肖 彪,何 林,盧浩賢,張 威,范建波

1 前言

可靠性研制試驗(yàn)是通過向受試產(chǎn)品施加應(yīng)力，將產(chǎn)品中存在的缺陷激發(fā)成為故障，進(jìn)行故障定位后，采取糾正措施加以排除，是一個(gè)試驗(yàn)、分析、改進(jìn)的過程［1，2］。可靠性增長摸底試驗(yàn)作為可靠性研制試驗(yàn)的一種，主要方法是模擬實(shí)際使用的綜合應(yīng)力條件，用較短的時(shí)間和費(fèi)用暴露產(chǎn)品的潛在缺陷，并及時(shí)采取糾正措施，保證產(chǎn)品具有一定的可靠性，同時(shí)為后續(xù)的可靠性增長試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)提供信息。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)可靠性方面的研究主要有：胡浩等對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)回油問題進(jìn)行了研究［3］；朱鵬等對(duì)渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)回油進(jìn)行了分析［4］；趙遠(yuǎn)揚(yáng)對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)可靠性進(jìn)行了研究［5］。以上研究大部分是針對(duì)壓縮機(jī)的某一失效點(diǎn)進(jìn)行分析。另外，文獻(xiàn)［6~8］介紹了壓縮機(jī)壽命試驗(yàn)有關(guān)情況加速壽命試驗(yàn)作為壽命試驗(yàn)的一種，美國羅姆航空發(fā)展中心1967年首次給出了統(tǒng)一定義［9］。以上研究主要是利用可靠性加速的模型對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行耐久試驗(yàn)研究。由于制冷壓縮機(jī)其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件相對(duì)較多，壓縮過程的受力、冷媒、潤滑油等可靠性影響因素較多，在建立可靠性加速模型前，要在綜合應(yīng)力條件下進(jìn)行全面的可靠性摸底試驗(yàn)研究，充分地暴露壓縮機(jī)可靠性的失效點(diǎn)，對(duì)主要失效問題點(diǎn)進(jìn)行分析和改進(jìn)，有助于壓縮機(jī)可靠性的提高和為后續(xù)的加速試驗(yàn)提供充分的信息，這種壓縮機(jī)可靠性摸底增長試驗(yàn)的研究相對(duì)空白，本文將對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)主要失效點(diǎn)提出分析和改進(jìn)方案。

2 壓縮機(jī)可靠性與壽命試驗(yàn)的研究思路

通過對(duì)壓縮機(jī)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和失效機(jī)理的分析，試驗(yàn)應(yīng)力的選擇和綜合試驗(yàn)剖面的建立，提出一套可行的方案，通過方案的驗(yàn)證進(jìn)行詳細(xì)的可靠性對(duì)比數(shù)據(jù)分析，為壓縮機(jī)可靠性驗(yàn)證和壓縮機(jī)在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供方法?？傮w的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程示意

2.1 制冷系統(tǒng)原理及壓縮機(jī)回油，回液失效原理

圖2 制冷空調(diào)系統(tǒng)潤滑油及冷媒二層分離溫度線和冷凍循環(huán)的動(dòng)態(tài)示意

分析

根據(jù)場(chǎng)內(nèi)外壓縮機(jī)故障的統(tǒng)計(jì)和分析，壓縮機(jī)可靠性增長摸底試驗(yàn)主要研究的是壓縮機(jī)回液、回油、系統(tǒng)缺氟幾類故障率占比較大情況下的可靠性及壽命，而系統(tǒng)缺氟情況下的驗(yàn)證方案相對(duì)簡單，壓縮機(jī)的回油、回液失效機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，需要結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的原理和二層分離特性進(jìn)行分析［10］，如圖 2。

制冷系統(tǒng)循環(huán)在蒸發(fā)器低溫狀態(tài)和冷凝器高溫狀態(tài)存在冷媒和潤滑油的分層現(xiàn)象導(dǎo)致潤滑油難以回到壓縮機(jī)，而不同的油溫狀態(tài)下壓縮機(jī)排油量的影響，連接管長度和冷媒灌注量等應(yīng)力都會(huì)影響制冷系統(tǒng)的回油、回液效果，需要在綜合應(yīng)力條件下研究最容易缺油和最容易回液的具體工況點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)應(yīng)力條件的選取

確定試驗(yàn)條件應(yīng)考慮實(shí)際使用條件下不同應(yīng)力因素引起的故障的可能性，對(duì)于大多數(shù)機(jī)電產(chǎn)品而言，GJB 899A-2009推薦試驗(yàn)中施加的環(huán)境應(yīng)力主要有溫度、振動(dòng)、濕度等，因?yàn)樯鲜霏h(huán)境應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響最大。

2.3 試驗(yàn)應(yīng)力的確定及施加方式的選取

在制定試驗(yàn)方案時(shí)，對(duì)產(chǎn)品施加的應(yīng)力及應(yīng)力水平，應(yīng)按照實(shí)測(cè)應(yīng)力→估計(jì)應(yīng)力→參考應(yīng)力的順序來選取。有充足的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選取實(shí)測(cè)應(yīng)力，本文的研究方法是將所規(guī)定的實(shí)用應(yīng)力綜合于同一試驗(yàn)時(shí)間和空間進(jìn)行施加，采取綜合試驗(yàn)應(yīng)力的方法，試驗(yàn)臺(tái)和相關(guān)設(shè)備的控制及檢測(cè)如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)模擬實(shí)際使用的不同環(huán)境溫濕度條件，電源條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)能夠模擬安裝和監(jiān)控運(yùn)行過程中的機(jī)組振動(dòng)和應(yīng)變情況，便于可靠性及壽命試驗(yàn)的分析。

圖3 綜合試驗(yàn)應(yīng)力及檢測(cè)臺(tái)示意

3 可靠性增長摸底綜合試驗(yàn)剖面模型的建立及試驗(yàn)過程分析

3.1 試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)時(shí)間的確定

試驗(yàn)樣品選取6.5 kW定速空調(diào)器，電子膨脹閥系統(tǒng)，連接管標(biāo)稱長度5 m，R22冷媒額定灌注量2 kg，潤滑油SAY-56T，充注量1050 mL，壓縮機(jī)自身帶有能夠觀察油位的視油鏡，同時(shí)在外面標(biāo)注了對(duì)應(yīng)油位的刻度。試驗(yàn)過程中通過溫度檢測(cè)傳感器和壓力檢測(cè)傳感器檢測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的排氣、吸氣的溫度及壓力，壓縮機(jī)油溫，吸氣壓力，排氣壓力等。樣品已經(jīng)滿足產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，經(jīng)過了全面的性能、功能試驗(yàn)，最終狀態(tài)滿足試驗(yàn)要求，隨機(jī)抽取樣品1臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可靠性增長摸底試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間取100~200 h較為合適，北京航空航天大學(xué)航空可靠性綜合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)1998~2008年期間開展的152項(xiàng)具有代表性的各種可靠性試驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出48.7%故障發(fā)生在試驗(yàn)前100 h內(nèi)，66.4%發(fā)生在200 h內(nèi)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明200 h時(shí)間較為合理。本次試驗(yàn)在以下試驗(yàn)剖面一個(gè)周期50 h，共做3個(gè)循環(huán)周期，試驗(yàn)總時(shí)間150 h左右。

3.2 試驗(yàn)運(yùn)行剖面的建立

根據(jù)空調(diào)的基本任務(wù)剖面和環(huán)境剖面，運(yùn)行的溫度范圍包含空調(diào)宣稱和實(shí)際使用的大部分制冷和制熱范圍，濕度主要考慮對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜的影響，試驗(yàn)的運(yùn)行剖面應(yīng)力條件溫濕度考慮：高溫制冷（32/23 50/-）、常溫制冷（27/19 35/24）、低溫制冷（27/19 35/24）、高溫制熱（27/- 24/RH40%）、常溫制熱（20/- 7/ RH80%）、低溫制熱（15/-20/ RH80%）；連接管長度分別為5，10，15，20，25，30 m；冷媒灌注量為額定灌注量的100%、80%、120%。試驗(yàn)研究的內(nèi)外機(jī)落差高度為0 m。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 不同環(huán)境剖面條件下回油情況對(duì)比分析

（1）5 m連接管，100%額定灌注量，80%額定灌注量，0 m落差高度

在低溫制熱、常溫制熱、高溫制熱、低溫制冷和常溫制冷的情況下壓縮機(jī)的油位通過視油鏡觀察都能夠滿足要求，均為滿油狀態(tài)。在高溫制冷（32/23 50/-）試驗(yàn)條件下出現(xiàn)了最低油位狀態(tài)，距離壓縮機(jī)底部90 mm左右，高于最低安全油位，主要原因是高溫制冷啟動(dòng)前的油溫較高，油的黏度變小，曲軸泵油量增加，氣體流量增加，排氣中油氣混合比例增加。進(jìn)一步對(duì)高溫制冷負(fù)荷進(jìn)行80%額定冷媒的回油試驗(yàn)驗(yàn)證，壓縮機(jī)油位高度距離壓縮機(jī)底部74 mm左右，高于最低安全油位。主要是冷媒減少的情況下制冷系統(tǒng)的流速降低，油溫進(jìn)一步升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排油率升高而回油相對(duì)困難。

對(duì)試驗(yàn)過程中不同油溫壓縮機(jī)排油進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明油溫的高低直接影響?zhàn)ざ鹊拇笮?，油溫高，黏度變小，流量增加，使壓縮機(jī)供油量增加，含油量增加，使?jié)櫥透嗟呐懦鰤嚎s機(jī)體外，而導(dǎo)致油池的潤滑油量減少，仿真結(jié)果顯示在油溫40 ℃時(shí)，曲軸入口的潤滑油為0.665 g/s，而油溫60 ℃為0.8703 g/s，在油溫70 ℃則快速上升到1.678 g/s。

潤滑油的黏度通常使用動(dòng)黏度進(jìn)行表示，其中動(dòng)粘度包括運(yùn)動(dòng)黏度ν及動(dòng)力黏度μ。動(dòng)力黏度受溫度和壓力的影響，滿足以下關(guān)系式：

式中 μ—— 溫度為t，計(jì)示壓強(qiáng)為p時(shí)的潤滑油動(dòng)力黏度 ,N·s/m2

μ0——溫度為t0，計(jì)示壓強(qiáng)為0 Pa時(shí)的潤滑油動(dòng)力黏度，N·s/m2

α——潤滑油粘壓指數(shù)

ρ——壓強(qiáng)

λ——潤滑油的黏溫指數(shù)

t,t0——時(shí)間

張也影指出液體黏度受壓強(qiáng)的影響較?。?2］，只有在壓強(qiáng)大于1×107Pa的情況下才考慮壓強(qiáng)的影響，而空調(diào)系統(tǒng)的壓力均低于1×107Pa，潤滑油的黏度主要受溫度的影響，故將上式簡化為：

因此，在相同的密度下，當(dāng)潤滑油的溫度升高時(shí)，無論是動(dòng)力黏度還是運(yùn)動(dòng)黏度均有明顯的下降。仿真結(jié)果和理論分析相符。

（2）15 m連接管，120%額定灌注量

回液指壓縮機(jī)運(yùn)行過程中蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑通過吸氣管路回到壓縮機(jī)，試驗(yàn)中判斷系統(tǒng)回液的量，大部分轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)主要通過吸氣過熱度和油溫過熱度的對(duì)比，吸氣過熱度要求大于0 ℃，油溫過熱度大于5 ℃，試驗(yàn)結(jié)果表明低溫制熱的油溫過熱度和吸氣過熱度最低，主要是由于系統(tǒng)的制冷劑蒸發(fā)不完全導(dǎo)致回液量增大，壓縮機(jī)在低溫情況下難以建立過熱度，在15 m連接管情況下，試驗(yàn)結(jié)果表明在120%額定冷媒情況下，系統(tǒng)在試驗(yàn)剖面的各個(gè)負(fù)荷下回液情況仍然符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 連接管長度對(duì)系統(tǒng)回油、回液的影響

在0 m落差高度，5 m連接管的條件下，已經(jīng)得出高溫制冷80%額定冷媒灌注量是系統(tǒng)最易缺油的條件，在該條件下，進(jìn)行不同連接管長度的應(yīng)力條件變化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著連接管長度的增加，制冷劑流速變慢，回油更加困難，油位呈逐漸下降的趨勢(shì)，在連接管加長到20 m的情況下壓縮機(jī)油位已經(jīng)低于最低安全油位要求，壓縮機(jī)處于缺油狀態(tài)，如圖4所示。在低溫制熱，120%額定灌注量、不同連接管條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明系統(tǒng)油溫過熱度、吸氣過熱度，在最長連接管30 m條件下最低，吸氣過熱度-0.5 ℃，油溫過熱度-1.5 ℃，不滿足可靠性設(shè)計(jì)要求的吸氣過熱度大于0 ℃，油溫過熱度大于5 ℃，變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖4 高溫制冷，80%額定灌注量工況下壓縮機(jī)油位隨連接管長的變化

圖5 低溫制熱工況下不同連接管長度時(shí)的過熱度變化

4 壓縮機(jī)可靠性問題改進(jìn)方案

針對(duì)高溫制冷80%額定冷媒灌注量，20 m以上長連接管的缺油問題，采取增加100 mL的潤滑油，壓縮機(jī)的吸油管，加長2 cm的措施，最終30 m最長連接管，在高溫制冷80%額定冷媒灌注量下壓縮機(jī)最低油位75 mm，高于安全油位，回油可靠性得到增長。

在低溫制熱，120%額定灌注量，在最長連接管30 m條件下吸氣過熱度-0.5 ℃，油溫過熱度-1.5 ℃，不滿足可靠性設(shè)計(jì)要求的吸氣過熱度大于0 ℃，油溫過熱度大于5 ℃問題，最有效的整改方式是減小電子膨脹閥的步數(shù)來提高過熱度和減少長連管的冷媒追加量，通過對(duì)30 m長連接管低溫制熱狀態(tài)下開機(jī)時(shí)電子膨脹閥的步數(shù)由205B降低到175B，每米冷媒追加量由18 g減少到10g，同時(shí)確認(rèn)過負(fù)荷制冷和制熱狀態(tài)下的排氣溫度符合可靠性要求，低溫制熱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的油溫過熱度提高到6.5 ℃，吸氣過熱度提高到1.5℃，滿足壓縮機(jī)可靠性設(shè)計(jì)要求，以上摸底試驗(yàn)需要在產(chǎn)品開發(fā)初期進(jìn)行，以便出現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行整改；

對(duì)于制冷劑泄漏，壓縮機(jī)繞組溫升的試驗(yàn)研究本文未進(jìn)行論述，由于其整改方案相對(duì)簡單，如果出現(xiàn)繞組溫升超標(biāo)影響壓縮機(jī)可靠性，可以通過過載保護(hù)器的選型，系統(tǒng)上增加制冷劑泄漏的判斷邏輯進(jìn)行改善。

5 結(jié)論

（1）本文提供了一種制冷空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)可靠性研究的綜合應(yīng)力試驗(yàn)方法，能夠在綜合試驗(yàn)應(yīng)力條件下，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行剖面，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行較為全面的可靠性摸底試驗(yàn)驗(yàn)證和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取糾正措施提高其固有可靠性。

（2）在制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的綜合試驗(yàn)應(yīng)力條件下，研究結(jié)果表明在高溫制冷80%額定冷媒灌注量，最長連接管狀態(tài)下最容易出現(xiàn)缺油狀態(tài)，并通過仿真分析模擬了不同油溫狀態(tài)下的壓縮機(jī)排油速率，為制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)回油可靠性提供實(shí)驗(yàn)和改善方向。

（3）研究結(jié)果表明在低溫制熱，120%額定灌注量，在最長連接管狀態(tài)下系統(tǒng)最容易出現(xiàn)回液問題，通過減小電子膨脹閥的步數(shù)和減少冷媒追加量，能夠提高油溫過熱度和吸氣過熱度，保證壓縮機(jī)回液可靠性。

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