水潤滑改進(jìn)離心式電動空氣壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

倪淮生

摘要：為了提高空氣壓縮機(jī)性能，本文通過一種改進(jìn)水潤滑改進(jìn)后的離心式電動空壓機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明，改進(jìn)后的空壓機(jī)通過對電機(jī)磁鋼處的密封設(shè)計(jì)，可以使攪水損耗相比軸承功耗小很多。在空載狀況下，前軸和后軸的軸承工作良好，沒有出現(xiàn)水膜失穩(wěn)的情況。在帶載狀態(tài)下前軸承振動基本穩(wěn)定，變化不大，后軸承在個(gè)別轉(zhuǎn)速下有高頻振動。整體振動較穩(wěn)定，振動幅值較小。從空壓機(jī)的工作特性可以看出，改進(jìn)后的空壓機(jī)壓縮空氣的質(zhì)量流量及壓力比隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。渦殼和電機(jī)定子的溫度都隨轉(zhuǎn)速而升高，但都遠(yuǎn)低于繞組的耐受溫度。

Abstract： In order to improve the performance of the air compressor， this paper conducts experimental tests on an improved centrifugal electric air compressor with improved water lubrication. The results show that the improved air compressor can stir water by sealing the motor’s magnetic steel.? The loss is much smaller than the power consumption of the bearing.? Under no-load conditions， the bearings of the front and rear axles worked well， and there was no water film instability.? In the loaded state， the front bearing vibration is basically stable with little change， and the rear bearing has high frequency vibration at individual speeds.? The overall vibration is relatively stable， and the vibration amplitude is small.? It can be seen from the working characteristics of the air compressor that the mass flow rate and pressure ratio of the compressed air of the improved air compressor increase with the increase in speed.? The temperature of the volute and the stator of the motor both increase with the speed， but they are far lower than the withstand temperature of the windings.

關(guān)鍵詞：離心式電動空氣壓縮機(jī);實(shí)驗(yàn)測試;高頻振動;質(zhì)量流量

Key words： centrifugal electric air compressor;experimental test;high-frequency vibration;mass flow

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0089-04

0? 引言

空氣壓縮機(jī)是氣源裝置中的主體，它是將原動機(jī)（通常是電動機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，有著吹氣產(chǎn)氣、制冷與分離、驅(qū)動動力、合成及聚合、氣體輸送等作用，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、鋼鐵等生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。

空氣壓縮機(jī)的種類繁多，按照其工作原理可分為往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿式和電動離心式。離心式空壓機(jī)相比于其他種類的空壓機(jī)氣量大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，機(jī)組尺寸小，占地面積小。此外還有著運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因之備件需用量少，維護(hù)費(fèi)用及人員少的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的運(yùn)用[1-2]。

現(xiàn)階段，許多學(xué)者對空壓機(jī)做了相關(guān)研究。朱雷等[3]提出一種帶有水冷定子機(jī)座和超短定子繞組端部長度的高密度無刷永磁電機(jī)，進(jìn)行逆變器供電驅(qū)動電路和電機(jī)有限元耦合仿真的性能分析計(jì)算。辛強(qiáng)等[4]總結(jié)了車用燃料電池空氣壓縮機(jī)的類型及基本特征，對燃料電池空壓機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作了進(jìn)一步探究，并對其環(huán)境可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)解析，最后指出了未來燃料電池供氣系統(tǒng)的主要技術(shù)研究方向，為燃料電池空壓機(jī)的試驗(yàn)方法研究及研發(fā)改進(jìn)提供參考。熊樹生等[5]，經(jīng)過均勻化傳熱計(jì)算得到渦旋盤循環(huán)平均溫度場與氣壓場，提出指數(shù)分段溫度公式作為替代方法簡化溫度場計(jì)算。

本文以一種改進(jìn)后的離心式電動空壓縮機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，通過測試功耗，軸承振動和壓縮機(jī)特性，從而得到其具體的性能參數(shù)，從而對改進(jìn)方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證，并為其進(jìn)一步優(yōu)化做好準(zhǔn)備。

1? 設(shè)計(jì)與方法

1.1 離心式空壓機(jī)設(shè)計(jì)

本文改進(jìn)的離心式空壓機(jī)是利用水潤滑軸承，為使系統(tǒng)具有較好的動力學(xué)特性，電機(jī)位于轉(zhuǎn)子中間，兩個(gè)水潤滑動靜壓軸承分別位于電機(jī)兩側(cè)，止推軸承位于轉(zhuǎn)子后端，使得整個(gè)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心盡量靠近中心。為縮短轉(zhuǎn)子支撐跨距，減輕質(zhì)量，兩個(gè)徑向軸承的一部分伸入到電機(jī)端部線圈內(nèi)，有效地利用了電機(jī)兩端部的空間。對于軸承潤滑用水水路，應(yīng)保證供水均勻適量，回水及時(shí)順暢。潤滑水經(jīng)后端管接頭從后端蓋的進(jìn)水孔泵入，在外殼上水路分為兩路，分別供應(yīng)前后徑向軸承的潤滑水，其中后徑向軸承的水路又分為兩路，一路供給后徑向軸承，另一路進(jìn)入止推配水盤，為止推軸承供水。前后徑向軸承處堆積的潤滑水則通過前后徑向軸承下方的回水孔排出。前徑向軸承處潤滑水回水重新導(dǎo)入外殼，通過外殼上軸向的回水孔流到后端蓋處;后徑向軸承潤滑水直接流入到后軸承預(yù)留的空腔中，與止推軸承回水匯在一起，并在后端蓋處與前軸承回水匯集，一并由抽水泵泵出。

本設(shè)計(jì)方案中，采用水潤滑軸承和內(nèi)置電機(jī)的方式，所以對水的密封設(shè)計(jì)尤為重要。設(shè)計(jì)方案中采用多道O型圈密封，以確保潤滑水和冷卻水與電機(jī)定子部分完全隔離。另外，為調(diào)節(jié)渦輪輪后壓力，在后端蓋設(shè)計(jì)有調(diào)壓孔。需要對空氣在前端蓋處密封，如圖1所示。

1.2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試方法

壓縮空氣系統(tǒng)流量和壓力動態(tài)變化非?？?，在許多系統(tǒng)中大量的空氣負(fù)荷隨機(jī)運(yùn)行，經(jīng)常會導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)供氣側(cè)和需求側(cè)之間的不平衡。為了客觀反映壓縮空氣系統(tǒng)的動態(tài)變化過程，必須同時(shí)監(jiān)測和記錄系統(tǒng)流量、空壓機(jī)功率、軸承振動和系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓力等幾個(gè)參數(shù)。

1.2.1 流量測量

測試壓縮空氣流量的方法有許多種，其中對管道中的流量直接進(jìn)行測試是最為有效的方法，本測試系統(tǒng)選用了熱式質(zhì)量流量計(jì)，它根據(jù)熱傳導(dǎo)原理測試管道中氣體平均速度，進(jìn)而根據(jù)管道面積計(jì)算系統(tǒng)流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)的最大好處是不需要對溫度和壓力進(jìn)行修正。

1.2.2 功率/電流測量

空壓機(jī)電機(jī)功率的變化可以采用功率傳感器或者電流傳感器來實(shí)現(xiàn)。功率傳感器可以直接測試空壓機(jī)組的輸入功率，電流傳感器可以測試空壓機(jī)電機(jī)的運(yùn)行電流，并通過測試空壓機(jī)電機(jī)的供電電壓后經(jīng)過計(jì)算得出空壓機(jī)運(yùn)行功率數(shù)據(jù)。根據(jù)功率變化評估空壓機(jī)在系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)反應(yīng)是否及時(shí)，同時(shí)可以估算壓縮空氣系統(tǒng)的能源消耗。

1.2.3 軸承振動測量

被測軸承的內(nèi)圈端面緊靠芯軸軸肩，并以某一恒定的規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，外圈不轉(zhuǎn)并承受一定的徑向或軸向載荷，用傳感器測頭攝取滾道中心截面與外圈外圓柱面相交線上的軸承外圈振動（速度）分量，將該徑向振動（速度）分量轉(zhuǎn)變成電信號并將該電信號輸入到測量放大系統(tǒng)，對其進(jìn)行信號處理。

1.2.4 壓力測量

壓縮空氣系統(tǒng)測試過程中的壓力傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行配合，可以同時(shí)記錄多點(diǎn)的壓力值，從而繪出整個(gè)系統(tǒng)的壓力梯度曲線，依此判斷系統(tǒng)的壓降是否合理。另外，結(jié)合流量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以給出系統(tǒng)負(fù)荷變化和壓力變化之間的相互關(guān)系。壓力傳感器有幾種類型和規(guī)格，通常選用的壓力傳感器精度為0.5% FS（全量程）。

2? 結(jié)果與討論

2.1 功耗測試

在不安裝葉輪的情況下進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，此時(shí)空壓機(jī)對外不做功，通過測量電流和反生電動勢大小可以計(jì)算出電機(jī)的電磁功率。電磁功率主要被軸承摩擦和轉(zhuǎn)子攪水所消耗（極小部分為電機(jī)鐵損）。如圖2所示，軸承功耗與實(shí)驗(yàn)值趨勢一致，數(shù)值相近，驗(yàn)證了在軸承功耗分析中考慮紊流影響的正確性。兩者的差值反映了轉(zhuǎn)子的攪水損耗，隨著轉(zhuǎn)速升高，攪水損耗先增大后平穩(wěn)。在80000rpm時(shí)，壓縮機(jī)機(jī)械損耗約1.28kW，其中軸承功耗1.08kW，轉(zhuǎn)子攪水損耗0.2kW，可見電機(jī)磁鋼處的密封設(shè)計(jì)，使攪水損耗相比軸承功耗小很多。

2.2 軸承測試

在室溫24℃;供水壓力0.08MPa;供水初始流量0.7 L·min-1。電機(jī)用西伯麥亞驅(qū)動器驅(qū)動，載荷情況為空載，即不裝葉輪，電機(jī)空轉(zhuǎn)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。軸承振動趨勢圖如圖3所示，在前軸承在45000rpm處振動值較小，為0.12G，而后軸承在此處振動較大。隨后前后振動趨同，在60000rpm以后，前軸承振動超過后軸承。后軸承在75000-80000rpm時(shí)振動有激增的現(xiàn)象，即振動幅值突然增加，但整體振動仍然較小，最大為0.5G。前軸承整體振動較為穩(wěn)定。從圖4看出軸承振動主要分布在基頻，無半頻振動，表明軸承工作良好，沒有出現(xiàn)水膜失穩(wěn)的情況。前軸承有小幅度的二倍頻、四倍頻振動。

在室溫24℃;供水壓力0.08MPa;供水初始流量0.8L·min-1下進(jìn)行試驗(yàn)。電機(jī)帶輪實(shí)驗(yàn)，使用西伯麥亞驅(qū)動器驅(qū)動。實(shí)驗(yàn)所用葉輪為外購，葉輪大端直徑86mm。實(shí)驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速為60000rpm。由圖5看出，在升速過程中前軸承振動基本穩(wěn)定，變化不大，振動最大時(shí)為40000rpm時(shí)的0.25G，隨轉(zhuǎn)速增加，振動有減小趨勢;后軸承振動則波動性較大37000rpm時(shí)振動達(dá)到峰值0.65G，37000-52000rpm振動呈下降趨勢，超過55000rpm時(shí)振動幅值有回升趨勢，但整體上振動小于1G。由圖6看出，在帶輪實(shí)驗(yàn)時(shí)，前后軸承均沒有半頻振動。前后軸承有小幅的二倍頻振動，后軸承在個(gè)別轉(zhuǎn)速下有高頻振動。整體振動較穩(wěn)定，振動幅值較小。

2.3 壓縮機(jī)特性

在采用？準(zhǔn)86葉輪進(jìn)行的帶載運(yùn)轉(zhuǎn)中，測試了空壓機(jī)的工作特性。受限于電機(jī)驅(qū)動器輸出電流的限制，目前帶載實(shí)驗(yàn)最高工作轉(zhuǎn)速為6萬轉(zhuǎn)/分。圖7（a）給出了壓縮機(jī)做功及效率曲線?？偣β蕿殡姍C(jī)的實(shí)測輸入總功率，有效功用電機(jī)的電磁輸出功率近似（忽略了電機(jī)鐵損部分）。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓縮機(jī)效率逐漸升高，在6萬轉(zhuǎn)/分時(shí)，壓縮機(jī)可輸出約5.2kW的有效功，效率接近80%。圖7（b）給出了壓縮機(jī)工作特性曲線。壓縮空氣的質(zhì)量流量及壓力比隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。在6萬轉(zhuǎn)/分時(shí)，壓縮機(jī)可提供350kg/h、壓力比1.52的壓縮空氣，可以滿足汽車燃料電池系統(tǒng)的需求。圖8給出了溫升曲線，渦殼和電機(jī)定子的溫度都隨轉(zhuǎn)速而升高，但電機(jī)定子的溫升隨轉(zhuǎn)速的升高快于渦殼的溫升，表明轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)定子的發(fā)熱主要來源于繞組和定子疊片的渦流損耗。對所研制的空壓機(jī)而言，在6萬轉(zhuǎn)/分下帶載運(yùn)行時(shí)電機(jī)定子的溫度為72°C，遠(yuǎn)低于繞組的耐受溫度。此外，按所做有關(guān)電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫升的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算，對于有水冷的高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子溫度會略高于此值5-10°C，說明此時(shí)磁鋼的工作溫度也遠(yuǎn)低于退磁溫度（220°C）。

3? 結(jié)論

本通過對改進(jìn)后的離心式電動空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的性能測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析的研究，可得出以下結(jié)論：改進(jìn)后的空壓機(jī)通過對電機(jī)磁鋼處的密封設(shè)計(jì)，可以使攪水損耗相比軸承功耗小很多。在空載狀況下，前軸和后軸的軸承工作良好，沒有出現(xiàn)水膜失穩(wěn)的情況。在帶載狀態(tài)下前軸承振動基本穩(wěn)定，變化不大，后軸承在個(gè)別轉(zhuǎn)速下有高頻振動。整體振動較穩(wěn)定，振動幅值較小。從空壓機(jī)的工作特性可以看出，改進(jìn)后的空壓機(jī)壓縮空氣的質(zhì)量流量及壓力比隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。渦殼和電機(jī)定子的溫度都隨轉(zhuǎn)速而升高，但都遠(yuǎn)低于繞組的耐受溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]衛(wèi)國愛，全書海，蘇林，等.燃料電池空壓機(jī)的建模及仿真[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24（3）：200-202.

[2]王心堅(jiān)，黃道錦，馬瑞盛，等.高速燃料電池空壓機(jī)無位置傳感器控制[J].微特電機(jī)，2020，48（05）：45-47.

[3]朱雷，黃蘇融，張琪，等.車用燃料電池空氣壓縮機(jī)用高密度無刷永磁電機(jī)[J].微特電機(jī)，2004，32（1）：3.

[4]辛強(qiáng)，陳俠.燃料電池空壓機(jī)技術(shù)解析[J].汽車零部件，2020（12）：110-112.

[5]熊樹生，江仁埔，吳占寬，等.燃料電池空壓機(jī)渦旋盤均勻載荷應(yīng)力變形仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，047（0z1）：146-153.