滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機裝配間隙對空調(diào)性能一致性優(yōu)化

張永亮 眭敏,2

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2.華南師范大學(xué)信息光電子學(xué)院 廣東廣州 510631

1 引言

隨著節(jié)能減排的日益重要及GB/T 7725-2019 房間空氣調(diào)節(jié)器性能標(biāo)準(zhǔn)對能效等級的升級實施，房間空調(diào)器及其核心部件——滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的性能一致性控制，受到行業(yè)越來越多的關(guān)注[1-3]。在滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機內(nèi), 各零部件之間的間隙產(chǎn)生的制冷劑泄漏引起的能效損失占總損失的11.7%[4]。其中，相關(guān)零件的設(shè)計與制造公差不僅影響著生產(chǎn)質(zhì)量和制造成本，也是制約空調(diào)性能一致性提高的關(guān)鍵因素[1-5]。本文以一款QX-23型壓縮機為例，通過潤滑油流動模型[4]來模擬計算制冷劑的泄漏量及性能一致性的波動范圍，并采用相關(guān)性算法反推設(shè)計與裝配工藝改進，進行空調(diào)性能一致性的優(yōu)化與驗證。

2 裝配間隙表征與計算建模

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體結(jié)構(gòu)由曲軸、滾子、氣缸、滑片構(gòu)成（如圖1所示），滑片在彈簧和排氣壓力的推動下壓向滾子，并分割吸氣腔與壓縮腔，各零部件之間的間隙很小，潤滑油充斥其間，起到潤滑和密封的作用[4]。其中，滾子外表面與氣缸內(nèi)表面的接觸線是吸氣腔與壓縮腔的另一條分界線，該位置存在的間隙L1稱為轉(zhuǎn)子徑向間隙。徑向間隙對性能與能效一致性存在較大優(yōu)化空間，實際值過大會導(dǎo)致泄漏量增加，顯著影響性能；過小會導(dǎo)致磨損及功率比的增加，性能與可靠性隨之受到影響。

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體結(jié)構(gòu)有7個裝配間隙導(dǎo)致的泄漏通道，如圖1所示。它包括轉(zhuǎn)子徑向間隙L1，曲軸滾子配合間隙L2，上法蘭長軸間隙L3，下法蘭短軸間隙L4，滑片槽配合間隙L5，氣缸滾子高度間隙L6，氣缸滑片高度間隙L7。根據(jù)制造與裝配工藝實際，以上間隙值多分布在50 μm以內(nèi)，間隙泄漏方式主要有溶有制冷劑的潤滑油泄漏，在流動過程中壓力降低，制冷劑從液相中大量逸出，造成制冷量損失。

圖1 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體截面

各個裝配間隙決定于滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體結(jié)構(gòu)零件配合尺寸，其計算模型如下：

式中：

IDc——氣缸內(nèi)徑，mm；

ODr——滾子外徑，mm；

IDr——滾子內(nèi)徑，mm；

Ds——曲軸偏心圓外徑，mm；

Dp——曲軸偏心圓偏心距，mm；

Ui——上法蘭內(nèi)孔內(nèi)徑，mm；

Di——下法蘭內(nèi)孔內(nèi)徑，mm；

Ma——曲軸長軸，mm;

Mi——曲軸短軸，mm;

Hsl——氣缸槽寬，mm;

B——滑片厚度，mm;

Wsl——滑片寬度，mm;

H——氣缸高度，mm

Rh——滾子高度，mm。

3 性能波動相關(guān)性驗證

3.1 參數(shù)相關(guān)性理論

性能波動相關(guān)性是性能測量點數(shù)據(jù)與隨機參數(shù)的波動特性是否一致，相關(guān)性的強弱可以根據(jù)數(shù)據(jù)理論，采用一定量指標(biāo)來表示。

設(shè)空調(diào)工作狀態(tài)的隨機參數(shù)為x、y，其協(xié)方差計算式為：

式中：

Cov(x,y)——隨機參數(shù)x、y的協(xié)方差；

Ex——隨機參數(shù)x的期望值；

Ey——隨機參數(shù)y的期望值；

相關(guān)性系數(shù)為：

式中：

rx,y——隨機參數(shù)x，y的相關(guān)系數(shù)；

Dx——隨機參數(shù)x的方差；

Dy——隨機參數(shù)y的方差；

由計算式可知，協(xié)方差和相關(guān)性系數(shù)均是描述空調(diào)隨機參數(shù)相關(guān)程度的量，其中協(xié)方差的絕對值越大，表征相關(guān)性的相關(guān)系數(shù)也會越大，相關(guān)程度也就越高。

3.2 壓縮機性能一致性參數(shù)控制

對空調(diào)性能一致性影響的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)按制冷流程計算與處理，得到影響性能一致性的制冷量損失分布（如表1所示）及對空調(diào)性能一致性相關(guān)流程敏感性分析（如圖2所示）。

表1 空調(diào)制冷量一致性總體平衡

結(jié)合空調(diào)制冷流程及制冷劑T-S圖的能量平衡分析，制冷量損失項依次為壓縮機制冷劑內(nèi)泄漏、節(jié)流裝置、壓差、蒸發(fā)不充分、壓縮機功耗。其中，壓差是維持制冷劑循環(huán)正常損耗，蒸發(fā)不充分導(dǎo)致的參與壓力也是一種制冷量損失，殘壓越高制冷量損失越來，從制冷劑T-S圖中可以清晰看到。蒸發(fā)不充分即蒸發(fā)后殘留的氣、液制冷劑均會帶來制冷量損失。節(jié)流裝置及分流導(dǎo)致兩相流態(tài)的差異，帶來出口溫度、冷凝換熱效率的不均勻。而壓縮機制冷劑內(nèi)泄漏受壓縮機機芯內(nèi)部裝配間隙，產(chǎn)生的高、低壓通道、油膜密封效果差異影響。同時，裝配間隙關(guān)系到各零件滑動、運動形成的潤滑油膜，影響壓縮機功耗及可靠性。

圖2 空調(diào)性能一致性相關(guān)流程敏感性分析結(jié)果

3.3 徑向間隙對性能一致性試驗驗證

制冷劑內(nèi)泄漏導(dǎo)致的容差、潤滑差異，是影響空調(diào)性能一致性的敏感因素（如圖2所示），直接影響到整個壓縮機的性能可靠性。直接測量滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的間隙泄漏量非常困難，本文通過選配滾子與氣缸裝配后徑向間隙值，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，對格力凌達(dá)公司生產(chǎn)的QX-23E030轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機（主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能曲線如表2、圖3所示）進行制冷量的測試驗證性能一致性優(yōu)化。為此加工了不同尺寸的轉(zhuǎn)子，在裝配時嚴(yán)格控制配對間隙，并分別進行性能試驗及徑向間隙導(dǎo)致制冷量損失理論計算（如表3所示）。

表2 QX-23E030轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 QX-23E030轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機性能曲線

表3 不同尺寸的滾子與汽缸徑向間隙其泄漏量及制冷量之間的關(guān)系

采用不同尺寸的滾子與在裝配時嚴(yán)格控制汽缸徑向間隙，并進行理論泄漏量及制冷量、COP之間的關(guān)系計算（表3），可以看出同心間隙控制限對壓縮機的制冷量一致性波動高達(dá)2.45%。為此結(jié)合設(shè)備及工藝精度控制現(xiàn)狀，在生產(chǎn)過程中控制泵體零件尺寸精度在0～3 μm，并優(yōu)化各個零件配對的徑向及相關(guān)間隙（控制方案如表4所示）。按照式（1）～式（7）選配配對裝機，并得到徑向及相關(guān)零件間隙優(yōu)化后實際值（如表5所示）。

表4 徑向及相關(guān)零件間隙控制方案（單位：μm）

表5 徑向及相關(guān)零件間隙優(yōu)化后實際值（單位：μm）

在同一試驗臺進行優(yōu)化前后的壓縮機整機各項性能試驗，完整對比試驗周期持續(xù)約720 h。得到泵體裝配過程間隙參數(shù)一致性（優(yōu)化前后）與壓縮機整機各項性能一致性的關(guān)系，試驗結(jié)果如表6所示。

QX-23E030轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機，在泵體零件選配及裝配間隙在一致性的條件下，其壓縮機的制冷量與COP均比同期優(yōu)化前常規(guī)機好，說明加強泵體一致性的選配，對壓縮機整機性能的一致性提高有好處。

試驗結(jié)果可見，優(yōu)化后試驗機制冷量均值均比同期常規(guī)機均值大（除個別因轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致制冷量有所下降除外），說明通過零件選配，將泵體的同心裝配間隙控制在30～35 μm，可減少泵體在周向壓縮氣體時的泄漏，從而進一步提高壓縮機的制冷量。

試驗中個別壓縮機（6#、9#：032AO4022336、032AO4040015）出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏低的現(xiàn)象，通過更換電機重復(fù)試驗確認(rèn)是電機本身問題，說明按優(yōu)化方案要求的間隙不是導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)速偏低的原因。

表6 徑向及相關(guān)零件間隙優(yōu)化前后的性能對比

3.4 間隙參數(shù)與制冷量相關(guān)性

由表4～表6可看出同心裝配對壓縮機的冷量波動有很大影響。進一步采用MINITAB軟件的主成分分析方法[6-7]對各個裝配參數(shù)及整機制冷量性能關(guān)系進行相關(guān)性研究，得到表7結(jié)果。

表7 各主要成分的相關(guān)矩陣的特征值、比率及累計貢獻率分析（制冷量）

表7表示各主要成分（變量相關(guān)陣）特征值、貢獻率及累計貢獻率。其中，第1主成分特征值最大為2.6365，即第1主成分方差為2.6365，第1主成分方差占總方差比率為0.3300，即貢獻率為33.0%。以此類推，第2-6主成分貢獻率依次為21.0%、17.1%、13.3%、8.5%、6.0%。

碎石圖（如圖4所示）橫坐標(biāo)表示各主要成分（變量相關(guān)陣）分量，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)貢獻率?？梢姡瑥牡?個主要成分開始變化趨勢平緩，且主成分特征根小于1。且由表7，第1-3主成分的累計貢獻率已高達(dá)71.1%，確定取前4個主成分。

圖4 各主要成分和制冷量的碎石圖

結(jié)合前4個主成分對應(yīng)特征值，根據(jù)其特征向量分別計算各參數(shù)變量在主成分上的載荷，得出主成分載荷矩陣（如表8所示），反應(yīng)了各變量對4個主成分的貢獻。

表8 主成分載荷矩陣

根據(jù)主成分載荷矩陣（如表8所示）相關(guān)主成分相關(guān)系數(shù)建立對1-4主成分與標(biāo)準(zhǔn)化變量的關(guān)系，以上動態(tài)變量對主成分均有貢獻。其中，第1主成分相關(guān)系數(shù)絕對值最大為0.524、0.512、0.477，與之對應(yīng)的裝配間隙參數(shù)為曲軸滾子配合間隙、氣缸滾子高度間隙、氣缸滑片高度間隙。整機制冷量與曲軸滾子配合間隙、氣缸滾子高度間隙、氣缸滑片高度間隙有較大的正相關(guān)，因為這三個裝配間隙與曲軸的驅(qū)動的機械傳遞相關(guān)，因此第1主成分被認(rèn)定為壓縮機泵體組件機械驅(qū)動精度與效率的代表；

第2、4主成分相關(guān)系數(shù)絕對值最大為0.501、0.446及-0.58、0.668，與之對應(yīng)的裝配間隙參數(shù)為徑向間隙、上法蘭長軸間隙。整機制冷量與徑向間隙波動強相關(guān)，與上法蘭長軸間隙正相關(guān)，因為這兩個裝配間隙與泵體容差相關(guān)，因此第2、4主成分認(rèn)定為壓縮機泵體同心精度與容積率的代表；

第3主成分相關(guān)系數(shù)絕對值最大為-0.677、-0.629，與之對應(yīng)的裝配間隙參數(shù)為下法蘭短軸間隙、滑片槽配合間隙。整機制冷量與下法蘭短軸間隙、滑片槽配合間隙有較大負(fù)相關(guān)，因為這兩個裝配間隙與泵體內(nèi)泄漏相關(guān)，第3主成分認(rèn)定為壓縮機泵體平面精度與摩擦功耗的代表。

對前4個主成分貢獻分析，確定重點控制上法蘭長軸間隙、下法蘭短軸間隙、徑向間隙、滑片槽配合間隙四個關(guān)鍵裝配參數(shù)。制造過程采取分選保證尺寸配對，設(shè)備程序自動計算判異，并采取標(biāo)樣及標(biāo)準(zhǔn)、測試精度及重復(fù)性管理，對配對異常品進行嚴(yán)格處置、專人確認(rèn)管理。

4 結(jié)論

近年來，房間空調(diào)器性能與能效標(biāo)準(zhǔn)提升。為更好掌握滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機性能一致性的影響機理，對制冷劑壓縮關(guān)鍵流程的內(nèi)泄漏，開展配對間隙對性能一致性的理論計算，及徑向間隙、曲軸滾子配合間隙等配對控制與分檔性能驗證試驗。制冷劑內(nèi)泄漏引起的制冷量損失占總損失比例的58.2%，采用MINITAB軟件的主成分分析方法發(fā)現(xiàn)第1-4主成分的累計貢獻率已高達(dá)71.1%，影響制冷劑內(nèi)泄漏的主要有泵體組件機械驅(qū)動精度與效率、泵體同心精度與容積率、平面精度與摩擦功耗，對制冷劑內(nèi)泄漏導(dǎo)致的制冷量損失的貢獻分別為33%、21%與17.1%。挑選出該3套配對間隙相關(guān)的四組參數(shù)作為關(guān)鍵裝配參數(shù)，制造過程采取設(shè)備程序自動計算判斷分檔分選，保證尺寸配對與整機功率性能一致性。