提高旋转式压缩机可靠性的技术

作者：家电科技 周德馨

欢迎访问e展厅 展厅 4 冰箱/厨房电器展厅 冷柜, 酒柜/酒窖, 展示柜, 净水机, ... 压缩机是空调器的主机，有如人的心脏。空调器的性能、可靠性以及长达10年以上的运行寿命，必须由压缩机来保证。如何来提高作为主机—压缩机的可靠性，一直是制冷业界关注的问题，下面就根据自己多年来从事旋转式压缩机的技术实践和近年来对国外各知名品牌旋转式压缩机的分析提出如下看法。 1. 旋转式压缩机属高精度、小型动力机械。机芯内部高、低压通道完全靠间隙、油膜密封，各滑动间的磨擦也是靠间隙中形成的油膜来润滑，以减少磨耗，保证可靠性，延长使用寿命。 1.1 保持机芯滑动件间均匀而细小的间隙是提高压缩机性能与可靠性的前提条件。 1.1.1 气缸滑片槽与滑片的间隙。 产品图规定一般压缩机二者的间隙为20~30μm，小型高速变频压缩机可缩小至15~20μm。工艺上要求滑片能以自由落体的方式，通过滑片槽，以证明二者间隙均匀。目的在实现：滑片槽既能引导滑片自由上下移动与滚动活塞、气缸壁一起组成吸排气腔并实行密封，又为形成高压油膜，保证润滑、降低磨耗提高可靠性，创造条件。但是传统的制造工艺是用三点焊接的方法将气缸与壳体连接起来的。三点焊的热应力导致壳体收缩形成对气缸滑片槽的挤压，使滑片槽产生变形。这不仅影响到二者配合间隙的均匀，甚至可出现卡死滑片的故障。分析变形影响因素：与气缸结构、材质、三点焊工艺状况、及机芯与壳体的连接方式有关。传统的斧形气缸（图1）焊后变形最大，特别是当材质强度低（如采用金属型共晶铸件时），三点焊参数选择不当，三点参数不均一、时间不同步时，其变形量甚至可高达15μm以上。我曾见过一个工厂三点焊后有1/3以上的压缩机因卡死滑片而下线。压力上首先对气缸结构和材质进行改进的是日本“三菱电机”。它们通过采用轮辐型气缸（图2）FC25砂型铸件，将滑片槽的变形控制到5μm以内。为保证二者间隙均匀并为适当减小间隙值提供了前提条件。80年代初，三菱电机又在旋转式冰箱压缩机上将焊气缸改为焊上轴承（机架），并将上轴承设计成轮辐形以降低焊接热应力的影响（图3）。从而彻底避免了滑片槽的变形。目前日本各大压缩机厂商新开发的产品，基本上都采用轮辐型气缸与焊上轴承工艺。在此基础上三菱电机、松下电器还将传统的滑片槽拉削工艺改为铣削+磨削的方法，从而滑片槽的尺寸精度可达±1μm，两侧面的平行度、平面度也从7μm提高到4μm，从而使滑片与滑片槽的配合间隙缩小至15~20μm以内，为提高效率，减小磨耗，避免卡死，保证可靠性创造了条件。（见图1、2、3） > 1.1.2 适当缩小上（主）轴承与曲轴的配合间隙，适当增加主轴承高度，是保证压缩机旋转稳定，降低振动噪声，提高可靠性的有效措施。目前已经有一些厂商将二者的间隙缩小到20μm左右，松下电器新改进的2K系列，已将主轴承的高度增加至52μm，韩国LG在将三点焊工艺从焊气缸改为焊主轴承的同时也将主轴承高度从47.5mm增加到54.7mm，都带来了运转稳定、磨耗减小的效果。为达到既缩小间隙，增加高度又能使间隙均匀之目的，工艺上除提高曲轴长轴加工精度外，还对主轴承孔采取内圆磨后增加珩磨的工序。为避免将曲轴与主轴承孔的加工精度提得过高，可对二者采取选配的方法。 1.1.3 随着旋转式压缩机制造工艺的改进与设备水平的提高，其它的配合间隙（如气缸与活塞（高）、气缸与滑片（高）、活塞内孔与曲轴偏心圆……等）均有进一步缩小趋势。这对提高压缩机的性能，保证可靠性同样都是有利的。） 1.2 采取强力的供油系统，向机芯各滑动部位提供充足的并具有一定压力的润滑油，是保证密封、提高性能、保证润滑、降低磨耗、提高可靠性的重要手段。 1.2.1 压缩机泵油叶片形状的设计十分关键，扭角大小选择应适当。太小，提升扬程不够；太大，又会导致油在曲轴孔内旋转，不利于形成高的油压。 1.2.2 曲轴的孔，宜设计成阶梯形，与叶片配合部可较大，通顶端的部位应尽可能小一些（LG为4mm），这种设计既有利于工艺过程中排除切屑、污物，更主要的是在叶片泵油运转过程中有利于在孔内形成较高的油压，提高输油能力。日本三洋更在小孔内插入支撑转子圆盘的长销。由于销的插入进一步缩小了孔的间隙，达到既可形成高的油压，又有利于油气分离，减小向压缩机外排油，保证油池内油面稳定，还达到了工艺简单之目的，不失为一种好的结构设计。 不通孔曲轴虽有利于形成较高的油压，但如果切屑、污物排不干净、油汽分离不彻底，反过来也会影响压缩机的可靠性。 1.2.3 为保证上下轴承供油充分并于整个轴承均匀分布，宜在上下轴承孔内壁开主动供油槽（一般上轴承为左旋，下轴承为右旋）。 1.2.4 为尽可能降低排油量，有的厂商还采用L形排气管。 1.3 选用优质的冷冻机油，提高润滑密封的效果，保证压缩机的安全性能。 冷冻机油的功能是：将润滑部位的磨擦减到最小；维持高、低压部位的压差；通过高压壳体向外部散热。故冷冻机油应具有合适的运动粘度，便于在磨擦表面形成油膜，还要求冷冻机油具有较高的热稳定性，在机内温度变化较大时，油的粘度变化仍相对较小以保证机芯部件始终保持良好的密封性与润滑性。 由表1看出，日本石油公司（原三菱石油）为三菱电机专门研制的空调压缩机冷冻机油，MS56，综合性能最好——色泽最清，40℃和100℃条件下粘度变化最小，特别在空调压缩机主要工作的温度区间（80~100℃）MS56的运动粘度最高——即密封性和润滑性能都最好，同时由于其闪点和绝缘强度都最高，故其用于压缩机的安全性能也最好，是空调业界值得推荐的优质冷冻机油。 综合上述，现以三菱电机小型双缸变频压缩机为例：在采用较小的配合间隙，强力的输油系统，优质的冷冻机油（MS56）的情况下，压缩机经30Hz、130 Hr重负荷试验后，其制冷能力反而有所增加（±0.35%），能源效率（COP）不但没有降低反而有所提高（±1.03%），达到了类似饱合的理想效果。经解剖分析：其滑动部件的磨损也非常小。气缸、滑片槽、吸入侧的局部最大磨损仅为6μm，吐出侧仅为9μm，滑片R面最大磨损仅为1.5μm，曲轴长短轴的局部磨损均在2μm以内，主轴承的最大磨损也在2μm以内，可以说均十分微小。 2. 控制系列范围，适当提高气缸高度，减小曲轴偏心量，是降低压缩机离心负荷，保持运转稳定的有效方法。如日本三菱电机将其“RH”系列的机芯组件，从结构上分为大小型。小型机排气量小，气缸厚度定为23.8。大型机排气量大，气缸厚度定为30.8。由于大、小型的划分，使该系列小型机更趋小型化。大型机由于气缸厚度增加带来了排气量相应增大的效果，从而使大型机曲轴偏心量相对减小，离心负荷降低，振动减小，可靠性提高。但目前仍有一些厂商为扩大产品配套范围，不恰当的提高轴偏心矩，过多的增大离心负荷，牺牲了压缩机的可靠性，损害了消费者的利益。 3. 旋转式压缩机机芯部件在吸、排气过程中，承受着交变负荷，为改善主要部件的受力。减少振动，不少知名厂商在产品中采用弹性支撑结构，效果良好。 3.1 为改善曲轴受力，增大承压面，并使支撑具有一定的弹性，大容量压缩机在上、上轴承端平面近支承孔处开了一个较深（一般宽度约为1.5mm，深度约为8mm）的槽。（图4）日本三菱电机“PH、NH”系列大型机种、LG容量大于29cc/rev的压缩机以及高水平的双缸变频压缩机也采用此结构，均效果良好。（见图4） 3.2 日本“东芝”将曲轴止推面由偏心圆下的环形面改为曲轴小头端面，并采用固定于下轴承小外圆处的止推座（具有弹性），利用置于其中的、经表面氮化的止推片支撑（图5），由于结构不仅使压缩机的整个转子的支承面与重力中心重合，有利于运转稳定，同时其弹性支撑又吸收了曲轴运转过程中由于力矩变化产生的振动，从而进一步提高了压缩机的可靠性。（见图5） 3.3 日本“东芝”的三点焊工艺在结构上采用了特有的过渡法兰（图6）方式（即在壳体上先用三点焊连接一个铸造（要加工的））或冲压的过渡法兰，经加工搞准相对位置后，再将气缸固定在过渡法兰上。这种结构不仅避免了三点焊对滑片槽的影响，而且还可带来气缸小型化，并可在装配过程中自由的调整电机定、转子汽隙，改善压缩机的起动性能。在大型压缩机上经加工的铸铁过渡法兰还发挥了吸振降噪运用。（见图6） 4、 选用强度高，耐磨性好的材料来制造压缩机的滑动部件是降低磨耗、延长使用寿命的重要保证。 4.1、由于压缩机的机芯滑动件均系在润滑状态下工作，故应选用润滑状态下具有优良抗磨性能的金属材料。珠光体灰口铸铁，其金相为软基体上分布有硬组织的组成物。这种组织在磨合后，其基体有所磨损形成沟槽保持油膜，而基体中的石墨片同时又起着储油润滑作用，故其耐磨性能特别好，世界上各知名厂商均采用FC25（相当国产牌号HT25-47）珠光体灰铸铁来制作压缩机的气缸与上下轴承。又由于气缸是压缩机的基础件，上、下轴承紧固其上、二者同轴度，活塞外圆与气缸内壁形成的偏心间隙调整好以后均靠固紧螺钉的预紧力来保证，同时气缸上滑片槽与滑片之间又存在着很大的磨擦，故要求其材质除具有良好的抗磨耗性能与抗磨耗能力。日本三菱电机采取添加P、Cr、Mn、Sn合金元素。日本“示芝”则添加V.P元素。这些合金也促进了组织的细化又进一步提高了光体铸铁的综合机械性能。 4.2、曲轴是压缩机中最主要的受力部件。除变曲扭转力外，还承受复杂的交变应力，因此要求曲轴除具有良好的机械强度外，还应具有优良的抗疲劳性能。目前压缩机行业中主要采用二种材质来制造曲轴：一种是以“三菱电机”和“东芝”为代表采用珠光体球墨铸铁。另一种是以日立、松下为代表采用金属模共晶铸铁，二者比较，由于球墨铸铁综合性能优于共日暮途穷铸铁，实践也充分证明了这一点。因此松下、日立新开发的压缩机也均改用球墨铸铁。 4.3、活塞、滑片是旋转式压缩机中最重要的一对摩擦付。滑片在弹簧和排气压力推动下压向活塞，R面与活塞外圆呈线形接触，运行中产生急剧磨擦，容易出现大的磨损。国际上各大压缩机生产商都在研究如何来提高滑片的抗磨能力。目前世界上多数厂商采用高速工具钢来制作滑片，热处理以后硬度在HRC620左右，大型机或高速变频机还要求精加工后作气体软氮化处理，将表面硬度提高到HV90~1400。 为更好的解决滑片的抗磨耗水平，综合成本因素，日本各大厂商均在尝试。“三菱电机”在家用定速机上采用Ni、Cr、Mo、B合金铸铁来制作滑片。因为这种材料不仅耐磨性良好，而且价格便宜。在单缸变频机上采用粉末冶金高速钢，因为这种材质成形性好，且硬度高，又多孔贮油，耐磨性优良。小型双缸变频机则采用高速工具钢，大型双缸变频机则采用高速工具钢+气体软氮化的滑片。日本东芝则在各型压缩机上都采用自己特有的滑片合金（JIS-SUS440）热处理精加工后，气体软氮化，表面硬度达Hv900以上，虽然该材质也能满足大型机和双缸变频机的要求，制造成本也较高，但东芝公司从保证质量、提高用户信赖度出发，对要求相对较低的小型定速机也采用了这种材料来制作滑片。另外在新的更高转速的变频机上为保证滑片对活塞的“跟随性”与“使用可靠性”，要求采用质量轻但耐磨性却更好的滑片。这种材料已由日本三洋电机开发成功—即SiC晶须作纤维的纤维强化铝合金—（FR-AL），其比重为2.85，是铸铁的40%，弯曲强度为500Mpa，是铸铁的1.67倍。且膨胀系数与铸铁相当，可完全满足滑片热变形要求，试验表明：该材质使用于频率达180Hz的高速压缩机上（新一代的双缸变频机，其变频范围可达8~180Hz）。抗磨性能优良，“跟随性”也没有问题。 关于活塞的材质，目前国际上有二种作法：一是以美国ROTOREX代表的厂商，采用含Mn较高的连铸棒。优点是加工工艺性好，但耐磨性差。另一种是以“三菱电机”、“东芝”为代表的采用NiCrMo低合金砂铸件（日本日立则采用目前国内尚未开发成功的NiCrCu连铸棒，其性能与NiCrMo铸坯基本相当），加工活塞，这种材料经热处理后，形成在软基体上有硬合金化合物组织的组成物。在有润滑的条件下，其耐磨性能特别好。据可靠信息：美国ROTOREX也开始采用NiCrMo砂型铸坯来取代自己传统的连铸棒以保证产品的可靠性。 5、电机是压缩机的动力源，因其为内装，故与机芯一样，也在具有高温、高压氟利昴及冷冻油的恶劣环境中工作，从保证压缩机整机的可靠性与安全性出发，内装电机在设计工艺、材料选择等方面应注意以下各点： 5.1、电机的起动转矩应尽可能设计得大一些，哪怕是需要牺牲一定效率也应如此。目的是：保证在较低电源电压下也可顺利起动。“三菱电机”的压缩机以可靠性著称，其中一点是：平衡条件下，180V即可顺利起动。因为通电后不起动，相当于堵转，电流会迅速攀升，甚至可达危险状态。 5.2、电机绕组与绝缘材料等级的选择，直接关系到压缩机的安全性。旋转式压缩机的电机如遇不起动或堵转，在最初一小时内绕组温度可高达190℃以上。为确保压缩机的可靠性，越来越多的厂家，选择温度指数为200级（C级）的QXY/QZY双层复合漆包线来制作定子绕组。为防止绕组在大电流作用下、线圈之间产生相互磨擦破坏绝缘层，并提高散热效果，“三菱”、“松下”在线圈绑扎后安排浸漆固定工序。“东芝”则在漆包线外表增加一个自融层，利用高温烘烤工艺，让线圈之间相互粘接起来，达到与浸漆同样的效果。 为保证线圈的品质，在投产前还必须对漆包线进行抗嵌绕试验，确认经高速嵌绕后拆出的线圈无针孔，单根漆包线耐高压无问题后方可正式用于产品。 电机定、转子制成后，还要单独对定子组件进行耐电压和箍间绝缘测试，对转子作铝条断排试验，确认无问题后，才能进入总装与机芯组合。 6、为防止大型机和高速变频压缩机在高转速下产生的铁质粉末进入滑动件间，加速滑动件的磨耗，和对空调整机的管路系统带来不利影响，可在油池底部加装一个磁铁。由于磁铁的吸附作用，可使掉入油池的铁质粉末不会再次被吸入机芯部件中，保证了压缩的可靠性。7、工艺上保证可靠性的方法： 采用一些特殊的工艺方法，提高机芯滑动部件的表面质量。如：表面光洁度；形位精度；表面硬度；抗磨耗能力；提高磨合效果；以及进一步改善润滑，降低磨损的热、表处理技术。 7.1、提高表面光洁度，形位精度的工艺。 对排气阀、滑片、滑片档板（升程限位器）冲压和精加工后，进行滚筒光饰（辊光）处理的工艺——即将零件置于盛有磨料（一些具有特殊形状的磨石）与研磨剂的滚（辊）筒内，经数小时零件与磨料间的相互魔鬼，不仅可将光度提高一级，还可彻底去除尖边、毛刺（倒圆），并将表面由加工产生的拉应力转变为压应力，从而改善了表面的抗腐蚀、抗磨耗能力。国内也曾见到一些压缩机厂将军工上采用的振动光饰技术用于零件表面光整加工去毛工艺的。 为进一步提高活塞外圆表面的光洁度、形位精度，三菱电机还在外圆精磨后增加了超精加工工序。经超精加工的外圆表面光洁度可达以上，圆柱度、圆度均可控制到1.5μm以内，大大改善了与滑片R面的接触状况，不仅有利于降低二者的磨耗，也提高了密封效果。 为提高内圆加工的形位精度有利于形成细小而均匀的配合间隙，三菱电机和东芝分别对上、下轴承孔、活塞孔采取内圆磨后再进行珩磨的工艺。经珩磨后上、下轴承孔的圆度、圆柱度可达到2~2.5μm的形位精度，0.8~1Rz的光洁度。活塞孔的圆度、圆柱度可达到1.5~2μm的形位精度，1.5Rz的光洁度。 7.2、提高滑动件表面硬度，增加抗磨耗性能。 为增加滑片表面硬度，日立采用硫碳氮共渗后热处理技术，硬度可达HRc620以上。“东芝”、“三菱”采用SUS440钢或高速工具钢经热处理精加工后，表面再进一步提高硬度的工艺，经气体软氮化，表面硬度可达Hv900~1400。松下曾经用人工陶瓷滑片及铝合金经陶瓷化处理的滑片。三菱电机曾在单缸变频机上采用高速钢粉末冶金滑片，热处理后的硬度可达HRc630。 活塞（低合金铸铁）为与滑片形成一对优良的摩擦付，淬火后硬度一般控制在HRc450~530或HRc470~550（大型机）。为保证淬火后形成稳定的金相组织，有的公司还在淬火—回火处理后增加低温外理（冰冻处理）工序，以保证长期运行中活塞外圆与气缸内壁，活塞两端面与上、下轴承两端面间形成的间隙恒定不变。 为提高排气口抗阀片吉打与磨损能力，日本各主要压缩机厂商均在切削加工后增加摆研滚压加工工艺，以提高排气口处材质结构的紧密度，提高其表面硬度增加抗击打抗磨耗能力，延长阀的使用寿命，降低阀的泄漏损失。 7.3、为提高曲轴与上、下轴承孔的磨合效果，进一步改善二者间的润滑状态，各大旋转式压缩机公司对曲轴作锰盐磷化处理，为进一步改善曲轴与轴承间的润滑，“三菱电机”、“松下电器”还在锰处理的基础上浸渍一层MoS2、固化后起着固体润滑剂的作用大大改善了压缩机主轴、主轴承的磨耗状况，延长了使用寿命。 7.4、为能有效的去除对压缩机效率关系密切的气缸活塞等部件的毛刺尖边，又不会因倒圆（角）过大而影响到压缩机的效率，在旋转式压缩机上广泛采用了含磨料的尼龙刷的去毛工艺。活塞内、外圆处锐边，气缸内壁与两端面形成的锐边经尼龙刷去毛后均能形成一个0.08~0.1mm的细小圆角，达到既无锐边、毛刺又不影响压缩机容积效率的效果。 8、为有效的保护电机，世界各知名压缩机厂对较大容量的空调压缩机均改用内藏式温度、电流同时保护的电机保护器（三菱电机与东芝系在自己的全部压缩机上均采用内藏式保护器），在变频机上采用内藏式温度保护器。目前日本“生方”公司生产的内保护器有二种安装方式：一是接插在密封接线柱的端梢上，感受排气温度与电流来保护电机，这是以绑扎的线圈内的方式更为可靠。 9、压缩机可靠性的评价试验方法： 新品开发与批量产品有重大工艺、材料、结构变动，均必须进行可靠性评价试验，通过后方可投产。为确保产品质量，在生产过程中也应定期抽样作为可靠性考核试验，如有问题，应立即查清原因，排除后才能让产品出厂。必须进行的试验有： 9.1、重负荷试验。即在蒸发温度（12℃）、冷凝温度（68℃）均高，压缩机负荷最重，电机轴功率最大时通过2000Hr~40000Hr的运行试验，考核压缩机滑动部件的抗磨耗性；阀的耐久性；电机中各有机材料的抗老化性。其判定标准为：①制冷能力下降在10%以内。②机芯无异常磨耗。③电机有机材料无异常变化。 9.2、高压比试验：即在蒸发温度较低（-12~-15℃）冷凝温度较高（+62℃）时，通过2000Hr的运转来考核压缩机。由于此时压缩机压比最大，制冷剂流量最小，机芯温升高，电机又得不到冷却的情况下，滑动部件间由于热膨胀可能导致干涉。各有机材料会产生劣化，在此种情况下来评价压缩机在高压比下的可靠性（其评价判定标准与重负荷相同）。 9.3、压缩机的通、断试验：在较高冷凝温度（62℃）、较低蒸发温度（8℃）工况中，在7.5s开7.5s停的断续情况下，运行29万次（整个空调寿命期内压缩机的开停一般为17万次）来考核滑片弹簧、橡胶避振脚、阀、升程限位器、电器产品的耐久性。试验后的判定标准：①压缩机能否正常工作，压比可否维持。②能力变化在-10%以内。 只有通过上述考核评价试验的压缩机才能认为是属于高可靠性的产品。才能供应市场并取得消费者的信赖。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/31/2004)