滾動活塞壓縮機滑片脫空-碰撞實驗分析

耿葵花，閆琛，韋為，雷悅，石冬宇

(1.廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧 530004；2.東風汽車集團有限公司技術中心， 湖北 武漢 430000；3.瑞聲科技(南寧)有限公司， 廣西 南寧 530031)

0 引言

滾動活塞壓縮機因其結構簡單、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)等優(yōu)點被廣泛應用于制冷系統(tǒng)[1]。滑片是滾動活塞壓縮機內(nèi)部的重要零件，它安裝在滑槽內(nèi)，一端連接背壓彈簧，另一端與滾動活塞接觸，將氣缸內(nèi)部工作腔分為壓縮腔和吸氣腔[2]。壓縮機工作過程中滑片在滑槽中做往復運動，它的運動狀態(tài)將直接影響壓縮機的工作效率、能耗損失、密封性能等。

YANAGISAWA等[3]利用動力學方程對滑片的運動進行了理論分析，并通過實驗描述了活塞與滑片之間的相對運動規(guī)律。隨后，WU[4]通過實驗得出了滑片-滾動活塞摩擦副的摩擦系數(shù)，為計算提供了基本參數(shù)。韋為等[5]運用LuGre模型進行了滑片摩擦力的測試實驗，為分析滑片運動細節(jié)提供了幫助。LEE等[6]通過研究滑片與活塞在不同相對滑動速度、法向載荷以及表面粗糙度的相互磨損情況，提出了延長滑片和滾動活塞使用壽命的有效方案?；c滾動活塞間存在潤滑油膜，因此CHO等[7]使用Newton-Raphson方法分析了滑片和滾動活塞之間的彈性流體動力潤滑特性。此外，鄭賢等[8]和GENG等[9]對滑片的二階運動進行描述，為滑片的運動特性及潤滑狀態(tài)分析提供了新的思路，并預測了滑片脫空的可能性。葉學民等[10]也認為類似流體機械葉片頂端間隙特性需要深度研究。

為避免滑片與滾動活塞的分離對壓縮機產(chǎn)生影響，徐喬等[11]從滑片運動及受力分析著手，討論了變頻情況下彈簧剛度系數(shù)的選取問題，并開展了滑片脫空研究。XU等[12]發(fā)現(xiàn)增大氣缸高度可減小滑片與滾動活塞間的磨損量。GU等[13]設計的新型滑片-滾動活塞結構可使滑片與滾動活塞間的摩擦損耗降低0.25%。此外，MELIH等[14]研究的新型鉸鏈式滾動壓縮機、何志龍等[15]研究的擺動轉(zhuǎn)子壓縮機均可避免滑片脫空。

彈簧剛度對滑片的運動產(chǎn)生較大影響，過大的彈簧剛度會增大滑片與滾動活塞的摩擦損耗，影響機械效率；過小的彈簧剛度則可能使滑片與滾動活塞發(fā)生分離和碰撞，導致工質(zhì)從高壓的壓縮腔竄逸至低壓的吸氣腔，影響容積效率。當前，減摩防漏是滾動活塞壓縮機亟待解決的重要課題，同時也是節(jié)能降耗和建設節(jié)約型社會的需要。因此合理選擇彈簧剛度是壓縮機優(yōu)化設計的重要環(huán)節(jié)。為了探明彈簧剛度對滑片運動的影響，本文建立了滑片運動可視化觀測平臺，利用高速攝影技術和圖像處理手段，對滑片的運動進行可視化觀測，獲取了滑片不同時刻的運動信息。通過對實驗圖片的對比分析，觀察到壓縮機滑片與活塞從正常接觸到脫離，隨后由脫離到重新接觸的過程，并分析影響滑片脫空的因素，為滾動活塞壓縮機優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 滑片脫空的定義

隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的變化，如果滑片所受的合外力提供的加速度無法使滑片位移跟上滾動活塞位移，滑片將與滾動活塞分離，即滑片脫空。圖1所示為滾動活塞壓縮機結構簡圖，O為氣缸中心，O1為滾動活塞中心，正常情況下滑片3在彈簧力及活塞推力作用下沿滑槽做往復運動并緊壓滾動活塞4外輪廓，如圖1(a)所示；當滑片脫空后，滑片與滾動活塞分離，如圖1(b)所示；當滑片3與滾動活塞4再次接觸時發(fā)生碰撞。

(a) 滑片正常情況下的結構簡圖

2 滑片脫空-碰撞觀測實驗

2.1 實驗裝置及原理

滑片脫空-碰撞觀測實驗系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由高速攝影儀5、伺服電機7、伺服電機驅(qū)動器8、計算機9、壓縮機等效裝置6等部分組成，可分為動力系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)和供油系統(tǒng)3部分；等效裝置的動力由伺服電機驅(qū)動主軸提供；光源放置在等效裝置的兩側，高速攝影儀自上而下對等效裝置進行拍攝，并將滑片的運動狀態(tài)以圖像形式傳輸?shù)接嬎銠C；在彈簧伸出等效裝置缸體處設計了進油和排油兩個通道，進油管4連接蠕動泵1向腔體內(nèi)泵油，排油管連接濾油器3向油缸2排油。實驗使用的潤滑油為天成美加(TOMA)機械潤滑油，按照國際統(tǒng)一粘度梯度標準采用22#潤滑油，該潤滑油動力粘度為0.018 8 N·s/m2?；\動觀測系統(tǒng)實物圖如圖3所示，所用主要儀器設備參數(shù)見表1。

1.蠕動泵; 2.油缸; 3.濾油器; 4.進油管; 5.高速攝影儀; 6.壓縮機等效裝置; 7.伺服電機; 8.伺服電機驅(qū)動器; 9.計算機圖2 滑片脫空-碰撞觀測實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of vane seperation-collision observation

1.LED燈; 2.高速攝影機; 3.滑片; 4.滾動活塞; 5.壓縮機等效裝置; 6.壓縮機氣缸; 7.機架圖3 滑片運動觀測系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical diagram of vane movement observation system

表1 主要儀器設備參數(shù)Tab.1 Main instrument and equipment parameters

2.2 脫空距離Δδ計算方法

為了便于后續(xù)圖像處理，須對滑片位置進行標記并確定脫空距離計算方法。圖4為實驗觀測方法示意圖，圖4中滑片上的紅點即為標記點。設滑片到滾動活塞的脫空間隙為Δδ,缸體半徑為R，滑片伸出滑槽長度為x，單位均為mm，X2為滑片上標記點與滑片端點的距離，經(jīng)測量X2為0.4 mm，間隙Δδ可由式(1)計算：

Δδ=R-x-X1-X2。

(1)

2.3 偏心主軸起始角校準

為了能夠在圖像處理時找到起始位置圖片，需要找準偏心主軸起始角(即轉(zhuǎn)角0°)的位置。圖5所示為轉(zhuǎn)角0°定位示意圖。如圖5所示，滑片上升至最高位置時，偏心主軸轉(zhuǎn)角為0°，即為起始角度，在滾動活塞上標示藍色線段，當藍色線段的軸線與滑片標記點共線時偏心主軸轉(zhuǎn)角即為0°。

圖4 實驗觀測方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental observation method

圖5 轉(zhuǎn)角0°定位示意圖Fig.5 Schematic diagram of 0 ° angle positioning

圖6 滑片發(fā)生脫空后的動力學模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic model after vane seperation

2.4 實驗方法

滑片與滾動活塞分離后，由于兩腔壓力差的存在，壓縮腔內(nèi)的氣體泄漏至吸氣腔。圖6所示為滑片發(fā)生脫空后的動力學模型示意圖。如圖6所示，滑片發(fā)生脫空后的動力學模型可用一個單自由度的彈簧阻尼來表示。圖6中Ft為滾動活塞之間的摩擦力，F(xiàn)k0為初始背部彈簧力，F(xiàn)c為背部氣體壓力,c為滑片與滑槽間的摩擦阻尼系數(shù)。

由于滑片與滑槽的間隙大小通常在微米級別，因此忽略滑片橫向運動?；摽蘸蟮倪\動微分方程可由下式表示：

式中，F(xiàn)ΔP為滑片背部和缸內(nèi)壓差形成的合力，N；x1為滑片脫空后的位移，mm。由公式(2)可知滑片脫空與彈簧剛度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速兩個因素有關。表2為實驗設定的各個因素的水平值。實驗步驟如下：首先對滑片位置進行標記并校準轉(zhuǎn)角0°；其次按照實驗因素水平表的組合工況依次進行實驗測量，每個組合工況通過高速攝影系統(tǒng)拍攝至少3組照片；最后將照片通過MATLAB軟件中的自編程序進行圖像識別及后處理；最終得到滑片在單個工作周期內(nèi)的位移、速度和加速度等動態(tài)數(shù)據(jù)。

表2 實驗各因素水平表Tab.2 Table of experimental factors

2.5 圖像處理方法

圖像處理流程示意圖如圖7所示。首先根據(jù)偏心主軸0°位置選擇壓縮機運行一個周期的圖像導入MATLAB軟件；其次利用自編程序提取每一幀標記的質(zhì)心坐標；最后根據(jù)得到的標記點像素坐標，利用公式(1)計算得到滑片脫空間隙大小。圖片像素點的顏色信息以R、G、B三個數(shù)值儲存在計算機中，通過設定合理的閾值對圖片做二值化處理，提取原始圖片中標記點。

(a) 二值化處理

(b) 質(zhì)心提取

3 結果與討論

3.1 脫空-碰撞現(xiàn)象

圖8為彈簧剛度70 N/m，轉(zhuǎn)速600 r/min工況下，一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一定角度后截取的圖像。由圖8中可以看出，當θ<40°時滑片均與滾動活塞密切接觸；當θ=40°時滑片和滾動活塞發(fā)生分離，隨著轉(zhuǎn)角增大，滑片與滾動活塞之間的間隙Δδ逐漸加大，此時吸氣腔和壓縮腔連通，氣體從高壓腔竄逸至低壓腔；當θ=200°時滑片與滾動活塞碰撞，腔體內(nèi)部重新形成密封的吸氣腔和壓縮腔。

(a) θ=0°,Δδ=0

(f) θ=180°,Δδ=0.52

3.2 脫空間隙Δδ

圖9所示為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，不同彈簧剛度的間隙Δδ變化曲線，隨著彈簧剛度的增大，同一角度下脫空間隙Δδ減小，即提高彈簧剛度可有效抑制滑片的脫空。圖10所示為彈簧剛度70N/m時，不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的間隙Δδ變化曲線，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，同一角度下脫空間隙Δδ增大，即減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也可抑制滑片脫空。從圖9和圖10可看出，滾動活塞壓縮機內(nèi)部存在滑片脫空與碰撞?？蓪⒄麄€脫空過程分為5個階段：接觸階段、脫空臨界、脫空階段、碰撞臨界和再接觸階段。各工況下滑片與滾動活塞之間的脫空間隙Δδ最大值見表3。

圖9 不同彈簧剛度下脫空間隙的變化曲線(n=1 000 r/min)Fig.9 Variation curve of clearance of separation under different spring stiffness

圖10 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下脫空間隙的變化曲線(k=70 N/m)Fig.10 Variation curve of clearance of separation under different rotor speeds

表3 各工況下滑片與滾動活塞之間的脫空間隙最大值

3.3 滑片速度分析

圖11所示為滑片速度實驗曲線圖，其中前4條曲線為k=70 N/m時，不同轉(zhuǎn)速下的速度曲線；后4條曲線為k=360 N/m時，不同轉(zhuǎn)速下的速度曲線。由圖11可知當k=360 N/m時，滑片運動速度曲線類似于正弦函數(shù)，符合往復運動規(guī)律，此時未發(fā)生脫空，因此增大彈簧剛度可抑制脫空發(fā)生；當k=70 N/m時，速度曲線先保持水平之后發(fā)生突變，表明滑片發(fā)生脫空，在滑片與滾動活塞再次接觸后，速度曲線又回到正弦函數(shù)狀態(tài)。如圖11中前4條曲線所示，脫空起始角度均位于滾動活塞轉(zhuǎn)角60°之前，脫空開始后滑片速度先勻速、后逐漸減??；將短時間內(nèi)速度曲線發(fā)生劇烈變化視作滑片與滾動活塞碰撞，滑片脫空后均發(fā)生一次碰撞，個別實驗組別中出現(xiàn)多次碰撞；彈簧剛度相同時，轉(zhuǎn)速越大滑片碰撞時的速度變化越劇烈；轉(zhuǎn)速越小速度曲線更快恢復正弦曲線，因此降低轉(zhuǎn)速可抑制脫空發(fā)生。

3.4 滑片加速度分析

圖12所示為滑片加速度實驗曲線圖，圖12中虛線為k=70 N/m時，不同轉(zhuǎn)速下的加速度曲線；實線為k=360 N/m時，不同轉(zhuǎn)速下的加速度曲線。從圖12中可知當k=360 N/m時，加速度曲線較為平緩，無突變情況，結合圖11可知，此時滑片未發(fā)生脫空行為；k=70 N/m時，加速度曲線變化較為明顯，有突變情況，結合圖11可知，此時滑片發(fā)生脫空，脫空發(fā)生后隨著彈簧力的衰減，加速度的值緩慢減小到0附近，直到滑片與滾動活塞再接觸之后，加速度曲線回歸正常狀態(tài)。

圖11 滑片速度實驗曲線圖Fig.11 Experimental curve of vane velocity

圖12 滑片加速度實驗曲線圖Fig.12 Experimental curve of vane acceleration

滑片與滾動活塞碰撞后在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生較大的反向沖擊，滑片加速度曲線突變的峰值可以間接反映碰撞的劇烈程度，突變的最大值達到180 m/s2。當彈簧剛度一定時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，滑片加速度突變越劇烈，滑片與滾動活塞碰撞時間越滯后，表4為滑片開始脫空角度的實驗值,表5為滑片碰撞角度的實驗值，表6為滑片脫空角的實驗值，脫空角為碰撞角度減去脫空起始角度，脫空角的大小反映了脫空過程的持續(xù)時長。

表4 滑片脫空起始角度的實驗值Tab.4 Experimental values of initial separation angle and collision angle of vane (°)

表5 滑片碰撞角度的實驗值Tab.5 Experimental values of collision angle of vane (°)

表6 滑片脫空角的實驗值Tab.6 Experimental values of separation angle of vane (°)

5 結論

為探明滾動活塞壓縮機彈簧剛度對滑片運動的影響，利用自主設計的滾動活塞壓縮機等效裝置，通過高速攝影技術觀測壓縮機運轉(zhuǎn)過程中滾動活塞與滑片間隙的動態(tài)變化過程，得到如下結論：

① 實驗發(fā)現(xiàn)：滑片與滾動活塞之間有可能發(fā)生脫空，并產(chǎn)生明顯的間隙。可將脫空過程分為接觸階段、脫空臨界、脫空階段、碰撞臨界和再接觸階段5個過程。

② 本文利用高速攝影技術和MATLAB軟件獲得了滑片脫空下不同時刻的速度和加速度曲線。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和彈簧剛度是影響脫空的兩個重要因素。相同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，彈簧剛度越小滑片的脫空持續(xù)時間越長，脫空角越大；同樣，相同彈簧剛度下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快滑片的脫空持續(xù)時間越長，脫空角也越大?；坏┡c滾動活塞發(fā)生脫空，將在脫空結束時與滾動活塞至少發(fā)生一次碰撞，碰撞的劇烈程度取決于二者之間的相對運動速度和彈簧剛度。增大彈簧剛度或降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均可阻礙滑片脫空。

③ 在滑片脫空實驗觀測系統(tǒng)中僅構建了滑片慣性力、彈簧力和滑片-滑槽摩擦力的作用，未考慮滑片受到氣體力的作用，因此實驗觀測結果與實際壓縮機中滑片的運動規(guī)律可能存在一定偏差。實際中滑片不僅受到高壓腔側的氣體力，還受到彈簧方向的氣體背壓力，高壓腔側的氣體力可能會導致滑片與滑槽之間的摩擦力增大，增大的摩擦力將促進滑片脫空；而氣體背壓力則有助于滑片緊貼滾動活塞，阻止滑片脫空。