輕商用往復(fù)式壓縮機冷凍油粘度測試分析

何四發(fā) 鄒志鋒 孫士杰 盧俊 王建

華意壓縮機股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333000

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展人們對冷鏈設(shè)備的需求日益增大，2015年以來輕型商用（以下簡稱輕商）往復(fù)壓縮機一向維持著良好的發(fā)展勢頭。然而對輕型商用領(lǐng)域來說，輕商往復(fù)式壓縮機因其終端系統(tǒng)以低背壓和中背高壓應(yīng)用工況居多，輕商壓縮機常需同時覆蓋中低高背壓才能實現(xiàn)大的市場覆蓋。這對壓縮機的運行可靠性是一個極大的挑戰(zhàn)，目前國內(nèi)外各大壓縮機廠家都有在摸索針對輕商壓縮機的可靠性標準。眾所周知，壓縮機可靠性的保證主要是通過其內(nèi)部的冷凍油對機械部件潤滑來實現(xiàn)，而冷凍油的粘度特點對壓縮機可靠性運行又有主要影響。油品粘度合適既可以為壓縮機運動部件提供足夠油膜厚度，又可以降低壓縮機的軸功率和保證氣密性，實現(xiàn)壓縮機的高能效和高可靠性需求。輕商壓縮機實際工況復(fù)雜多變，冷凍油的粘度和潤滑特性在不同系統(tǒng)、不同工況下也各不相同。因而在潤滑油選擇時，應(yīng)重點關(guān)注壓縮機各差異工況實際運行時的油品粘度特點，確保壓縮機在各類使用工況下的潤滑可靠性。

2 輕商用往復(fù)式壓縮機的工況特點

輕商用往復(fù)式壓縮機按其蒸發(fā)溫度區(qū)間主要分為低背壓、低中背壓、高中背壓三大塊。但對其運行的SOA區(qū)域我們通常可以用圖1表示。針對圖1的工況特點結(jié)合其條件下壓縮機可靠性可能失效模式進行分析我們可知：A點：吸排氣壓力最大，壓縮機工作電流較大，泵體吸排氣流量最大；B點：壓差最大，曲軸容易發(fā)生偏磨，對軸承承載區(qū)油膜厚度要求嚴格；C點：壓縮機吸排氣壓力的比值最大，壓縮機吸氣流量小，油溫較高，油粘度下降對油膜厚度影響大；D點：流量最大（流量與A點相同）吸氣壓力大，冷媒溶解在油中較多，油品粘度下降，油膜粘度難形成；E點：吸排氣壓差小，系統(tǒng)中的冷凍油回流壓縮機慢，壓縮機內(nèi)油面低，壓縮機泵油量下降，油膜厚度較難保證。

3 冷凍油粘度在往復(fù)式壓縮機中的影響

3.1 冷凍油在壓縮機中的作用

在制冷系統(tǒng)中，冷凍油對往復(fù)式壓縮機的作用主要為：a.機械摩擦面形成油膜，避免金屬接觸；b.降低壓縮機的摩擦功和帶走摩擦熱，起到了冷卻的作用；c.在活塞和氣缸間隙密封作用；d.可帶摩擦副中產(chǎn)生的油污、鐵屑，起到了清洗作用。

3.2 壓縮機冷凍油粘度對壓縮機的影響

（1）粘度與油膜厚度的影響

為我們所熟知的，冷凍油粘度值合理的選用，可確保壓縮機摩擦副間足夠的油膜厚度和氣缸密封性能。如果形成的油膜過厚,則說明油的粘度過高,將產(chǎn)生較大的摩擦阻力和摩擦熱（如表1中，46#油較15#油軸功率上升明顯）。

圖1 SOA區(qū)域示意圖

如果形成的油膜不夠，不足以將摩擦表面隔開，則說明油的粘度過小，機械摩擦副可能發(fā)生金屬接觸，進而失效。壓縮機需要的潤滑油粘度可以由以下公式可知：

其中：h—油膜厚度；t—時間；χ—沿滑動方面的摩擦表面的位置坐標，m；P—給定坐標位置點的壓力，MaP；μ—油的粘度，kg/(s·m)；U—摩擦副的相對滑動速度，m/s。

（2）粘度對壓縮機供油能力的影響

在小型封閉式往復(fù)式壓縮機中，壓縮機冷凍油的潤滑主要通過飛濺潤滑和泵油潤滑。而壓縮機的泵油能力直接影響到飛濺潤滑，目前往復(fù)式壓縮機通常由離心泵加螺旋泵的方式進行上油，離心泵的上油高度h1主要與旋轉(zhuǎn)半徑和吸油孔大小以及轉(zhuǎn)速有關(guān)：

其中：ω—角速度（rad/s）；g—重力加速度（9.8m/s2）；D2—為曲軸內(nèi)徑；D1—吸油管進油孔內(nèi)徑。

而螺旋泵的上油高度h2與油品粘度關(guān)系較大，可通過以下公式可知：

其中：CΔP—壓差系數(shù)；μ—油品運動粘度，Pa.s；D—密封寬度，m（曲軸外徑）；S—齒頂間隙，m（配合間隙）；L—密封長度及螺旋泵段高度；t—螺旋泵角度函數(shù)（正切），t=tgβ；k1—螺旋泵的油槽寬度；k2—螺旋泵油槽深度。

圖2 某油品壓力-粘度-溫度（PVT曲線）

圖3 某油品壓力-溶解度-溫度（PST曲線）

圖4 粘度探頭工作原理及安裝測試位置

結(jié)合以上粘度對于油膜厚度和螺旋泵油能力的影響，我們結(jié)合某款往復(fù)式壓縮機結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，大致可知輕商用壓縮機油品粘度＞2.7CP時摩擦副油膜厚度充足（如表2），且螺旋泵油能力足夠且有余量，滿足該款壓縮機的壽命設(shè)計要求。

圖5 單體及系統(tǒng)油品粘度測試數(shù)據(jù)

圖6 模擬開關(guān)門取物狀態(tài)油品粘度測試

4 冷凍油粘度特性及實際工況測試分析

4.1 冷凍油粘度特性

壓縮機中冷凍油的實際粘度與壓縮機所處工況下的溫度、以及與冷媒混合后的溶解度有關(guān)。冷凍油與冷媒稀釋后的粘度即為溶解粘度，實際運行時摩擦副的油膜厚度直接與溶解粘度有關(guān)。純油品的粘度與溫度成反比，正常條件下油溫越高、粘度越低。當(dāng)冷凍油被冷媒稀釋后其溶解粘度與溶解的冷媒量成反比，即冷凍油中溶解的冷媒量越大，溶解粘度越低；但是冷凍油與冷媒的溶解度與溫度也成反比、與壓力成正比（如圖2、圖3油品A與R134a不同程度溶解后，其粘度與溫度、壓力的關(guān)系），即油溫上升，冷凍油被冷媒稀釋程度也對應(yīng)下降，壓力升高則稀釋度上升。壓縮機實際運行過程時，冷凍油必須滿足在SOA運行區(qū)域的各工況下滿足壓縮機各零部件的潤滑及密封可靠性，所以對輕商用壓縮機在SOA運行區(qū)域單體運行及裝載到系統(tǒng)時的實際運行工況時的油品粘度監(jiān)控十分必要。

4.2 壓縮機在SOA區(qū)域運行及系統(tǒng)實際運行時工況下油品粘度測試

本文使用美國Cambridge Viscosity（CVI）油品粘度測試儀，對R290及R134a代表機種在其SOA區(qū)域各邊界條件及系統(tǒng)實用工況下運行時，壓縮機殼體內(nèi)油品粘度進行在線測試（如圖4，粘度探頭工作原理及安裝測試位置），收集相關(guān)數(shù)據(jù)為壓縮機油品選擇及后續(xù)可靠性評價提供支持。

選取的代表機型基本參數(shù)如表3所示。

測試工況選擇圖1中的A最大負荷點，B最大壓差點，C最大壓比點，D最大流量點；同時補充測試往復(fù)式壓縮機中單體壽命工況點和系統(tǒng)各環(huán)溫下的實際運行工況。測試相關(guān)數(shù)據(jù)整理可得出圖5曲線。

同時模擬往復(fù)式壓縮機在系統(tǒng)上時，客戶取放貨物導(dǎo)致系統(tǒng)開關(guān)門狀態(tài)，其油品粘度數(shù)據(jù)匯總曲線如圖6所示。

從測試數(shù)據(jù)可知以上4款往復(fù)式壓縮機在單體及系統(tǒng)常規(guī)運行工況中冷凍油粘度滿足油膜厚度的需要，不會出現(xiàn)金屬接觸。但是當(dāng)系統(tǒng)處于高環(huán)溫和客戶有開關(guān)門取物時壓縮機冷凍油粘度會出現(xiàn)過低現(xiàn)象，無法完全保證機械摩擦副的流體潤滑。

表1 某型號壓縮機上不同粘度冷凍油對壓縮機性能的對比測試

表2 不同油品粘度對應(yīng)的油膜厚度和技術(shù)接觸

表3 代表機型基本參數(shù)

5 總結(jié)

輕商用往復(fù)式壓縮機是未來小型封閉式制冷往復(fù)式壓縮機的發(fā)展趨勢，壓縮機冷凍油的選擇，特別是冷凍油的粘度在壓縮機各類工況下的特性對壓縮機的可靠性設(shè)計有直接影響。通過理論計算壓縮機所需油膜厚度以及對應(yīng)的油品粘度，再通過實驗實際測試壓縮機在各種溫度、壓力下的油品粘度數(shù)據(jù)進行匯總、對比分析冷凍油是否合適以及壓縮機可能存在失效的模式，為后續(xù)輕商用往復(fù)式壓縮機開發(fā)、可靠性的研究以及油品的選擇提供了理論和實際數(shù)據(jù)支持。