對(duì)工質(zhì)泄漏產(chǎn)生有較大程度的影響。辛電波等［11］分析了壓縮機(jī)內(nèi)部壓差對(duì)油膜厚度的影響，發(fā)現(xiàn)油膜厚度的改變會(huì)導(dǎo)致徑向間隙值的變化，并進(jìn)而影響泄漏量。倉(cāng)榮等［12］對(duì)平動(dòng)回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的徑向間隙泄漏特性進(jìn)行了研究，并提出一種油膜弧長(zhǎng)的概念，他們利用Matlab進(jìn)行編程模擬求解，分析了包括油膜弧長(zhǎng)大小在內(nèi)的多種因素對(duì)壓縮機(jī)腔體內(nèi)部工質(zhì)泄漏特性的影響規(guī)律。屈宗長(zhǎng)等［13］分析了新型同步旋轉(zhuǎn)（SR）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子與氣缸間徑向間隙的泄漏特性，通過(guò)建模計(jì)算了不同壁面速度和壓力差引起的泄漏量，并分別分析了它們對(duì)總泄漏的影響。楊麗梅等［14］在渦旋壓縮機(jī)上分析得到主軸轉(zhuǎn)速、間隙值對(duì)泄漏的影響情況，并提供了計(jì)算所得的最佳間隙值。在試驗(yàn)研究方面，田華等［1］對(duì)CO2作為冷媒的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行了研究，在傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)獲得了內(nèi)部泄漏質(zhì)量的修正系數(shù)，為預(yù)測(cè)該類壓縮機(jī)的內(nèi)部工質(zhì)泄漏量奠定了基礎(chǔ)。Teh等［15］在利用試驗(yàn)方法對(duì)葉片式壓縮機(jī)的泄漏特性進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)若壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定閾值將會(huì)對(duì)葉片外端部-缸孔壁面處的油膜造成破壞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的氣體泄漏，而在低轉(zhuǎn)速區(qū)域則更有利于潤(rùn)滑油膜密封的形成。Tan等［16］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)葉片式壓縮機(jī)進(jìn)行了研究，測(cè)量了葉片外端處的氣體泄漏量，再次證實(shí)了葉片式壓縮機(jī)其內(nèi)部氣體泄漏量的確與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)并呈出極強(qiáng)的反比趨勢(shì)。

綜上可以看出，主軸轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油量及其黏度對(duì)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)尤其是滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏具有不可忽略的影響。但迄今針對(duì)它們的試驗(yàn)研究依然較少，究其原因主要是由于在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生的泄漏氣體太少而難以收集和測(cè)量。鑒于此，本文采用自主設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)徑向間隙等效裝置以及微泄漏氣體收集裝置來(lái)進(jìn)行這方面的試驗(yàn)研究，首先借助高速攝影來(lái)記錄動(dòng)態(tài)泄漏過(guò)程，其次通過(guò)Matlab軟件計(jì)算獲得泄漏氣體的體積，接著計(jì)算得到徑向間隙泄漏氣體的質(zhì)量，進(jìn)而分析主軸轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油黏度、油膜密封角、徑向間隙大小等對(duì)徑向間隙泄漏量的影響規(guī)律。

1 徑向間隙及其油膜的相關(guān)定義

滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；惭b在氣缸的滑槽內(nèi)，在滑片的背部安裝有驅(qū)使滑片內(nèi)端部貼靠在滾動(dòng)活塞外壁面的背壓彈簧，滑片將氣缸分隔為2個(gè)月牙形的封閉空間，分別為壓縮腔和吸氣腔。

圖1 滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)活塞的外壁面和缸體的內(nèi)壁面在半徑方向形成的最小間隙通道構(gòu)稱為徑向間隙。在壓縮機(jī)的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，附著在缸孔及滾動(dòng)活塞壁面上的潤(rùn)滑油在徑向間隙內(nèi)形成厚度及長(zhǎng)度均動(dòng)態(tài)變化的油膜密封，它在一定程度上阻擋了壓縮腔內(nèi)的高壓氣體向吸氣腔的泄漏。為了方便描述徑向間隙處密封油膜的量，本文將油膜弧長(zhǎng)兩端的邊界分別與汽缸中心的連線所形成的圓心角αf定義為油膜密封角，如圖2所示，O1為氣缸中心，O2為滾動(dòng)活塞中心，黑色部分為堆積在徑向間隙處的潤(rùn)滑油形成的油膜。顯然，油膜密封角的大小對(duì)徑向間隙處的潤(rùn)滑及泄漏具有舉足輕重的影響。

圖2 徑向間隙油膜密封角的定義

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖3所示，主要包括徑向間隙等效裝置、氣體收集裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)、高速攝影機(jī)等幾個(gè)組成部分。其中，徑向間隙等效裝置用來(lái)等效模擬滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的徑向間隙泄漏通道，氣體收集裝置用來(lái)收集從等效裝置泄漏的微量氣體，高速攝影用來(lái)動(dòng)態(tài)記錄采集氣體裝置里面的氣泡變化過(guò)程，單片機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制高頻電磁閥的開(kāi)關(guān)以便試驗(yàn)有效進(jìn)行。主要設(shè)備的型號(hào)和參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

表1 徑向間隙泄漏測(cè)量試驗(yàn)設(shè)備

滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)提供的高壓氣體經(jīng)過(guò)高頻電磁閥進(jìn)入徑向間隙等效裝置，將徑向間隙等效裝置的徑向間隙處的密封油膜擊穿后從等效徑向間隙裝置的排氣口排出，之后通過(guò)電磁閥進(jìn)入氣體收集裝置，并在氣體收集裝置內(nèi)的薄油層上形成一個(gè)有明顯氣液邊界的氣泡，這時(shí)利用高速攝影機(jī)拍攝氣體收集裝置內(nèi)的氣泡形成過(guò)程，最后使用圖像處理的方法對(duì)拍攝得到的圖像進(jìn)行處理，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化可以得到泄漏的氣體體積和質(zhì)量。

試驗(yàn)裝置中的徑向間隙等效裝置用來(lái)模擬滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的徑向間隙，主要由上下蓋板、側(cè)蓋板、透明端蓋板以及調(diào)整片組成，結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。對(duì)比滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的實(shí)際徑向間隙（見(jiàn)圖4（a）），徑向間隙等效裝置（主視圖如圖4（b）所示）的上蓋板用來(lái)模擬壓縮機(jī)活塞滾子外表面，下蓋板模擬氣缸內(nèi)表面，兩弧面均經(jīng)過(guò)精加工以保證尺寸精度。在上下蓋板之間，利用調(diào)整片調(diào)節(jié)兩弧面之間的距離，可模擬不同的徑向間隙大小。側(cè)面的透明蓋板方便觀察以調(diào)整等效裝置徑向間隙內(nèi)潤(rùn)滑油形成的密封角大小。高壓氣體將從進(jìn)氣口進(jìn)入裝置，擊穿徑向間隙內(nèi)的密封油膜后再通過(guò)排氣口排出等效裝置最后進(jìn)入泄漏氣體收集裝置。

圖4 滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)徑向間隙

氣體收集裝置主要由上下兩塊透明蓋板、調(diào)整墊片以及彎頭接管等部件組成，其中上下透明蓋板之間構(gòu)成一塊扁平的中空區(qū)域，通過(guò)調(diào)整墊片調(diào)整上下透明蓋板之間的間隙高度為1.1mm，向中空區(qū)域填充潤(rùn)滑油，使其充滿整個(gè)區(qū)域，形成一片均勻的薄油層。彎頭接管的一端連通此中空區(qū)域，另一端將通過(guò)氣管與徑向間隙等效裝置的排氣口相連接。試驗(yàn)過(guò)程中，泄漏的氣體通過(guò)彎頭接管進(jìn)入收集裝置時(shí)，它將推開(kāi)中空區(qū)域內(nèi)的薄油層而形成一個(gè)氣泡，并存于收集裝置中，通過(guò)對(duì)本試驗(yàn)中等效徑向間隙處泄漏的微量氣體的收集，泄漏氣體收集裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 氣體收集裝置結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)因素的水平設(shè)計(jì)如表2所示。每一個(gè)影響因素均安排有7個(gè)水平，通過(guò)一系列的試驗(yàn)可以得到不同因素在不同水平下對(duì)徑向間隙處氣體泄漏量的影響程度及規(guī)律。

表2 徑向泄漏試驗(yàn)參數(shù)因素

2.2.2 試驗(yàn)氣體壓力的測(cè)量及評(píng)價(jià)

由圖3可知，在徑向間隙泄漏量的測(cè)試中，試驗(yàn)氣體壓力由滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)直接提供，由于滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)本身存在泄漏并且連接壓縮機(jī)排氣口和泄漏氣體收集裝置之間的管道增加容積，這將會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)壓力小于理論壓力，但是這種與理論不一致的相差量事先未知，故而試驗(yàn)中需要對(duì)試驗(yàn)氣體壓力進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)中使用壓力變送器對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量，在壓縮機(jī)700 r/min的轉(zhuǎn)速下，數(shù)據(jù)采樣器一個(gè)周期能采集6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，處理結(jié)果如圖6所示。壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)的理論壓力曲線如圖7所示［17］。

圖6 試驗(yàn)氣體壓力曲線

圖7 壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)的理論壓力變化曲線

對(duì)比圖6和7可以看出，實(shí)際測(cè)試的試驗(yàn)氣體壓力最大值為0.6 MPa，稍小于理論最大值0.8 MPa，但其總體趨勢(shì)是基本一致的，因而可以用于徑向間隙泄漏量的測(cè)試。

2.2.3 圖像標(biāo)定與誤差分析

先將攝像機(jī)鏡頭對(duì)焦至觀測(cè)裝置儲(chǔ)油區(qū)，目標(biāo)拍攝區(qū)域?yàn)橐粔K長(zhǎng)35 mm、寬25 mm的長(zhǎng)方形儲(chǔ)油區(qū)域，該儲(chǔ)油高度1.1 mm，再將拍攝得到的圖像導(dǎo)入工程分析軟件Matlab進(jìn)行處理，得到長(zhǎng)方形的測(cè)量目標(biāo)區(qū)域的總像素點(diǎn)數(shù)量為376 200個(gè)，通過(guò)換算得到一個(gè)像素點(diǎn)代表的氣體體積為2.56×10-6mL，由此可以推導(dǎo)出通過(guò)圖像方法計(jì)算氣體體積的公式：

式中 V ——?dú)怏w的體積，mL；

k ——像素個(gè)數(shù)。

為了對(duì)圖像的標(biāo)定進(jìn)行誤差分析，試驗(yàn)中首先使用微量注射器向觀測(cè)裝置注入1 mL的氣體，然后將所得氣泡作二值圖像處理提取得到像素的個(gè)數(shù)，接著再根據(jù)像素個(gè)數(shù)逆換算成氣泡的體積并與1 mL比對(duì)而得到誤差如表3所示。從表3中可以看到在6組對(duì)比數(shù)據(jù)中，其誤差均在2%以內(nèi)，因而滿足試驗(yàn)精度。

表3 氣泡體積誤差對(duì)比數(shù)據(jù)

2.2.4 試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)以試驗(yàn)中的拍攝一個(gè)圖像為例說(shuō)明本試驗(yàn)的圖像處理過(guò)程，圖8示出在轉(zhuǎn)速為700 r/min，徑向間隙為 35 μm，潤(rùn)滑油粘度為 8.3 mPa·s，密封角為25°的條件下拍攝得到的一個(gè)圖像。在黑色背景和聚光燈光照的情況下，氣泡邊界的顏色比周圍環(huán)境稍白，形成一個(gè)明顯的邊界區(qū)分。圖像導(dǎo)入Matlab后將圖片轉(zhuǎn)為灰度圖像，接著分析其灰度直方圖，可以發(fā)現(xiàn)氣泡邊界與其他區(qū)域之間確實(shí)存在一個(gè)明顯的分辨界限，為了便于進(jìn)行圖像處理，通過(guò)全局閾值分割的手段對(duì)圖像進(jìn)行分割處理而轉(zhuǎn)為二值圖。

圖8 圖像處理過(guò)程

處理步驟為：首先讀入原始圖像a，其次將原始圖像a轉(zhuǎn)換為灰度圖像b，然后再用矩形將處理區(qū)域與非處理區(qū)域進(jìn)行分離并轉(zhuǎn)換成二值圖像c，接著去除雜點(diǎn)得到d，再接著圖像取反得到e，進(jìn)一步分離氣泡得到圖像f，最后再利用圖像處理計(jì)算出其像素個(gè)數(shù)，并根據(jù)式（1）以求出其體積。

為了保證試驗(yàn)的可靠性，將每個(gè)固定條件下的試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，并計(jì)算3次試驗(yàn)中每個(gè)時(shí)刻泄漏量的平均值作為該固定條件下的數(shù)據(jù)代表。為了減少計(jì)算時(shí)間，在處理每一組圖片時(shí)，每間隔50張?zhí)暨x一張按下式進(jìn)行計(jì)算得到泄漏氣體的質(zhì)量。

式中 m ——?dú)怏w質(zhì)量，kg；

ρ ——?dú)怏w密度，kg/mL；

Vi—— 第 i張圖片計(jì)算得到的體積，mL，由式（1）計(jì)算得到。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 油膜密封角的影響

設(shè)定壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速n=700 r/min，潤(rùn)滑油粘度μ =8.3 mPa·s，徑向間隙值 h=35 μm，以油膜密封角為變化量，得到各個(gè)密封角度對(duì)應(yīng)的平均泄漏量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖9所示。從圖中可以看到，氣體壓力較小時(shí)，無(wú)法擊穿徑向間隙處的密封油膜，因而該處不存在泄漏。但是，隨著壓縮腔內(nèi)的壓力逐步增大，油膜被擊穿，而在密封失效的瞬間，泄漏量急劇增加，然后趨于穩(wěn)定。不難發(fā)現(xiàn)，相同條件下油膜密封角越大，從周期開(kāi)始到油膜密封角被擊穿所經(jīng)歷的時(shí)間就越長(zhǎng)，并且對(duì)應(yīng)于油膜密封角越大，趨于平穩(wěn)后的總泄漏量就越小。

圖9 不同油膜密封角αf下平均泄漏量與時(shí)間的關(guān)系

經(jīng)處理得到不同油膜密封角下的平均總徑向泄漏量如圖10所示，由圖10可知徑向間隙泄漏量與油膜密封角呈現(xiàn)出較為明顯的近乎線性的反比關(guān)系，其中當(dāng)油膜密封角αf=19°時(shí)，平均泄漏量最大達(dá)到0.565×10-6kg，而當(dāng)油膜密封角αf=31°時(shí)泄漏量?jī)H為 0.052×10-6kg，可見(jiàn)油膜密封角對(duì)泄漏量有明顯的影響，密封角越大，其抑制泄漏的效果越好。

圖10 平均總泄漏量與油膜密封角的關(guān)系

3.2 潤(rùn)滑油黏度 μ的影響

設(shè)定壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速n=700 r/min，油膜密封角αf=25°，間隙值h=35 μm，測(cè)得徑向間隙泄漏量隨潤(rùn)滑油黏度 μ的變化如圖11所示。相比于圖9，圖11中各條潤(rùn)滑油黏度對(duì)泄漏量的影響曲線之間更加難以區(qū)分，兩者開(kāi)始泄漏的時(shí)間、位置幾乎一致，均大約在0.04 s和活塞轉(zhuǎn)角接近θ=168°的位置。經(jīng)處理得到各個(gè)潤(rùn)滑油黏度下的平均總泄漏量如圖12所示，可知各個(gè)黏度下的平均總泄漏量相差不大，其極差值為0.053 04×10-6kg。在壓縮機(jī)常用的潤(rùn)滑油黏度范圍內(nèi)，不同潤(rùn)滑油黏度所對(duì)應(yīng)的平均總泄漏量相差不大，但依然可以看到隨著黏度的增大，總泄漏量呈略微減少的趨勢(shì)。

圖11 不同潤(rùn)滑油黏度 μ下平均泄漏質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系

圖12 平均總泄漏量與潤(rùn)滑油黏度的關(guān)系曲線

3.3 主軸轉(zhuǎn)速n的影響

設(shè)定潤(rùn)滑油黏度 μ=8.3 mPa·s，油膜密封角αf=25°，徑向間隙值 h=35 μm，測(cè)得徑向間隙泄漏量隨主軸轉(zhuǎn)速n的變化如圖13所示。顯然，隨著轉(zhuǎn)速的增高，運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)開(kāi)始泄漏的時(shí)刻就越早，且整個(gè)泄漏周期也變得更短，使得總泄漏量減少。不同轉(zhuǎn)速下平均總泄漏量如圖14所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min 時(shí)，泄漏量最小，僅為 0.165×10-6kg。平均總泄漏量的總體趨勢(shì)呈近乎線性的負(fù)相關(guān)，換句話說(shuō)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，徑向間隙處的泄漏量越少。

圖13 不同轉(zhuǎn)速n下平均泄漏質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系

圖14 平均總泄漏量與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線

3.4 徑向間隙值h的影響

設(shè)定潤(rùn)滑油黏度 μ=8.3 mPa·s，油膜密封角αf=25°，轉(zhuǎn)速n=700 r/min。得到徑向間隙泄漏量隨徑向間隙值h的變化如圖15所示。從圖中可以看出，間隙值越大，泄漏開(kāi)始得越早，并且泄漏量趨于平穩(wěn)時(shí)的值越大。各個(gè)徑向間隙值下的平均總泄漏量如圖16所示，可知隨著徑向間隙的增加，泄漏量明顯地呈接近線性地增大，特別是當(dāng)徑向間隙值從30 μm上升到35 μm時(shí)，其泄漏量提高了一倍，這也就意味著徑向間隙值對(duì)泄漏量有非常顯著的影響。

圖15 不同間隙下氣體泄漏質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系

圖16 平均總泄漏量與間隙關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）對(duì)于壓縮機(jī)的一個(gè)工作周期，在剛剛開(kāi)始的一段時(shí)期內(nèi)，不存在泄漏或者泄漏量微乎其微，直至壓縮腔內(nèi)的壓力增大至足以擊穿徑向間隙處的密封油膜才發(fā)生泄漏現(xiàn)象，而在泄漏階段開(kāi)始時(shí)泄漏量急劇增加，最后伴隨著壓縮腔的壓力接近穩(wěn)定，徑向間隙處的泄漏量亦趨于平穩(wěn)。

（2）在滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)中，油膜密封角、轉(zhuǎn)速以及徑向間隙值均對(duì)壓縮機(jī)徑向間隙處的氣體泄漏產(chǎn)生有較大的影響，而潤(rùn)滑油粘度的影響則比較小。

（3）在試驗(yàn)研究的四個(gè)因素中，油膜密封角、轉(zhuǎn)速對(duì)徑向間隙氣體泄漏的影響呈明顯的負(fù)相關(guān)特性，而間隙值大小對(duì)徑向間隙氣體泄漏的影響則是呈正相關(guān)的關(guān)系，并且徑向間隙值對(duì)泄漏量的影響最為顯著，在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)宜優(yōu)先考慮徑向間隙值的大小。