耿葵花，閆琛，韋為，雷悅，石冬宇

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430000；3.瑞聲科技(南寧)有限公司， 廣西 南寧 530031)

0 引言

滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)[1]?；菨L動(dòng)活塞壓縮機(jī)內(nèi)部的重要零件，它安裝在滑槽內(nèi)，一端連接背壓彈簧，另一端與滾動(dòng)活塞接觸，將氣缸內(nèi)部工作腔分為壓縮腔和吸氣腔[2]。壓縮機(jī)工作過程中滑片在滑槽中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將直接影響壓縮機(jī)的工作效率、能耗損失、密封性能等。

YANAGISAWA等[3]利用動(dòng)力學(xué)方程對(duì)滑片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了理論分析，并通過實(shí)驗(yàn)描述了活塞與滑片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨后，WU[4]通過實(shí)驗(yàn)得出了滑片-滾動(dòng)活塞摩擦副的摩擦系數(shù)，為計(jì)算提供了基本參數(shù)。韋為等[5]運(yùn)用LuGre模型進(jìn)行了滑片摩擦力的測試實(shí)驗(yàn)，為分析滑片運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)提供了幫助。LEE等[6]通過研究滑片與活塞在不同相對(duì)滑動(dòng)速度、法向載荷以及表面粗糙度的相互磨損情況，提出了延長滑片和滾動(dòng)活塞使用壽命的有效方案?；c滾動(dòng)活塞間存在潤滑油膜，因此CHO等[7]使用Newton-Raphson方法分析了滑片和滾動(dòng)活塞之間的彈性流體動(dòng)力潤滑特性。此外，鄭賢等[8]和GENG等[9]對(duì)滑片的二階運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，為滑片的運(yùn)動(dòng)特性及潤滑狀態(tài)分析提供了新的思路，并預(yù)測了滑片脫空的可能性。葉學(xué)民等[10]也認(rèn)為類似流體機(jī)械葉片頂端間隙特性需要深度研究。

為避免滑片與滾動(dòng)活塞的分離對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生影響，徐喬等[11]從滑片運(yùn)動(dòng)及受力分析著手，討論了變頻情況下彈簧剛度系數(shù)的選取問題，并開展了滑片脫空研究。XU等[12]發(fā)現(xiàn)增大氣缸高度可減小滑片與滾動(dòng)活塞間的磨損量。GU等[13]設(shè)計(jì)的新型滑片-滾動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)可使滑片與滾動(dòng)活塞間的摩擦損耗降低0.25%。此外，MELIH等[14]研究的新型鉸鏈?zhǔn)綕L動(dòng)壓縮機(jī)、何志龍等[15]研究的擺動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)均可避免滑片脫空。

彈簧剛度對(duì)滑片的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，過大的彈簧剛度會(huì)增大滑片與滾動(dòng)活塞的摩擦損耗，影響機(jī)械效率；過小的彈簧剛度則可能使滑片與滾動(dòng)活塞發(fā)生分離和碰撞，導(dǎo)致工質(zhì)從高壓的壓縮腔竄逸至低壓的吸氣腔，影響容積效率。當(dāng)前，減摩防漏是滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)亟待解決的重要課題，同時(shí)也是節(jié)能降耗和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的需要。因此合理選擇彈簧剛度是壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。為了探明彈簧剛度對(duì)滑片運(yùn)動(dòng)的影響，本文建立了滑片運(yùn)動(dòng)可視化觀測平臺(tái)，利用高速攝影技術(shù)和圖像處理手段，對(duì)滑片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化觀測，獲取了滑片不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)信息。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)圖片的對(duì)比分析，觀察到壓縮機(jī)滑片與活塞從正常接觸到脫離，隨后由脫離到重新接觸的過程，并分析影響滑片脫空的因素，為滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 滑片脫空的定義

隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，如果滑片所受的合外力提供的加速度無法使滑片位移跟上滾動(dòng)活塞位移，滑片將與滾動(dòng)活塞分離，即滑片脫空。圖1所示為滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，O為氣缸中心，O1為滾動(dòng)活塞中心，正常情況下滑片3在彈簧力及活塞推力作用下沿滑槽做往復(fù)運(yùn)動(dòng)并緊壓滾動(dòng)活塞4外輪廓，如圖1(a)所示；當(dāng)滑片脫空后，滑片與滾動(dòng)活塞分離，如圖1(b)所示；當(dāng)滑片3與滾動(dòng)活塞4再次接觸時(shí)發(fā)生碰撞。

(a) 滑片正常情況下的結(jié)構(gòu)簡圖

2 滑片脫空-碰撞觀測實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

滑片脫空-碰撞觀測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由高速攝影儀5、伺服電機(jī)7、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器8、計(jì)算機(jī)9、壓縮機(jī)等效裝置6等部分組成，可分為動(dòng)力系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)和供油系統(tǒng)3部分；等效裝置的動(dòng)力由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸提供；光源放置在等效裝置的兩側(cè)，高速攝影儀自上而下對(duì)等效裝置進(jìn)行拍攝，并將滑片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以圖像形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；在彈簧伸出等效裝置缸體處設(shè)計(jì)了進(jìn)油和排油兩個(gè)通道，進(jìn)油管4連接蠕動(dòng)泵1向腔體內(nèi)泵油，排油管連接濾油器3向油缸2排油。實(shí)驗(yàn)使用的潤滑油為天成美加(TOMA)機(jī)械潤滑油，按照國際統(tǒng)一粘度梯度標(biāo)準(zhǔn)采用22#潤滑油，該潤滑油動(dòng)力粘度為0.018 8 N·s/m2?；\(yùn)動(dòng)觀測系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示，所用主要儀器設(shè)備參數(shù)見表1。

1.蠕動(dòng)泵; 2.油缸; 3.濾油器; 4.進(jìn)油管; 5.高速攝影儀; 6.壓縮機(jī)等效裝置; 7.伺服電機(jī); 8.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器; 9.計(jì)算機(jī)圖2 滑片脫空-碰撞觀測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of vane seperation-collision observation

1.LED燈; 2.高速攝影機(jī); 3.滑片; 4.滾動(dòng)活塞; 5.壓縮機(jī)等效裝置; 6.壓縮機(jī)氣缸; 7.機(jī)架圖3 滑片運(yùn)動(dòng)觀測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of vane movement observation system

表1 主要儀器設(shè)備參數(shù)Tab.1 Main instrument and equipment parameters

2.2 脫空距離Δδ計(jì)算方法

為了便于后續(xù)圖像處理，須對(duì)滑片位置進(jìn)行標(biāo)記并確定脫空距離計(jì)算方法。圖4為實(shí)驗(yàn)觀測方法示意圖，圖4中滑片上的紅點(diǎn)即為標(biāo)記點(diǎn)。設(shè)滑片到滾動(dòng)活塞的脫空間隙為Δδ,缸體半徑為R，滑片伸出滑槽長度為x，單位均為mm，X2為滑片上標(biāo)記點(diǎn)與滑片端點(diǎn)的距離，經(jīng)測量X2為0.4 mm，間隙Δδ可由式(1)計(jì)算：

Δδ=R-x-X1-X2。

(1)

2.3 偏心主軸起始角校準(zhǔn)

為了能夠在圖像處理時(shí)找到起始位置圖片，需要找準(zhǔn)偏心主軸起始角(即轉(zhuǎn)角0°)的位置。圖5所示為轉(zhuǎn)角0°定位示意圖。如圖5所示，滑片上升至最高位置時(shí)，偏心主軸轉(zhuǎn)角為0°，即為起始角度，在滾動(dòng)活塞上標(biāo)示藍(lán)色線段，當(dāng)藍(lán)色線段的軸線與滑片標(biāo)記點(diǎn)共線時(shí)偏心主軸轉(zhuǎn)角即為0°。

圖4 實(shí)驗(yàn)觀測方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental observation method

圖5 轉(zhuǎn)角0°定位示意圖Fig.5 Schematic diagram of 0 ° angle positioning

圖6 滑片發(fā)生脫空后的動(dòng)力學(xué)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic model after vane seperation

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

滑片與滾動(dòng)活塞分離后，由于兩腔壓力差的存在，壓縮腔內(nèi)的氣體泄漏至吸氣腔。圖6所示為滑片發(fā)生脫空后的動(dòng)力學(xué)模型示意圖。如圖6所示，滑片發(fā)生脫空后的動(dòng)力學(xué)模型可用一個(gè)單自由度的彈簧阻尼來表示。圖6中Ft為滾動(dòng)活塞之間的摩擦力，F(xiàn)k0為初始背部彈簧力，F(xiàn)c為背部氣體壓力,c為滑片與滑槽間的摩擦阻尼系數(shù)。

由于滑片與滑槽的間隙大小通常在微米級(jí)別，因此忽略滑片橫向運(yùn)動(dòng)?；摽蘸蟮倪\(yùn)動(dòng)微分方程可由下式表示：

式中，F(xiàn)ΔP為滑片背部和缸內(nèi)壓差形成的合力，N；x1為滑片脫空后的位移，mm。由公式(2)可知滑片脫空與彈簧剛度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素有關(guān)。表2為實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)因素的水平值。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先對(duì)滑片位置進(jìn)行標(biāo)記并校準(zhǔn)轉(zhuǎn)角0°；其次按照實(shí)驗(yàn)因素水平表的組合工況依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，每個(gè)組合工況通過高速攝影系統(tǒng)拍攝至少3組照片；最后將照片通過MATLAB軟件中的自編程序進(jìn)行圖像識(shí)別及后處理；最終得到滑片在單個(gè)工作周期內(nèi)的位移、速度和加速度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)各因素水平表Tab.2 Table of experimental factors

2.5 圖像處理方法

圖像處理流程示意圖如圖7所示。首先根據(jù)偏心主軸0°位置選擇壓縮機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期的圖像導(dǎo)入MATLAB軟件；其次利用自編程序提取每一幀標(biāo)記的質(zhì)心坐標(biāo)；最后根據(jù)得到的標(biāo)記點(diǎn)像素坐標(biāo)，利用公式(1)計(jì)算得到滑片脫空間隙大小。圖片像素點(diǎn)的顏色信息以R、G、B三個(gè)數(shù)值儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，通過設(shè)定合理的閾值對(duì)圖片做二值化處理，提取原始圖片中標(biāo)記點(diǎn)。

(a) 二值化處理

(b) 質(zhì)心提取

3 結(jié)果與討論

3.1 脫空-碰撞現(xiàn)象

圖8為彈簧剛度70 N/m，轉(zhuǎn)速600 r/min工況下，一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一定角度后截取的圖像。由圖8中可以看出，當(dāng)θ<40°時(shí)滑片均與滾動(dòng)活塞密切接觸；當(dāng)θ=40°時(shí)滑片和滾動(dòng)活塞發(fā)生分離，隨著轉(zhuǎn)角增大，滑片與滾動(dòng)活塞之間的間隙Δδ逐漸加大，此時(shí)吸氣腔和壓縮腔連通，氣體從高壓腔竄逸至低壓腔；當(dāng)θ=200°時(shí)滑片與滾動(dòng)活塞碰撞，腔體內(nèi)部重新形成密封的吸氣腔和壓縮腔。

(a) θ=0°,Δδ=0

(f) θ=180°,Δδ=0.52

3.2 脫空間隙Δδ

圖9所示為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，不同彈簧剛度的間隙Δδ變化曲線，隨著彈簧剛度的增大，同一角度下脫空間隙Δδ減小，即提高彈簧剛度可有效抑制滑片的脫空。圖10所示為彈簧剛度70N/m時(shí)，不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的間隙Δδ變化曲線，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，同一角度下脫空間隙Δδ增大，即減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也可抑制滑片脫空。從圖9和圖10可看出，滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)內(nèi)部存在滑片脫空與碰撞。可將整個(gè)脫空過程分為5個(gè)階段：接觸階段、脫空臨界、脫空階段、碰撞臨界和再接觸階段。各工況下滑片與滾動(dòng)活塞之間的脫空間隙Δδ最大值見表3。

圖9 不同彈簧剛度下脫空間隙的變化曲線(n=1 000 r/min)Fig.9 Variation curve of clearance of separation under different spring stiffness

圖10 不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下脫空間隙的變化曲線(k=70 N/m)Fig.10 Variation curve of clearance of separation under different rotor speeds

表3 各工況下滑片與滾動(dòng)活塞之間的脫空間隙最大值

3.3 滑片速度分析

圖11所示為滑片速度實(shí)驗(yàn)曲線圖，其中前4條曲線為k=70 N/m時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的速度曲線；后4條曲線為k=360 N/m時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的速度曲線。由圖11可知當(dāng)k=360 N/m時(shí)，滑片運(yùn)動(dòng)速度曲線類似于正弦函數(shù)，符合往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，此時(shí)未發(fā)生脫空，因此增大彈簧剛度可抑制脫空發(fā)生；當(dāng)k=70 N/m時(shí)，速度曲線先保持水平之后發(fā)生突變，表明滑片發(fā)生脫空，在滑片與滾動(dòng)活塞再次接觸后，速度曲線又回到正弦函數(shù)狀態(tài)。如圖11中前4條曲線所示，脫空起始角度均位于滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)角60°之前，脫空開始后滑片速度先勻速、后逐漸減??；將短時(shí)間內(nèi)速度曲線發(fā)生劇烈變化視作滑片與滾動(dòng)活塞碰撞，滑片脫空后均發(fā)生一次碰撞，個(gè)別實(shí)驗(yàn)組別中出現(xiàn)多次碰撞；彈簧剛度相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大滑片碰撞時(shí)的速度變化越劇烈；轉(zhuǎn)速越小速度曲線更快恢復(fù)正弦曲線，因此降低轉(zhuǎn)速可抑制脫空發(fā)生。

3.4 滑片加速度分析

圖12所示為滑片加速度實(shí)驗(yàn)曲線圖，圖12中虛線為k=70 N/m時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的加速度曲線；實(shí)線為k=360 N/m時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的加速度曲線。從圖12中可知當(dāng)k=360 N/m時(shí)，加速度曲線較為平緩，無突變情況，結(jié)合圖11可知，此時(shí)滑片未發(fā)生脫空行為；k=70 N/m時(shí)，加速度曲線變化較為明顯，有突變情況，結(jié)合圖11可知，此時(shí)滑片發(fā)生脫空，脫空發(fā)生后隨著彈簧力的衰減，加速度的值緩慢減小到0附近，直到滑片與滾動(dòng)活塞再接觸之后，加速度曲線回歸正常狀態(tài)。

圖11 滑片速度實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig.11 Experimental curve of vane velocity

圖12 滑片加速度實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig.12 Experimental curve of vane acceleration

滑片與滾動(dòng)活塞碰撞后在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的反向沖擊，滑片加速度曲線突變的峰值可以間接反映碰撞的劇烈程度，突變的最大值達(dá)到180 m/s2。當(dāng)彈簧剛度一定時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，滑片加速度突變越劇烈，滑片與滾動(dòng)活塞碰撞時(shí)間越滯后，表4為滑片開始脫空角度的實(shí)驗(yàn)值,表5為滑片碰撞角度的實(shí)驗(yàn)值，表6為滑片脫空角的實(shí)驗(yàn)值，脫空角為碰撞角度減去脫空起始角度，脫空角的大小反映了脫空過程的持續(xù)時(shí)長。

表4 滑片脫空起始角度的實(shí)驗(yàn)值Tab.4 Experimental values of initial separation angle and collision angle of vane (°)

表5 滑片碰撞角度的實(shí)驗(yàn)值Tab.5 Experimental values of collision angle of vane (°)

表6 滑片脫空角的實(shí)驗(yàn)值Tab.6 Experimental values of separation angle of vane (°)

5 結(jié)論

為探明滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)彈簧剛度對(duì)滑片運(yùn)動(dòng)的影響，利用自主設(shè)計(jì)的滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)等效裝置，通過高速攝影技術(shù)觀測壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾動(dòng)活塞與滑片間隙的動(dòng)態(tài)變化過程，得到如下結(jié)論：

① 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：滑片與滾動(dòng)活塞之間有可能發(fā)生脫空，并產(chǎn)生明顯的間隙?？蓪⒚摽者^程分為接觸階段、脫空臨界、脫空階段、碰撞臨界和再接觸階段5個(gè)過程。

② 本文利用高速攝影技術(shù)和MATLAB軟件獲得了滑片脫空下不同時(shí)刻的速度和加速度曲線。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和彈簧剛度是影響脫空的兩個(gè)重要因素。相同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，彈簧剛度越小滑片的脫空持續(xù)時(shí)間越長，脫空角越大；同樣，相同彈簧剛度下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快滑片的脫空持續(xù)時(shí)間越長，脫空角也越大。滑片一旦與滾動(dòng)活塞發(fā)生脫空，將在脫空結(jié)束時(shí)與滾動(dòng)活塞至少發(fā)生一次碰撞，碰撞的劇烈程度取決于二者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和彈簧剛度。增大彈簧剛度或降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均可阻礙滑片脫空。

③ 在滑片脫空實(shí)驗(yàn)觀測系統(tǒng)中僅構(gòu)建了滑片慣性力、彈簧力和滑片-滑槽摩擦力的作用，未考慮滑片受到氣體力的作用，因此實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果與實(shí)際壓縮機(jī)中滑片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可能存在一定偏差。實(shí)際中滑片不僅受到高壓腔側(cè)的氣體力，還受到彈簧方向的氣體背壓力，高壓腔側(cè)的氣體力可能會(huì)導(dǎo)致滑片與滑槽之間的摩擦力增大，增大的摩擦力將促進(jìn)滑片脫空；而氣體背壓力則有助于滑片緊貼滾動(dòng)活塞，阻止滑片脫空。