姜本剛 孫東浩

摘 要：轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是空調(diào)的核心，軸承則是轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)其可靠性具有決定性作用。文章分析了壓縮機(jī)的磨損狀態(tài)，針對(duì)軸承磨損現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了一款由傳統(tǒng)軸承與軸套共同組成的新型耐磨軸承組件，并設(shè)計(jì)對(duì)比耐久實(shí)驗(yàn)，通過運(yùn)轉(zhuǎn)壽命說明了該軸承組件的優(yōu)越性能，能夠用于應(yīng)對(duì)制冷系統(tǒng)在嚴(yán)苛工況不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子壓縮機(jī);耐磨軸承組件;軸套

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）01-089-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.038

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)[1]，隨著制冷行業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)一步拓展了轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)其性能、可靠性提出了更高的要求[2]。尤其在應(yīng)用于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的管路配管較長(zhǎng)及內(nèi)外機(jī)之間高度差較大，易造成管路存油，導(dǎo)致壓縮機(jī)回油困難，對(duì)其可靠性帶來不良影響。作為轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的核心部件，軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)良直接決定了壓縮機(jī)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)耐磨軸承應(yīng)對(duì)制冷系統(tǒng)在惡劣工況條件下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是有必要的。

1 耐磨軸承設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)曲軸為泵輸入壓縮動(dòng)力，泵體吸入蒸發(fā)器的低溫低壓氣體經(jīng)壓縮后排出高溫高壓冷媒氣體，然后進(jìn)入冷凝器，經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器，形成閉環(huán)回路，其中壓縮機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供冷媒循環(huán)動(dòng)力。泵體上下端蓋不僅起到密封壓力腔及排氣作用，而且也是支承軸系穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，其中主軸承也是泵體連接外殼的關(guān)鍵固定零件。因此，軸承的設(shè)計(jì)要點(diǎn)即為內(nèi)徑、外徑、排氣孔徑等相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)。一般來說，軸承材料為灰鑄鐵，曲軸材料為耐磨鑄鐵，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承內(nèi)徑與曲軸外徑間形成動(dòng)壓油膜，從而起到潤(rùn)滑作用。為了提升耐磨性，曲軸會(huì)進(jìn)行磷化處理，但軸承內(nèi)徑?jīng)]有特殊處理?？照{(diào)系統(tǒng)實(shí)際的安裝條件、運(yùn)行工況多樣等會(huì)影響壓縮機(jī)的正?；赜停瑥亩斐蓧嚎s機(jī)長(zhǎng)時(shí)間少油運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)不足以形成良好的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致軸承與曲軸異常磨損甚至咬合破壞，嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)直至損壞并停機(jī)。

通過實(shí)際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)軸承磨損現(xiàn)象主要表現(xiàn)為兩方面，軸承的內(nèi)徑異常磨損及曲軸磷化層破壞露出金屬光面。鑒于曲軸采取磷化對(duì)策已提升了本身的耐磨性，擬定優(yōu)化方向?yàn)榻档洼S承內(nèi)徑的摩擦系數(shù)?，F(xiàn)有軸承內(nèi)徑為珩磨加工，摩擦系數(shù)已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)有加工能力的最小值，因此，現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)已基本沒有改善空間，可以借鑒大型滑動(dòng)軸承內(nèi)部的軸瓦結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)上軸承內(nèi)徑設(shè)計(jì)增加軸套形成新型上軸承組件結(jié)構(gòu)，軸套如圖1所示，新型上軸承組件如圖2所示。設(shè)計(jì)軸套的目的是，在保證軸承功能的前提下，降低軸承與曲軸相互之間的磨損。因此，軸套本身應(yīng)具有很低的摩擦系數(shù)及與曲軸具有很好的兼容性。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸相對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)，如果軸套安裝不良，配合面之間的油膜作用力會(huì)帶動(dòng)軸套旋轉(zhuǎn)，包括內(nèi)徑加工過程中也是類似，從而造成軸承失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)軸系傾斜致劇烈磨損。因此，軸套材料應(yīng)與金屬基材具有良好的附著力，保證軸套與軸承間的配合可靠。一般壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的排氣溫度在80℃～120℃之間，因此耐熱性是軸套設(shè)計(jì)必須考慮的性能參數(shù)，熱膨脹系數(shù)須等于或高于金屬基材，從而進(jìn)一步確保軸套與軸承間的過盈配合[3]。制冷系統(tǒng)因清潔度等問題，易造成內(nèi)部冷凍機(jī)油呈酸性[3]，對(duì)壓縮機(jī)零部件的耐腐蝕性提出了很高的要求，所以軸套必須具有較強(qiáng)的耐腐蝕性[4]。另外，同時(shí)需考慮軸套材質(zhì)的可加工性、經(jīng)濟(jì)性、存放條件要求、吸油狀態(tài)等。綜上，選取某非金屬材料作為軸套的使用材料。為實(shí)現(xiàn)軸套功能的同時(shí)保證壓縮腔的密封，軸套不應(yīng)探出軸承大端面，因此軸套的長(zhǎng)度尺寸需略小于軸承高度;因曲軸外徑尺寸一定，軸套的內(nèi)徑即已確定，為了保證軸套的使用強(qiáng)度，需具有足夠的厚度。通過設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核，并設(shè)計(jì)軸承組件強(qiáng)度確認(rèn)試驗(yàn)，通過理論與實(shí)際反復(fù)校核確認(rèn)，設(shè)定外徑尺寸。

加工方面，通過實(shí)際加工試驗(yàn)件驗(yàn)證確認(rèn)最優(yōu)加工進(jìn)給速度，將軸套壓入已粗加工完成的軸承內(nèi)徑，然后選用通用刀具對(duì)軸套內(nèi)徑進(jìn)行精加工，最后進(jìn)行內(nèi)徑上油溝的加工。其中，因配合面油膜需要及考慮到軸套材質(zhì)較脆，須先進(jìn)行倒角，后進(jìn)行油溝加工，否則極易造成軸套在進(jìn)刀及退刀交界面“缺肉”，影響軸套的應(yīng)用性能。整個(gè)加工過程需嚴(yán)格保證軸套的完成性，加工完成后肉眼確認(rèn)工件是否有裂痕甚至破損，避免碎屑進(jìn)入泵體導(dǎo)致壓縮機(jī)缸體卡死。

2 軸承的耐磨性驗(yàn)證

進(jìn)行裝機(jī)驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，從而驗(yàn)證該新型軸承組件的耐磨性。

選取同一典型產(chǎn)品，設(shè)定三個(gè)裝機(jī)方案（方案一：正常機(jī)型;方案二：上軸承有軸套，下軸承正常;方案三：上、下軸承均有軸套），每個(gè)方案試制3臺(tái)樣機(jī)，均注入800ml的冷凍機(jī)油（該機(jī)型的正常注油量是2100ml），并分別抽檢一臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試。數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案二樣機(jī)的測(cè)試功率低于方案一約2%，方案三樣機(jī)的功率更低，說明軸套的潤(rùn)滑性較好。利用空調(diào)外機(jī)、銅管、節(jié)流閥、熱電偶、變頻器等搭建小循環(huán)耐久試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)定相同的高轉(zhuǎn)速90rps及相同加速耐久壓力工況，將9臺(tái)搭載樣機(jī)的試驗(yàn)平臺(tái)放置在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)并注入相同的冷媒量，保證環(huán)境溫度也相同，定期記錄各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，直至壓縮機(jī)損壞，統(tǒng)計(jì)并對(duì)比運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

對(duì)比壽命數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方案三的耐磨性最優(yōu)，方案二次之。解體分析發(fā)現(xiàn)，方案一的3臺(tái)樣機(jī)均是上軸承與曲軸咬合抱死;方案二的樣本3的下軸承內(nèi)徑異常磨損，推測(cè)是大量磨損產(chǎn)生的金屬碎屑落入缸體導(dǎo)致泵體卡死，3個(gè)樣本的上軸的軸套狀態(tài)完好無損;方案三的上下軸承的軸套狀態(tài)均完好，推測(cè)異物導(dǎo)致樣本2泵體異?？ㄋ?，造成停機(jī)。綜上，新型軸承具有很好的耐磨性?？紤]產(chǎn)品成本因素，僅上軸承內(nèi)徑配置軸套結(jié)構(gòu)即可滿足使用需求，因此上述方案二為最優(yōu)方案。

3 結(jié)語

文章通過分析轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的磨損形式及相關(guān)零件目前的技術(shù)性能，推導(dǎo)出改善磨損的優(yōu)化方向，并詳細(xì)分析了改善的技術(shù)路線，導(dǎo)入非金屬材質(zhì)的軸套，將其與傳統(tǒng)軸承組合成一款新型耐磨軸承組件，并通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了該新型軸承組件具有非常好的耐磨性能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李祥松，孫建章.滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)主軸承變形泄漏分析[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（05）：74-76.

[2] 胡余生，徐嘉，任麗萍.轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)軸承載荷計(jì)算方法研究[J].制冷技術(shù)，2016，36（01）：46-49.

[3] 周國(guó)民，趙家瑤.固體潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的研究[J].潤(rùn)滑與密封，1988（01）：63-68.

[4] 唐正剛.從空調(diào)壓縮機(jī)故障分析談空調(diào)設(shè)備的維護(hù)[J].設(shè)備管理與維修，2019（23）：75-76.