轉(zhuǎn)子式壓縮機新型耐磨軸承設(shè)計及驗證

姜本剛 孫東浩

摘 要：轉(zhuǎn)子式壓縮機是空調(diào)的核心，軸承則是轉(zhuǎn)子式壓縮機的關(guān)鍵部件，對其可靠性具有決定性作用。文章分析了壓縮機的磨損狀態(tài)，針對軸承磨損現(xiàn)象嚴重的問題，設(shè)計了一款由傳統(tǒng)軸承與軸套共同組成的新型耐磨軸承組件，并設(shè)計對比耐久實驗，通過運轉(zhuǎn)壽命說明了該軸承組件的優(yōu)越性能，能夠用于應對制冷系統(tǒng)在嚴苛工況不能長時間運轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子壓縮機;耐磨軸承組件;軸套

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-089-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.038

轉(zhuǎn)子式壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、成本低等特點[1]，隨著制冷行業(yè)的快速發(fā)展，進一步拓展了轉(zhuǎn)子式壓縮機的應用領(lǐng)域，對其性能、可靠性提出了更高的要求[2]。尤其在應用于多聯(lián)機系統(tǒng)中，系統(tǒng)的管路配管較長及內(nèi)外機之間高度差較大，易造成管路存油，導致壓縮機回油困難，對其可靠性帶來不良影響。作為轉(zhuǎn)子式壓縮機的核心部件，軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)良直接決定了壓縮機的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計耐磨軸承應對制冷系統(tǒng)在惡劣工況條件下的正常運轉(zhuǎn)是有必要的。

1 耐磨軸承設(shè)計

轉(zhuǎn)子式壓縮機通過電機轉(zhuǎn)子帶動曲軸為泵輸入壓縮動力，泵體吸入蒸發(fā)器的低溫低壓氣體經(jīng)壓縮后排出高溫高壓冷媒氣體，然后進入冷凝器，經(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，形成閉環(huán)回路，其中壓縮機為整個系統(tǒng)提供冷媒循環(huán)動力。泵體上下端蓋不僅起到密封壓力腔及排氣作用，而且也是支承軸系穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)的動壓滑動軸承，其中主軸承也是泵體連接外殼的關(guān)鍵固定零件。因此，軸承的設(shè)計要點即為內(nèi)徑、外徑、排氣孔徑等相關(guān)尺寸設(shè)計。一般來說，軸承材料為灰鑄鐵，曲軸材料為耐磨鑄鐵，壓縮機運轉(zhuǎn)過程中，軸承內(nèi)徑與曲軸外徑間形成動壓油膜，從而起到潤滑作用。為了提升耐磨性，曲軸會進行磷化處理，但軸承內(nèi)徑?jīng)]有特殊處理。空調(diào)系統(tǒng)實際的安裝條件、運行工況多樣等會影響壓縮機的正常回油，從而造成壓縮機長時間少油運轉(zhuǎn)，嚴重時不足以形成良好的潤滑油膜，導致軸承與曲軸異常磨損甚至咬合破壞，嚴重影響了壓縮機正常運轉(zhuǎn)直至損壞并停機。

通過實際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)軸承磨損現(xiàn)象主要表現(xiàn)為兩方面，軸承的內(nèi)徑異常磨損及曲軸磷化層破壞露出金屬光面。鑒于曲軸采取磷化對策已提升了本身的耐磨性，擬定優(yōu)化方向為降低軸承內(nèi)徑的摩擦系數(shù)?，F(xiàn)有軸承內(nèi)徑為珩磨加工，摩擦系數(shù)已經(jīng)達到現(xiàn)有加工能力的最小值，因此，現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)已基本沒有改善空間，可以借鑒大型滑動軸承內(nèi)部的軸瓦結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)上軸承內(nèi)徑設(shè)計增加軸套形成新型上軸承組件結(jié)構(gòu)，軸套如圖1所示，新型上軸承組件如圖2所示。設(shè)計軸套的目的是，在保證軸承功能的前提下，降低軸承與曲軸相互之間的磨損。因此，軸套本身應具有很低的摩擦系數(shù)及與曲軸具有很好的兼容性。壓縮機運轉(zhuǎn)時曲軸相對軸承旋轉(zhuǎn)，如果軸套安裝不良，配合面之間的油膜作用力會帶動軸套旋轉(zhuǎn)，包括內(nèi)徑加工過程中也是類似，從而造成軸承失效，嚴重時會導致運轉(zhuǎn)軸系傾斜致劇烈磨損。因此，軸套材料應與金屬基材具有良好的附著力，保證軸套與軸承間的配合可靠。一般壓縮機運轉(zhuǎn)時的排氣溫度在80℃～120℃之間，因此耐熱性是軸套設(shè)計必須考慮的性能參數(shù)，熱膨脹系數(shù)須等于或高于金屬基材，從而進一步確保軸套與軸承間的過盈配合[3]。制冷系統(tǒng)因清潔度等問題，易造成內(nèi)部冷凍機油呈酸性[3]，對壓縮機零部件的耐腐蝕性提出了很高的要求，所以軸套必須具有較強的耐腐蝕性[4]。另外，同時需考慮軸套材質(zhì)的可加工性、經(jīng)濟性、存放條件要求、吸油狀態(tài)等。綜上，選取某非金屬材料作為軸套的使用材料。為實現(xiàn)軸套功能的同時保證壓縮腔的密封，軸套不應探出軸承大端面，因此軸套的長度尺寸需略小于軸承高度;因曲軸外徑尺寸一定，軸套的內(nèi)徑即已確定，為了保證軸套的使用強度，需具有足夠的厚度。通過設(shè)計計算及強度校核，并設(shè)計軸承組件強度確認試驗，通過理論與實際反復校核確認，設(shè)定外徑尺寸。

加工方面，通過實際加工試驗件驗證確認最優(yōu)加工進給速度，將軸套壓入已粗加工完成的軸承內(nèi)徑，然后選用通用刀具對軸套內(nèi)徑進行精加工，最后進行內(nèi)徑上油溝的加工。其中，因配合面油膜需要及考慮到軸套材質(zhì)較脆，須先進行倒角，后進行油溝加工，否則極易造成軸套在進刀及退刀交界面“缺肉”，影響軸套的應用性能。整個加工過程需嚴格保證軸套的完成性，加工完成后肉眼確認工件是否有裂痕甚至破損，避免碎屑進入泵體導致壓縮機缸體卡死。

2 軸承的耐磨性驗證

進行裝機驗證，并設(shè)計對比試驗，從而驗證該新型軸承組件的耐磨性。

選取同一典型產(chǎn)品，設(shè)定三個裝機方案（方案一：正常機型;方案二：上軸承有軸套，下軸承正常;方案三：上、下軸承均有軸套），每個方案試制3臺樣機，均注入800ml的冷凍機油（該機型的正常注油量是2100ml），并分別抽檢一臺進行性能測試。數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，方案二樣機的測試功率低于方案一約2%，方案三樣機的功率更低，說明軸套的潤滑性較好。利用空調(diào)外機、銅管、節(jié)流閥、熱電偶、變頻器等搭建小循環(huán)耐久試驗平臺，設(shè)定相同的高轉(zhuǎn)速90rps及相同加速耐久壓力工況，將9臺搭載樣機的試驗平臺放置在同一實驗室內(nèi)并注入相同的冷媒量，保證環(huán)境溫度也相同，定期記錄各項參數(shù)指標，直至壓縮機損壞，統(tǒng)計并對比運轉(zhuǎn)時間，結(jié)果如表1所示。

對比壽命數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方案三的耐磨性最優(yōu)，方案二次之。解體分析發(fā)現(xiàn)，方案一的3臺樣機均是上軸承與曲軸咬合抱死;方案二的樣本3的下軸承內(nèi)徑異常磨損，推測是大量磨損產(chǎn)生的金屬碎屑落入缸體導致泵體卡死，3個樣本的上軸的軸套狀態(tài)完好無損;方案三的上下軸承的軸套狀態(tài)均完好，推測異物導致樣本2泵體異?？ㄋ?，造成停機。綜上，新型軸承具有很好的耐磨性?？紤]產(chǎn)品成本因素，僅上軸承內(nèi)徑配置軸套結(jié)構(gòu)即可滿足使用需求，因此上述方案二為最優(yōu)方案。

3 結(jié)語

文章通過分析轉(zhuǎn)子式壓縮機的磨損形式及相關(guān)零件目前的技術(shù)性能，推導出改善磨損的優(yōu)化方向，并詳細分析了改善的技術(shù)路線，導入非金屬材質(zhì)的軸套，將其與傳統(tǒng)軸承組合成一款新型耐磨軸承組件，并通過對比試驗驗證了該新型軸承組件具有非常好的耐磨性能，實現(xiàn)了設(shè)計目標。

參考文獻

[1] 李祥松，孫建章.滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機主軸承變形泄漏分析[J].沈陽理工大學學報，2006（05）：74-76.

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[3] 周國民，趙家瑤.固體潤滑滑動軸承的研究[J].潤滑與密封，1988（01）：63-68.

[4] 唐正剛.從空調(diào)壓縮機故障分析談空調(diào)設(shè)備的維護[J].設(shè)備管理與維修，2019（23）：75-76.