鄧 敏,孫志敬

(1.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術研究中心有限公司，廣東珠海 519070;2.珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海 519070)

變頻壓縮機電機-泵體力矩實測與仿真對比分析

鄧 敏1,孫志敬2

(1.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術研究中心有限公司，廣東珠海 519070;2.珠海格力電器股份有限公司,廣東珠海 519070)

隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，人們對變頻滾子式壓縮機的性能和可靠性提出了更高的要求。由于工況惡劣和技術瓶頸所限，目前壓縮機電機-泵體間曲軸的力矩檢測非常困難，因此很難獲得真實的電機效率、機械效率和摩擦損耗等重要參數(shù)。本文提出一種使用應變片測試壓縮機曲軸力矩的方法，并對實測力矩的規(guī)律進行了分析總結，最后與仿真模擬曲線進行了比較。

變頻壓縮機;曲軸;力矩;測試;仿真

1 前言

隨著變頻滾子式壓縮機及其家用和商用空調系統(tǒng)在國內外市場上的需求量與日俱增，和當下大力倡導節(jié)能環(huán)保理念，制冷行業(yè)對壓縮機和空調系統(tǒng)的可靠性提出越來越高的要求，而其中最重要的是降低產品能耗。壓縮機是空調系統(tǒng)的心臟，能耗在空調系統(tǒng)部件中占比最高，其性能優(yōu)劣直接影響整機的表現(xiàn)。氣體力試驗研究間接表明，某型號壓縮機有效功占能耗總量78%時，電機損失和機械損失之和占比為10%～20%，即壓縮機總效率仍有改善的空間。如果能直接測量壓縮機曲軸一個周期內的力矩，就能更清晰了解壓縮機的損耗，效率的提升量將非常大，而且十分精確，同樣也可以直接獲得實際軸功率。為此，本文在介紹一種滾子式壓縮機電機泵體力矩測試方法的基礎上，通過對實測數(shù)據進行處理，并與仿真曲線進行比較，找出力矩變化規(guī)律，為產品結構設計提供借鑒。

2 檢測方法和原理

變頻壓縮機內部充滿冷媒和冷凍油的腐蝕性混合物，國標工況下高壓3 MPa左右，同時溫度達80～100 ℃，而且壓縮機目前已做到小型化，內部空間狹小。在上述惡劣的環(huán)境下布置傳感器非常困難。1986年，K Sakitani等在封閉壓縮機內利用電子扭矩計DTM-408成功測得曲軸力矩[1]。2000年，M Matsushima等利用應變片和滑動環(huán)測得曲軸力矩。由于電阻應變片制作的傳感器體積小、結構簡單、能在復雜環(huán)境下測量，且適宜于動、靜態(tài)測量，在各工程領域得到廣泛應用，也是用于測量扭矩的一種理想傳感器[2]。

本文介紹的方法是在曲軸位于電機和泵體之間粘貼應變片組成橋路，原理如圖1所示。曲軸上的應變橋把電壓信號傳遞給一起旋轉的導電滑環(huán)，導電滑環(huán)再把信號傳遞給和其接觸的固定在外殼的導電刷臂，從而完成信號由旋轉到靜止的可靠傳遞[3～5]。圖2為本次試驗測試所用壓縮機截面圖。導電滑環(huán)固定于電機上方，信號線從曲軸中心孔引至下方。采用環(huán)氧基樹脂將抗磁應變片粘貼于上法蘭上方。曲軸在應變片附近鉆有小孔便于出線。為了避免強電磁干擾，信號線必須做好嚴格的屏蔽措施。采用國產導電滑環(huán)，最高轉速達10000 r/min，最高耐溫達90 ℃，可滿足壓縮機的惡劣工況要求。信號采集采用美國國家儀器4通道24bit半橋/全橋模擬輸入模塊9237。壓力傳感器采用PCB石英壓力傳感器M111A系列，由于該壓力傳感器對線路阻抗要求極高，必須對傳感器及其信號線纜做有效的防油保護。

圖1 測試原理

圖2 測試壓縮方案

3 數(shù)據處理和分析

試驗用變頻滾子式壓縮機額定轉速3600 r/min，額定輸出功率830 W。在國標工況下吸氣溫度Ts為35 ℃，吸氣壓力Ps為1.0 MPa，排氣壓力Pd為3.36 MPa。冷媒介質為R410A。

測試的電機泵體力矩T主要由氣體阻力矩Tg和摩擦阻力矩Tf組成。如圖3，氣體阻力矩是因滾子受到了吸氣腔和排氣腔的壓差而形成，與壓縮機工況參數(shù)和容積效率ηv等因素有關。摩擦阻力矩包括曲軸與軸承、曲軸與滾子、滾子與氣缸、滾子與滑片等構成的摩擦阻力矩，與各自相對運動速度、零部件摩擦系數(shù)及潤滑油的厚度、粘性、溫度等因素有關。

T=ηvTg+Tf

(1)

圖3 滾子受力示意

泵體的滾子受壓縮腔壓力Pd和吸氣腔壓力Ps的合力Fg作用，方向垂直于滾子與氣缸和滑片接觸點連成的直線。根據力與壓降關系得到：

(2)

式中Fg——氣體合力，其方向穿過滾子中心O1L——滾子與滑片和氣缸接觸點之間的距離

h——滾子高度

L是角度θ的函數(shù)，根據幾何關系可簡單計算得到。氣體力矩Tg計算式：

(3)

式中l(wèi)——氣缸與滾子圓心在Fg方向上的距離τ——偏徑比(偏心距與氣缸半徑之比)

根據式(1)～(3)可計算得到摩擦力矩Tf隨轉角θ變化曲線。

3.1 負載相同轉速不同時力矩分析

力矩、功率和轉速之間的關系式：

(4)

式中P——功率n——轉速

電機功率不變時，力矩與轉速成反比；當負載不變即力矩不變時，電機功率與轉速成正比。理論上壓縮機工況負載相同，無論從均值或瞬時值來看，不同轉速下的電機的力矩曲線也基本相同。在壓縮機測試臺上設定國標工況，測得3600 r/min和5400 r/min轉速下的力矩曲線如圖4所示，曲線基本互相貼合。從圖可見轉速較高時曲軸力矩波動平穩(wěn)，而低頻時存在較明顯的諧振。

圖4 不同轉速下的電機泵體力矩曲線

3.2 不同負載下電機泵體力矩分析

給壓縮機測試臺設定區(qū)別明顯的輕工況、中工況和重工況，工況參數(shù)如表1所示。實測電機泵體力矩曲線如圖5所示，可看出力矩的均值和幅值隨著工況的加重而增大，說明力矩與工況參數(shù)的設定有著密切的正相關關系。

表1 壓縮機輕、中和重工況參數(shù)

圖5 輕、中和重工況時電機泵體力矩曲線

力矩曲線最高點代表泵體閥片開啟，氣缸開始排氣。隨著工況的逐漸加重，力矩曲線最高值所對應的角度逐漸后移，即閥片開啟開始排氣的角度越延后。當工況越嚴重時，泵體滾子轉過滑片位置中間零度，而此時閥片仍處于未關閉狀態(tài)的概率是非常高的，這將導致高背壓的高壓氣體灌入吸氣腔，造成再膨脹和重復壓縮，造成制冷量下降和功率上升。因此，工況越嚴重，壓縮機的性能越受考驗。

3.3 摩擦力矩的求解

根據壓縮機測試臺測得冷媒流量，可獲得壓縮機容積效率；通過氣缸壓力傳感器測得吸氣腔和排氣腔壓力曲線，根據式(3)可進一步計算出有效氣體力矩；再根據式(1)和實測電機泵體力矩曲線，可獲得摩擦力矩曲線，如圖6。在該工況下的摩擦力矩不超過2 N·m，且力矩達到最大值時摩擦力矩處于最低區(qū)間。

圖6 摩擦力矩曲線的求解

4 實測與仿真計算的比較

在Nastran有限元分析軟件上對曲軸進行網格劃分和氣體力整體等效應力求解分析，如圖7，顯示曲軸偏心部受力發(fā)生彎曲，其上下根部應力最大。綜合考慮工況參數(shù)、電機和泵體結構參數(shù)、冷凍油物性參數(shù)、電機效率，可獲得電機泵體力矩仿真曲線。

圖7 曲軸網格及應力分布

如圖8，仿真曲線與實測力矩曲線趨勢較貼合，仿真均值2.107 N·m，實測均值2.209 N·m，均值誤差4.8%，證明該測試方法具有一定的準確性。

圖8 電機泵體力矩實測與仿真對比

5 結論

(1)相同負載下，任意轉速的力矩曲線基本一致，低頻時力矩存在諧振和波動；

(2)工況越重，力矩的絕對值越大，開始排氣的時間也越延后；

(3) 結合氣體力計算可得變頻壓縮機的摩擦力矩曲線，曲軸力矩最高時摩擦力矩最??；

(4)與仿真模擬曲線的比較，相對誤差4.8%，證明該測試數(shù)據和分析方法對壓縮機產品結構設計具有一定的參考和指導意義。

[1] Sakitani K,Koiwa J,Maekawa T.Performance Evaluation of Hermetic Refrigeration Compressor Using Torque Measurement Method[C].1986 International Compressor Engineering Conference at Purdue University v.1,1986:228-241.

[2] Matsushima M,Nomura T,Nishimura N,et al.Direct Torque Measurement of Hermetic Rotary Compressors Using Strain Gauge[C].International Compressor Engineering Conference at Purdue University,2000:49-506.

[3] 林靜，倪昔東，戚培蕓,等.應變式扭矩傳感器中應變片的粘貼技術[J].船舶工程，2012,34(1)：52:53

[4] 鄒先平，湯雁翔，黃德香.板翅式換熱器正交接管封頭極限載荷試驗研究[J].壓力容器，2015,32(10):43-47.

[5] 柴繼新，王恩峰，范小燕,等.幾種常見的電阻應變片式旋轉扭矩傳感器[J].計量、測試與校準，2010，30(2)：34-36.

Torque Measurement between Motor and Pump Body in Inverter Compressor and its Comparison Analysis with Simulation

DENG Min1，SUN Zhi-jing2

(1.Green Refrigeration Equipment Engineering Research Center of Zhuhai Gree Co.,Ltd.,Zhuhai 519070,China; 2.Gree Electric Appliances Inc.of Zhuhai,Zhuhai 519070,China)

The refrigeration industry have put forward a request for greater performance and reliability of the inverter rotary piston compressor.With tremendous difficulties to measure the shaft torque between motor and pump body in the compressor,so far,due to the serious condition and technical restriction,it’s hard to precisely acquire the important data as the motor efficiency,mechanism efficiency,and friction loss.This article raises a shaft torque measurement method related to compressor using strain gauge,analyzing and summarizing the principle of the measured torque,with comparison with the simulation curve in the end.

inverter compressor;shaft;torque;measurement;simulation

1005-0329(2017)02-0081-04

2016-06-30

2016-12-15

TH45

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.018

鄧敏(1987-)，男，從事制冷空調和壓縮機技術的研究工作，通訊地址：519070 廣東珠海市節(jié)能環(huán)保制冷技術研究中心有限公司，E-mail:minnedeng@163.com。