文/珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司 李健 張洪鈺 余風(fēng)利

1 背景

根據(jù)空調(diào)市場(chǎng)調(diào)查，沙特向窗機(jī)用壓縮機(jī)需求居高不下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，開發(fā)高效的R410A冷媒沙特向壓縮機(jī)成為行業(yè)的大趨勢(shì)，是搶占市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。

2 基于TRIZ 的項(xiàng)目開發(fā)

根據(jù)市場(chǎng)需求，我們使用TRIZ工具對(duì)本次項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)。首先通過分析壓縮機(jī)COP值因素，COP=（q0/w0）×ηi×ηm×ηma。其中：q0：?jiǎn)挝毁|(zhì)量制冷量；w0：?jiǎn)挝毁|(zhì)量理論壓縮功；ηi：壓縮效率；ηm：機(jī)械效率； ηma：電機(jī)效率。

上述公式顯示：當(dāng)q0、w0一定時(shí)，壓縮機(jī)COP值取決于機(jī)械效率和電機(jī)效率。根據(jù)以上理論計(jì)算，故針對(duì)以上因素對(duì)本次項(xiàng)目進(jìn)行了確認(rèn)。同時(shí)，我們根據(jù)市場(chǎng)需求及發(fā)展前景，對(duì)本次研發(fā)的項(xiàng)目進(jìn)行了目標(biāo)設(shè)定，其主要目標(biāo)是研發(fā)一款高能效的壓縮機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行約束，要求其噪音、振動(dòng)和可靠性不受影響。

3 問題描述及功能導(dǎo)向

通過原始問題，我們使用IFR法，從子系統(tǒng)和超系統(tǒng)對(duì)問題進(jìn)行分析，并借用5W1H的方法對(duì)問題逐步分解，最終拆解出問題的根本，確認(rèn)功率高是導(dǎo)致壓縮機(jī)能效低的主要因素。故此，我們?cè)O(shè)定技術(shù)路線：從降低壓縮機(jī)泵體組件功率的途徑進(jìn)行分析，并結(jié)合理論計(jì)算公式：理論容積輸氣量：VH=π/4xD2xnx60（m3/h）；實(shí)際質(zhì)量輸氣量：Cn=λxVH/V1（Kg/h）；λ= λVx λtp，即輸氣系數(shù)大小影響實(shí)際輸氣量，即COP影響因素： λv、 λT、 λp、 λI。

λv=容積系數(shù)；

λT=溫度系數(shù)；

λp=泄漏系數(shù)；

λI=壓力系數(shù)。

確認(rèn)后，根據(jù)影響的因素，我們對(duì)其進(jìn)行功能導(dǎo)向搜索，主要根據(jù)以上的因素點(diǎn)從專利及論文進(jìn)行檢索，在本行業(yè)和其他領(lǐng)域的行業(yè)查詢，以此來(lái)找尋可借鑒的技術(shù)方案。

4 創(chuàng)新成果介紹

4.1 資源分析

分析方向：物質(zhì)、場(chǎng)、時(shí)間、空間、技術(shù)、功能和資產(chǎn)，根據(jù)以上可用的資源，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了資源分析，主要得出現(xiàn)有的資源。

使用工具：根據(jù)DFMEA工具，對(duì)本項(xiàng)目資源分析后進(jìn)行了Block框圖和Matrix矩陣?yán)L制，主要如下圖1和圖2。

圖1 Block框圖

圖2 Matrix矩陣

4.2 功能分析

根據(jù)以上的框圖和矩陣分析，我們對(duì)本項(xiàng)目的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相互作用分析，并根據(jù)此相互作用繪制了功能模型，主要如下所示：

根據(jù)以上功能分析，得出如下功率結(jié)論：

（1）氣缸內(nèi)壁對(duì)滾子外圓的導(dǎo)向功能不足導(dǎo)致容積效率低；

（2）上下法蘭、曲軸、滾子、滑片和氣缸之間摩擦，導(dǎo)致機(jī)械效率低；（如下圖）

（3）氣態(tài)冷媒在泵體腔內(nèi)的循環(huán)做功存在流阻，導(dǎo)致機(jī)械效率低；

（4）定量的氣態(tài)冷媒始終在泵體腔內(nèi)循環(huán)，冷媒在泵體腔內(nèi)產(chǎn)生的損失會(huì)導(dǎo)致容積效率低。

4.3 因果鏈分析

通過功能分析，我們確認(rèn)導(dǎo)致壓縮機(jī)能效低的原因主要是由于機(jī)械效率低和容積效率低產(chǎn)生的。針對(duì)以上兩個(gè)原因?qū)Ρ卷?xiàng)目進(jìn)行了因果鏈分析，得出如下10條末端因素，除了明顯的解不再使用TRIZ工具求解外，對(duì)其他末端因素使用TRIZ中的技術(shù)矛盾、物理矛盾、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、八大進(jìn)化法則等工具對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行求解。

4.4 方案求解

4.4.1 科學(xué)效應(yīng)庫(kù)

根據(jù)上述的功能分析和因果鏈分析，針對(duì)泵體組件機(jī)械效率低和容積效率低的問題，首先進(jìn)行科學(xué)效應(yīng)庫(kù)的查詢，建立HOWTO 模型主要如下：

?

根據(jù)上述模型，直接選擇方案如下：

方案一：采用記憶合金或類似材料代替現(xiàn)有材料，降低形變導(dǎo)致的摩擦力；

方案二：采用超導(dǎo)體或納米材料改善其熱膨脹等問題。

4.4.2 技術(shù)矛盾

（1）針對(duì)末端因素1：偏心量過大：減小曲軸偏心量，曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，減小曲軸與滾子的摩擦，泵體機(jī)械效率提高；偏心量減小，滾子外徑增大，壓縮容積減小。

要求：改善曲軸偏心量，導(dǎo)致：容積不足。通過分析，確認(rèn)惡化參數(shù)23：物質(zhì)損失；改善參數(shù)12：形狀；使用矛盾矩陣表，找出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理：35,29，03,05。設(shè)計(jì)方案三：局部質(zhì)量原理，偏心量不變減小曲軸偏心圓外徑，降低曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小曲軸與滾子的摩擦，提高機(jī)械效率，設(shè)計(jì)方案如下：

（2）針對(duì)末端因素2：閥座厚度過厚：減薄法蘭閥座的厚度，排氣余隙減小，增大排氣容積，泵體容積效率提高；閥座厚度減小，法蘭強(qiáng)度不足，易泄露。

要求：改善閥座厚度，導(dǎo)致：強(qiáng)度不足。

通過分析，確認(rèn)惡化參數(shù)14：強(qiáng)度；改善參數(shù)1：靜止物體的尺寸；使用矛盾矩陣表，找出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理：15,14,28,16。設(shè)計(jì)方案四：曲面化原理，閥座面設(shè)計(jì)為曲面，降低排氣阻力，減小排氣余隙，增大排氣容積，設(shè)計(jì)方案如下：

（3）針對(duì)末端因素3：閥片關(guān)閉慢：增大閥片根部寬度，閥片減短，排氣阻力小，排氣順暢，閥片打開速度快。

閥片貼合擋板，回復(fù)慢，逆流增加，泄露增加。

要求：改善閥片重量，導(dǎo)致：泄露增加。

通過分析，確認(rèn)惡化參數(shù)23：物質(zhì)損失；改善參數(shù)11：運(yùn)動(dòng)物體的重量；使用矛盾矩陣表，找出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理：05、35,03,31。設(shè)計(jì)方案五：多孔材料原理，擋板頭部加孔，緩沖撞擊速度，減緩吸附時(shí)間，設(shè)計(jì)方案如下：

4.4.3 物理矛盾

（1）針對(duì)末端因素4：氣缸吸氣口大小直接影響吸氣角度。

通過分析，存在問題氣缸吸氣口越大，吸氣阻力越小，吸氣脈動(dòng)越小，壓縮機(jī)COP越高；氣缸吸氣口越小，吸氣關(guān)閉角度越小，有效壓縮越高；

根據(jù)以上分析，使用空間分離進(jìn)行求解。

設(shè)計(jì)方案六：U型口氣缸，實(shí)現(xiàn)大吸氣口，小吸氣關(guān)閉角，設(shè)計(jì)方案如下：

（2）針對(duì)末端因素5：氣氣缸排氣角度大小直接影響有效行程。

通過分析，存在問題：氣缸滑片槽越小，有效行程越長(zhǎng)，壓縮容積越大，壓縮機(jī)COP越高；氣缸滑片槽越小，排氣開始角度越小，有效壓縮越高。

根據(jù)以上分析，使用空間分離進(jìn)行求解，設(shè)計(jì)方案七：小槽寬氣缸，實(shí)現(xiàn)小月牙槽，小排氣開始角，設(shè)計(jì)方案如下：

4.4.4 物場(chǎng)分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

（1）曲軸與法蘭之間形成滑動(dòng)副，曲軸在摩擦力作用下，磨損法蘭內(nèi)孔和表面，造成機(jī)械能損失，不利于能效的提高。

利用76種標(biāo)準(zhǔn)解的解答步驟，尋找出四種可用標(biāo)準(zhǔn)解：

第一，通過引入外部物質(zhì)消除有害關(guān)系

第二，通過改變現(xiàn)有物質(zhì)消除有害關(guān)系

第三，通過消除場(chǎng)的有害作用消除有害關(guān)系

第四，采用場(chǎng)抵消有害關(guān)系。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，直接設(shè)計(jì)如下方案：

方案八：:在滑動(dòng)副之間添加潤(rùn)滑油，將曲軸和法蘭分隔開，避免磨損。

方案九:改變曲軸，曲軸進(jìn)行小軸化改進(jìn)減小摩擦。

方案十:曲軸嵌套滾柱與法蘭配合，將滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，消除場(chǎng)的有害作用，減小摩擦。

方案十一:引入磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)分離運(yùn)動(dòng)避免磨損。

（2）氣缸與滑片之間形成滑動(dòng)副，滑片在摩擦力作用下，磨損氣缸滑片槽，造成機(jī)械能損失，不利于能效的提高。

利用76種標(biāo)準(zhǔn)解的解答步驟，尋找出三種可用標(biāo)準(zhǔn)解：

第一，通過引入外部物質(zhì)消除有害關(guān)系

第二，通過改變現(xiàn)有物質(zhì)消除有害關(guān)系

第三，通過消除場(chǎng)的有害作用消除有害關(guān)系

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，直接設(shè)計(jì)如下方案：

方案十二：在滑動(dòng)副之間添加滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，將滑片和氣缸分隔開，由面滑動(dòng)變?yōu)榫€滑動(dòng)摩擦，減小摩擦。

方案十三：改變滑片材質(zhì)，滑片進(jìn)行耐磨涂層，減小摩擦。

方案十四：取消滑片與滑片槽配合，采用葉片式結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)。

4.4.5 進(jìn)化法則

(1針對(duì)末端因素7：下消音器容積小：增大下消音器容腔，排氣阻力減小，泵體機(jī)械效率提高。

下消音器容積增大，下消音器高度增加，不易裝配。

要求：加大下消音器容積，導(dǎo)致：高度增加，不易裝配。

設(shè)計(jì)方案十五：選用協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則中的“形狀變化進(jìn)化路線”：增大下消音器容積的同時(shí)，不增加下消音器的高度，設(shè)計(jì)方案如下：

（2）針對(duì)末端因素8：滑片與滾子的接觸面積大：減小滾子與滑片的摩擦，降低壓縮做功，泵體機(jī)械效率提高。

滑片接觸面積減小，影響可靠性，可能產(chǎn)生脫離導(dǎo)致噪音大。要求：減小滑片與滾子的接觸面積，導(dǎo)致：可靠性不足。

設(shè)計(jì)方案十六：選用協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則中的“形狀變化進(jìn)化路線”：減小接觸面積的同時(shí)，不影響可靠性，設(shè)計(jì)方案如下：

4.5 方案甄選

將以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行匯總，并邀請(qǐng)公司專業(yè)人員將對(duì)其可行性五維度和侵權(quán)判定三維度進(jìn)行打分，得出結(jié)論主要如下：

根據(jù)以上打分判定，采用方案1，2，3，4，6，11，12設(shè)計(jì)壓縮機(jī)泵體零件，將各個(gè)方案的泵體零件組裝構(gòu)成泵體組件及壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)高效泵體結(jié)構(gòu)的開發(fā)選擇方案如下：

曲面排氣閥座；

閥片擋板頭部加孔，減短閥片；

U型、小槽吸氣口；

曲軸短軸、偏心圓變小；

三旁瓣大消音器；

斜面滑片。

以上方案經(jīng)過模擬計(jì)算及流體仿真，均確認(rèn)方案可行，且方案設(shè)計(jì)完成后，我們將其裝配成壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其壓縮機(jī)能效COP達(dá)成目標(biāo)，并且噪音、振動(dòng)及可靠性均未惡化，滿足目標(biāo)設(shè)定時(shí)的約束條件。

4.6 專利產(chǎn)出

本次項(xiàng)目累計(jì)產(chǎn)出11項(xiàng)專利：

專利號(hào) 專利名稱 類型201810765801.5 一種壓縮機(jī)組件及其空調(diào)系統(tǒng) 發(fā)明201810973462.X 泵體組件及壓縮機(jī) 發(fā)明CN208456863 U 一種法蘭、壓縮機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)實(shí)用新型CN208595065 U 一種壓縮機(jī)構(gòu)及壓縮機(jī) 實(shí)用新型CN208595067 U 一種法蘭組件及壓縮機(jī) 實(shí)用新型CN208763903 U 曲軸及壓縮機(jī) 實(shí)用新型CN208651089 U 一種壓縮機(jī)的消音器及壓縮機(jī)實(shí)用新型201810967085.9 壓縮機(jī)的安裝機(jī)構(gòu) 發(fā)明201810924969.6 一種支架及具有該支架的壓縮機(jī) 發(fā)明201811076837.9 一種排氣閥片組件及壓縮機(jī) 發(fā)明201811179573.X 發(fā)明一種具有吸氣止回閥結(jié)構(gòu)的氣缸及其控制方法、壓縮機(jī)

5 成果效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益：年產(chǎn)量達(dá)30萬(wàn)臺(tái)以上，至2018年10月底，應(yīng)用該技術(shù)后產(chǎn)品降低成本約600萬(wàn)元/年，為公司創(chuàng)造了巨額的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）成果推廣：已應(yīng)用于我司C49系列壓縮機(jī)，并推廣至C48、C52和C55等其他系列的壓縮機(jī)，形成一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。