提高旋轉式壓縮機可靠性的措施

2022-09-22 03:18:02 字數 5039 閱讀 3853

壓縮機是空調器的主機,有如人的心臟。空調器的效能、可靠性以及長達10年以上的執行壽命,必須由壓縮機來保證。如何來提高作為主機—壓縮機的可靠性,一直是製冷業界關注的問題,。

1. 旋轉式壓縮機屬高精度、小型動力機械。機芯內部高、低壓通道完全靠間隙、油膜密封,各滑動間的磨擦也是靠間隙中形成的油膜來潤滑,以減少磨耗,保證可靠性,延長使用壽命。

1.1 保持機芯滑動件間均勻而細小的間隙是提高壓縮機效能與可靠性的前提條件。

1.1.1 氣缸滑片槽與滑片的間隙。

產品圖規定一般壓縮機二者的間隙為20~30μm,小型高速變頻壓縮機可縮小至15~20μm。工藝上要求滑片能以自由落體的方式,通過滑片槽,以證明二者間隙均勻。目的在實現:

滑片槽既能引導滑片自由上下移動與滾動活塞、氣缸壁一起組成吸排氣腔並實行密封,又為形成高壓油膜,保證潤滑、降低磨耗提高可靠性,創造條件。但是傳統的製造工藝是用三點焊接的方法將氣缸與殼體連線起來的。三點焊的熱應力導致殼體收縮形成對氣缸滑片槽的擠壓,使滑片槽產生變形。

這不僅影響到二者配合間隙的均勻,甚至可出現卡死滑片的故障。分析變形影響因素:與氣缸結構、材質、三點焊工藝狀況、及機芯與殼體的連線方式有關。

傳統的斧形氣缸(圖1)焊後變形最大,特別是當材質強度低(如採用金屬型共晶鑄件時),三點焊引數選擇不當,三點引數不均

一、時間不同步時,其變形量甚至可高達15μm以上。我曾見過乙個工廠三點焊後有1/3以上的壓縮機因卡死滑片而下線。壓力上首先對氣缸結構和材質進行改進的是日本「三菱電機」。

它們通過採用輪輻型氣缸(圖2)fc25砂型鑄件,將滑片槽的變形控制到5μm以內。為保證二者間隙均勻並為適當減小間隙值提供了前提條件。80年代初,三菱電機又在旋轉式冰箱壓縮機上將焊氣缸改為焊上軸承(機架),並將上軸承設計成輪輻形以降低焊接熱應力的影響(圖3)。

從而徹底避免了滑片槽的變形。目前日本各大壓縮機廠商新開發的產品,基本上都採用輪輻型氣缸與焊上軸承工藝。在此基礎上三菱電機、松下電器還將傳統的滑片槽拉削工藝改為銑削+磨削的方法,從而滑片槽的尺寸精度可達±1μm,兩側面的平行度、平面度也從7μm提高到4μm,從而使滑片與滑片槽的配合間隙縮小至15~20μm以內,為提高效率,減小磨耗,避免卡死,保證可靠性創造了條件。

(見圖1、2、3)

1.1.2 適當縮小上(主)軸承與曲軸的配合間隙,適當增加主軸承高度,是保證壓縮機旋轉穩定,降低振動雜訊,提高可靠性的有效措施。

目前已經有一些廠商將二者的間隙縮小到20μm左右,松下電器新改進的2k系列,已將主軸承的高度增加至52μm,南韓lg在將三點焊工藝從焊氣缸改為焊主軸承的同時也將主軸承高度從47.5mm增加到54.7mm,都帶來了運轉穩定、磨耗減小的效果。

為達到既縮小間隙,增加高度又能使間隙均勻之目的,工藝上除提高曲軸長軸加工精度外,還對主軸承孔採取內圓磨後增加珩磨的工序。為避免將曲軸與主軸承孔的加工精度提得過高,可對二者採取選配的方法。

1.1.3 隨著旋轉式壓縮機製造工藝的改進與裝置水平的提高,其它的配合間隙(如氣缸與活塞(高)、氣缸與滑片(高)、活塞內孔與曲軸偏心圓……等)均有進一步縮小趨勢。

這對提高壓縮機的效能,保證可靠性同樣都是有利的。)

1.2 採取強力的供油系統,向機芯各滑動部位提供充足的並具有一定壓力的潤滑油,是保證密封、提高效能、保證潤滑、降低磨耗、提高可靠性的重要手段。

1.2.1 壓縮機幫浦油葉片形狀的設計十分關鍵,扭角大小選擇應適當。太小,提公升揚程不夠;太大,又會導致油在曲軸孔內旋轉,不利於形成高的油壓。

1.2.2 曲軸的孔,宜設計成階梯形,與葉片配合部可較大,通頂端的部位應盡可能小一些(lg為4mm),這種設計既有利於工藝過程中排除切屑、汙物,更主要的是在葉片幫浦油運轉過程中有利於在孔內形成較高的油壓,提高輸油能力。

日本三洋更在小孔內插入支撐轉子圓盤的長銷。由於銷的插入進一步縮小了孔的間隙,達到既可形成高的油壓,又有利於油氣分離,減小向壓縮機外排油,保證油池內油麵穩定,還達到了工藝簡單之目的,不失為一種好的結構設計。

不通孔曲軸雖有利於形成較高的油壓,但如果切屑、汙物排不乾淨、油汽分離不徹底,反過來也會影響壓縮機的可靠性。

1.2.3 為保證上下軸承供油充分並於整個軸承均勻分布,宜在上下軸承孔內壁開主動供油槽(一般上軸承為左旋,下軸承為右旋)。

1.2.4 為盡可能降低排油量,有的廠商還採用l形排氣管。

1.3 選用優質的冷凍機油,提高潤滑密封的效果,保證壓縮機的安全效能。

冷凍機油的功能是:將潤滑部位的磨擦減到最小;維持高、低壓部位的壓差;通過高壓殼體向外部散熱。故冷凍機油應具有合適的運動粘度,便於在磨擦表面形成油膜,還要求冷凍機油具有較高的熱穩定性,在機內溫度變化較大時,油的粘度變化仍相對較小以保證機芯部件始終保持良好的密封性與潤滑性。

由表1看出,日本石油公司(原三菱石油)為三菱電機專門研製的空調壓縮機冷凍機油,ms56,綜合性能最好——色澤最清,40℃和100℃條件下粘度變化最小,特別在空調壓縮機主要工作的溫度區間(80~100℃)ms56的運動粘度最高——即密封性和潤滑性能都最好,同時由於其閃點和絕緣強度都最高,故其用於壓縮機的安全效能也最好,是空調業界值得推薦的優質冷凍機油。

綜合上述,現以三菱電機小型雙缸變頻壓縮機為例:在採用較小的配合間隙,強力的輸油系統,優質的冷凍機油(ms56)的情況下,壓縮機經30hz、130 hr重負荷試驗後,其製冷能力反而有所增加(±0.35%),能源效率(cop)不但沒有降低反而有所提高(±1.

03%),達到了類似飽合的理想效果。經解剖分析:其滑動部件的磨損也非常小。

氣缸、滑片槽、吸入側的區域性最大磨損僅為6μm,吐出側僅為9μm,滑片r面最大磨損僅為1.5μm,曲軸長短軸的區域性磨損均在2μm以內,主軸承的最大磨損也在2μm以內,可以說均十分微小。

2. 控制系列範圍,適當提高氣缸高度,減小曲軸偏心量,是降低壓縮機離心負荷,保持運轉穩定的有效方法。如日本三菱電機將其「rh」系列的機芯元件,從結構上分為大小型。

小型機排氣量小,氣缸厚度定為23.8。大型機排氣量大,氣缸厚度定為30.

8。由於大、小型的劃分,使該系列小型機更趨小型化。大型機由於氣缸厚度增加帶來了排氣量相應增大的效果,從而使大型機曲軸偏心量相對減小,離心負荷降低,振動減小,可靠性提高。

但目前仍有一些廠商為擴大產品配套範圍,不恰當的提高軸偏心矩,過多的增大離心負荷,犧牲了壓縮機的可靠性,損害了消費者的利益。

3. 旋轉式壓縮機機芯部件在吸、排氣過程中,承受著交變負荷,為改善主要部件的受力。減少振動,不少知名廠商在產品中採用彈性支撐結構,效果良好。

3.1 為改善曲軸受力,增大承壓面,並使支撐具有一定的彈性,大容量壓縮機在上、上軸承端平面近支承孔處開了乙個較深(一般寬度約為1.5mm,深度約為8mm)的槽。

日本三菱電機「ph、nh」系列大型機種、lg容量大於29cc/rev的壓縮機以及高水平的雙缸變頻壓縮機也採用此結構,均效果良好。

3.2 日本「東芝」將曲軸止推麵由偏心圓下的環形面改為曲軸小頭端麵,並採用固定於下軸承小外圓處的止推座(具有彈性),利用置於其中的、經表面氮化的止推片支撐,由於結構不僅使壓縮機的整個轉子的支承面與重力中心重合,有利於運轉穩定,同時其彈性支撐又吸收了曲軸運轉過程中由於力矩變化產生的振動,從而進一步提高了壓縮機的可靠性。

3.3 日本「東芝」的三點焊工藝在結構上採用了特有的過渡法蘭方式(即在殼體上先用三點焊連線乙個鑄造(要加工的))或沖壓的過渡法蘭,經加工搞準相對位置後,再將氣缸固定在過渡法蘭上。這種結構不僅避免了三點焊對滑片槽的影響,而且還可帶來氣缸小型化,並可在裝配過程中自由的調整電機定、轉子汽隙,改善壓縮機的起動效能。

在大型壓縮機上經加工的鑄鐵過渡法蘭還發揮了吸振降噪運用。

4、 選用強度高,耐磨性好的材料來製造壓縮機的滑動部件是降低磨耗、延長使用壽命的重要保證。

4.1、由於壓縮機的機芯滑動件均系在潤滑狀態下工作,故應選用潤滑狀態下具有優良抗磨性能的金屬材料。珠光體灰口鑄鐵,其金相為軟基體上分布有硬組織的組成物。

這種組織在磨合後,其基體有所磨損形成溝槽保持油膜,而基體中的石墨片同時又起著儲油潤滑作用,故其耐磨效能特別好,世界上各知名廠商均採用fc25(相當國產牌號ht25-47)珠光體灰鑄鐵來製作壓縮機的氣缸與上下軸承。又由於氣缸是壓縮機的基礎件,上、下軸承緊固其上、二者同軸度,活塞外圓與氣缸內壁形成的偏心間隙調整好以後均靠固緊螺釘的預緊力來保證,同時氣缸上滑片槽與滑片之間又存在著很大的磨擦,故要求其材質除具有良好的抗磨耗效能與抗磨耗能力。日本三菱電機採取新增p、cr、mn、sn合金元素。

日本「示芝」則新增元素。這些合金也促進了組織的細化又進一步提高了光體鑄鐵的綜合機械效能。

4.2、曲軸是壓縮機中最主要的受力部件。除變曲扭轉力外,還承受複雜的交變應力,因此要求曲軸除具有良好的機械強度外,還應具有優良的抗疲勞效能。

目前壓縮機行業中主要採用二種材質來製造曲軸:一種是以「三菱電機」和「東芝」為代表採用珠光體球墨鑄鐵。另一種是以日立、松下為代表採用金屬模共晶鑄鐵,二者比較,由於球墨鑄鐵綜合性能優於共日暮途窮鑄鐵,實踐也充分證明了這一點。

因此松下、日立新開發的壓縮機也均改用球墨鑄鐵。

4.3、活塞、滑片是旋轉式壓縮機中最重要的一對摩擦付。滑片在彈簧和排氣壓力推動下壓向活塞,r面與活塞外圓呈線形接觸,執行中產生急劇磨擦,容易出現大的磨損。

國際上各大壓縮機生產商都在研究如何來提高滑片的抗磨能力。目前世界上多數廠商採用高速工具鋼來製作滑片,熱處理以後硬度在hrc620左右,大型機或高速變頻機還要求精加工後作氣體軟氮化處理,將表面硬度提高到hv90~1400。

為更好的解決滑片的抗磨耗水平,綜合成本因素,日本各大廠商均在嘗試。「三菱電機」在家用定速機上採用ni、cr、mo、b合金鑄鐵來製作滑片。因為這種材料不僅耐磨性良好,而且**便宜。

在單缸變頻機上採用粉末冶金高速鋼,因為這種材質成形性好,且硬度高,又多孔貯油,耐磨性優良。小型雙缸變頻機則採用高速工具鋼,大型雙缸變頻機則採用高速工具鋼+氣體軟氮化的滑片。日本東芝則在各型壓縮機上都採用自己特有的滑片合金(jis-sus440)熱處理精加工後,氣體軟氮化,表面硬度達hv900以上,雖然該材質也能滿足大型機和雙缸變頻機的要求,製造成本也較高,但東芝公司從保證質量、提高使用者信賴度出發,對要求相對較低的小型定速機也採用了這種材料來製作滑片。

另外在新的更高轉速的變頻機上為保證滑片對活塞的「跟隨性」與「使用可靠性」,要求採用質量輕但耐磨性卻更好的滑片。這種材料已由日本三洋電機開發成功—即sic晶須作纖維的纖維強化鋁合金—(fr-al),其比重為2.85,是鑄鐵的40%,彎曲強度為500mpa,是鑄鐵的1.

67倍。且膨脹係數與鑄鐵相當,可完全滿足滑片熱變形要求,試驗表明:該材質使用於頻率達180hz的高速壓縮機上(新一代的雙缸變頻機,其變頻範圍可達8~180hz)。

抗磨性能優良,「跟隨性」也沒有問題。

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