小系列大排量轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及可靠性研究

王大號(hào) 周 丹 廖李平 李成龍

（1.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

由于空調(diào)機(jī)室外機(jī)安裝空間的限制，越來越多的用戶對(duì)室外機(jī)的尺寸要求小型化，為了提高空調(diào)安裝的適用性，首先得實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)由于其外觀尺寸和成本的優(yōu)勢(shì)，壓縮機(jī)小型化設(shè)計(jì)是未來重要的發(fā)展方向之一，成為各廠家開發(fā)的重點(diǎn)，在保證壓縮機(jī)性能的前提下，使單機(jī)尺寸大幅減小，小型化設(shè)計(jì)帶來的壓縮機(jī)可靠性的評(píng)估是必不可少的研究?jī)?nèi)容，本報(bào)告對(duì)小型化大排量壓縮機(jī)在研發(fā)過程中設(shè)計(jì)要點(diǎn)及可靠性評(píng)估方法進(jìn)行專項(xiàng)總結(jié)，以便開發(fā)同類型產(chǎn)品借鑒。

1 小系列大排量壓縮機(jī)泵體關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)最常見的失效形式是磨損失效，而影響壓縮機(jī)零部件磨損量大小的因素多種多樣，磨損機(jī)理各個(gè)相同，在壓縮機(jī)泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮，壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)制冷劑的壓縮，由于壓力差較大，曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載較大，易發(fā)生異常磨損，小型化壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓縮機(jī)，對(duì)關(guān)鍵零部件的等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以評(píng)估是否滿足可靠性要求。本文介紹的有限元分析模型主要包括上下法蘭、曲軸，各部分之間采用接觸分析，如圖1所示。

圖1 有限元模型

載荷施加主要包含3部分：①氣體力：上下偏心部同時(shí)施加氣體力載荷；②偏心部離心力：滾子與偏心部同時(shí)施加頻率離心力；③平衡塊的離心力，仿真材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1）曲軸等效應(yīng)力分布和接觸應(yīng)力如圖2所示。

圖2 曲軸等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力仿真結(jié)果

計(jì)算零部件的最大等效應(yīng)力，評(píng)估其是否小于材料的屈服強(qiáng)度，同時(shí)要預(yù)留足夠的裕度。評(píng)估壓縮機(jī)零部件的應(yīng)力是否超過標(biāo)準(zhǔn)值，避免零部件局部接觸應(yīng)力過大，造成零部件發(fā)生粘著磨損。

2）曲軸撓度和偏心部變形如圖3所示。

圖3 曲軸撓度和偏心部變形仿真結(jié)果

基于ansys中workbench的計(jì)算模塊，對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)中的曲軸、氣缸、滑片、軸承的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算，并基于此進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，以零部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的比較結(jié)果為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過長(zhǎng)期可靠性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，雙級(jí)壓縮機(jī)泵體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均符合可靠性設(shè)計(jì)要求，長(zhǎng)期運(yùn)行情況良好。

2 小型化大排量壓縮機(jī)油路設(shè)計(jì)

小系列變頻壓縮機(jī)由于受殼體內(nèi)徑空間限制，相較于普通轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)更難形成回油通道。當(dāng)壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制冷劑的流量增加，壓縮機(jī)吐油率增加，壓縮機(jī)吐出的冷凍油進(jìn)入制冷系統(tǒng)后，遇低溫環(huán)境附著在換熱器表面，影響了制冷劑的流動(dòng)并增加了換熱的換熱系數(shù)，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率下降。此外，壓縮機(jī)吐油增加還會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)油池液位的降低，不利于摩擦副的供油潤(rùn)滑。因此，小型化壓縮機(jī)必須解決高轉(zhuǎn)速帶來帶來的壓縮機(jī)吐油問題，減少壓縮機(jī)吐油對(duì)制冷壓縮機(jī)各種不利影響。為解決高轉(zhuǎn)速帶來的壓縮機(jī)吐油率過高問題，我們從吐油的來源、路徑、阻隔三個(gè)環(huán)節(jié)入手進(jìn)行分析，通過CFD仿真計(jì)算，可以對(duì)小型化壓縮機(jī)油路分離效果進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1）計(jì)算模型：計(jì)算網(wǎng)格模型及各監(jiān)測(cè)面布置如圖4所示；下止推面只與下法蘭的減震槽連通，上止推面大部分與上法蘭減震槽連通，與上法蘭螺旋槽連通的面積非常??；在流場(chǎng)充分穩(wěn)定后偏心部處的流動(dòng)可以不予考慮，兩相流計(jì)算模型采用VOF計(jì)算模型，流體介質(zhì)為R410A和68EP，物性參數(shù)按環(huán)境壓力為3.35 Mpa，溫度為90 ℃時(shí)的情況設(shè)定。

圖4 壓縮機(jī)油路計(jì)算模型及各監(jiān)測(cè)面示意圖

2）計(jì)算結(jié)果：通過對(duì)壓縮機(jī)冷凍油體積比重分布（如圖5所示）、速度分布（如圖6所示）、相對(duì)壓力分布（如圖7所示）等參數(shù)進(jìn)行仿真校核，結(jié)合壓縮機(jī)吐油的實(shí)際測(cè)試情況，決定通過阻隔油循環(huán)路徑的方法來解決壓縮機(jī)吐油率過高的問題。在轉(zhuǎn)子上增加擋油帽，通過擋油帽與轉(zhuǎn)子的協(xié)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使擋油帽的軸向產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，收集吐油路徑上的細(xì)小油滴顆粒，油滴顆粒相互碰撞形成大塊油滴，并在擋油板的離心旋轉(zhuǎn)作用下甩到殼體壁面，一并收集并回流到壓縮機(jī)底部油池。

圖5 壓縮機(jī)冷凍油體積比重分布

圖6 泵體供油速度分布

圖7 泵油相對(duì)壓力分布

3 小型化壓縮機(jī)軸承最小油膜厚度設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)處于高溫高壓的運(yùn)行條件下，零部件的磨損是壓縮機(jī)的主要失效形式，而潤(rùn)滑特性是影響壓縮機(jī)磨損狀態(tài)的關(guān)鍵因素，滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑除流體動(dòng)壓潤(rùn)滑外，還有混合潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑，潤(rùn)滑狀態(tài)與油膜厚度h（實(shí)指最小油膜厚度）及摩擦副表面粗糙度σ有關(guān)，故一般用h與σ的比值—膜厚比λ做判定：

σ1和σ2分別是兩粗糙表面的標(biāo)準(zhǔn)偏差，λ＞3時(shí)，摩擦副表面被連續(xù)的流體膜隔開，摩擦副之間沒有直接接觸，可以認(rèn)為不發(fā)生磨損；1＜λ＜3時(shí)，處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，即由流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑膜來共同承受載荷；當(dāng)λ＜1時(shí)，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑膜的流體動(dòng)壓作用與粘度對(duì)降低摩擦所起的作用減少，載荷幾乎全部通過凸體以及潤(rùn)滑劑表面之間作用生產(chǎn)的邊界膜來承受。

對(duì)于靜態(tài)軸承，可以用滑動(dòng)軸承摩擦特性曲線表示。當(dāng)軸承特性數(shù)較大時(shí)，潤(rùn)滑油膜較厚，足以把兩金屬表面完成隔開，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部，摩擦系數(shù)小。隨著軸承特性數(shù)減小，油膜變薄，不足以把兩金屬表面分開，而發(fā)生某些表面粗糙峰接觸，摩擦系數(shù)急劇增加。軸承特性數(shù)減小到一定值后，潤(rùn)滑膜以吸附膜的形式存在，軸承進(jìn)入邊界摩擦。動(dòng)態(tài)軸承的偏心率和最小油膜厚度在一周內(nèi)不斷變化。對(duì)于載荷變化較大且最大載荷很大的軸承，如旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的軸承，其偏心率在一周內(nèi)變化很大；小型化壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)方案時(shí)需保證主軸承、副軸承及偏心軸承油膜厚度最小值均達(dá)到2.5 u以上，保證壓縮機(jī)在重負(fù)載條件下油膜承載能力滿足使用要求。

4 小型化大排量壓縮機(jī)軸承溫度評(píng)估

小型化大排量壓縮機(jī)，曲軸長(zhǎng)軸和短軸軸徑和高度均采用小型化設(shè)計(jì)方法，承載能變?nèi)?，若壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，長(zhǎng)軸和短軸之間可建立充分的潤(rùn)滑條件（油膜厚度h大于曲軸和法蘭內(nèi)圓表面粗糙度峰值之和），則零件的磨損相對(duì)較小，滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。若壓縮機(jī)潤(rùn)滑不能建立充分的潤(rùn)滑，則軸承間的磨損相對(duì)較大，摩擦產(chǎn)生較多的熱量，使軸承和軸承之間的潤(rùn)滑油溫度升高，潤(rùn)滑油不能及時(shí)帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，油的粘度降低，磨損進(jìn)一步加劇。因此可以通過監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)軸承的溫度變化來判斷壓縮機(jī)長(zhǎng)短軸的磨損狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 小型化壓縮機(jī)軸承溫度監(jiān)測(cè)

通過在軸承負(fù)載最大位置，安裝溫度傳感器對(duì)壓縮機(jī)在惡劣運(yùn)行狀態(tài)下的溫度進(jìn)行評(píng)估，安裝在下法蘭上的溫度傳感器引出線通過下法蘭的通氣孔穿入到上法蘭，從上消音器的通氣孔穿出，兩個(gè)溫度傳感器的信號(hào)線從定子切邊穿出，在壓縮機(jī)上蓋上多設(shè)置一個(gè)接線柱，信號(hào)線接入接線柱，將溫度信號(hào)引出，從而實(shí)現(xiàn)密封的要求。通過測(cè)試壓縮機(jī)不同條件下的軸承溫度，小型化壓縮機(jī)軸承溫度測(cè)試需保證在145 ℃以下，才能保證正常潤(rùn)滑條件。

5 小型化大排量壓縮機(jī)長(zhǎng)期可靠性評(píng)估

壓縮機(jī)由于小型化設(shè)計(jì)，定子切邊的橫截面積減小，處于壓縮機(jī)更易發(fā)生上部空間的冷凍油不能及時(shí)返回壓縮機(jī)底部的故障，同時(shí)壓縮機(jī)上部空間減小，處于上部的冷凍油極易排出進(jìn)入系統(tǒng)，壓縮機(jī)的及時(shí)回油需重點(diǎn)驗(yàn)證。

在壓縮機(jī)上部空間和油池底部設(shè)置油透鏡，用于觀察壓縮機(jī)上部空間是否積油，積油量多少，是否超過定子頂部高度Hmax，同時(shí)驗(yàn)證上部空間積油時(shí)，壓縮機(jī)底部油池的油面高度是否滿足要求。經(jīng)驗(yàn)證小型化壓縮機(jī)兩個(gè)油透鏡在各個(gè)工況下均滿液，油面高度達(dá)到上氣缸端面以上，滿足最低油膜要求。

為了確定小型化大排量壓縮機(jī)的潤(rùn)滑及長(zhǎng)期可靠性，激發(fā)設(shè)置薄弱點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)裕度，設(shè)計(jì)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，主要考核室外溫度變化時(shí)壓縮機(jī)的耐負(fù)荷能力，通過試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)可以建立輕負(fù)荷、高壓差、高壓比等工況，排氣壓力逐步遞增，對(duì)壓縮機(jī)曲軸、上下法蘭配合副的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，確定極限工作壓力。通過長(zhǎng)期可靠性評(píng)估小型化壓縮機(jī)性能未出現(xiàn)衰減（圖9），壓縮機(jī)解剖后零部件未出現(xiàn)明顯異常，曲軸、滾子、滑片磨損狀態(tài)良好。

圖9 小型化壓縮機(jī)可靠性試驗(yàn)后零部件磨損狀態(tài)

6 結(jié)論

小型化大排量壓縮機(jī)是未來轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)重點(diǎn)開發(fā)方向，本文從壓縮機(jī)泵體關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、油路設(shè)計(jì)及油膜承載能力設(shè)計(jì)等重點(diǎn)介紹小型化壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并建立多項(xiàng)小型化設(shè)計(jì)可靠性評(píng)估方法，通過軸承溫度、壓縮機(jī)油面高度及壓縮機(jī)工作極限測(cè)試等多種方法，評(píng)估壓縮機(jī)性能無衰減，零部件無明顯異常缺陷，滿足產(chǎn)品使用要求，在保證壓縮機(jī)性能的前提下，使單機(jī)尺寸大幅減小，大幅降低壓縮機(jī)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。