轉子式壓縮機新型耐磨軸承設計及驗證

姜本剛 孫東浩

摘 要：轉子式壓縮機是空調的核心，軸承則是轉子式壓縮機的關鍵部件，對其可靠性具有決定性作用。文章分析了壓縮機的磨損狀態，針對軸承磨損現象嚴重的問題，設計了一款由傳統軸承與軸套共同組成的新型耐磨軸承組件，并設計對比耐久實驗，通過運轉壽命說明了該軸承組件的優越性能，能夠用于應對制冷系統在嚴苛工況不能長時間運轉的現狀。

關鍵詞：轉子壓縮機;耐磨軸承組件;軸套

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-089-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.038

轉子式壓縮機具有結構簡單、重量輕、體積小、成本低等特點[1]，隨著制冷行業的快速發展，進一步拓展了轉子式壓縮機的應用領域，對其性能、可靠性提出了更高的要求[2]。尤其在應用于多聯機系統中，系統的管路配管較長及內外機之間高度差較大，易造成管路存油，導致壓縮機回油困難，對其可靠性帶來不良影響。作為轉子式壓縮機的核心部件，軸承結構的優良直接決定了壓縮機的穩定性。因此，設計耐磨軸承應對制冷系統在惡劣工況條件下的正常運轉是有必要的。

1 耐磨軸承設計

轉子式壓縮機通過電機轉子帶動曲軸為泵輸入壓縮動力，泵體吸入蒸發器的低溫低壓氣體經壓縮后排出高溫高壓冷媒氣體，然后進入冷凝器，經節流裝置進入蒸發器，形成閉環回路，其中壓縮機為整個系統提供冷媒循環動力。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定可靠運轉的動壓滑動軸承，其中主軸承也是泵體連接外殼的關鍵固定零件。因此，軸承的設計要點即為內徑、外徑、排氣孔徑等相關尺寸設計。一般來說，軸承材料為灰鑄鐵，曲軸材料為耐磨鑄鐵，壓縮機運轉過程中，軸承內徑與曲軸外徑間形成動壓油膜，從而起到潤滑作用。為了提升耐磨性，曲軸會進行磷化處理，但軸承內徑沒有特殊處理。空調系統實際的安裝條件、運行工況多樣等會影響壓縮機的正常回油，從而造成壓縮機長時間少油運轉，嚴重時不足以形成良好的潤滑油膜，導致軸承與曲軸異常磨損甚至咬合破壞，嚴重影響了壓縮機正常運轉直至損壞并停機。

通過實際調研，發現軸承磨損現象主要表現為兩方面，軸承的內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策已提升了本身的耐磨性，擬定優化方向為降低軸承內徑的摩擦系數。現有軸承內徑為珩磨加工，摩擦系數已經達到現有加工能力的最小值，因此，現有軸承結構已基本沒有改善空間，可以借鑒大型滑動軸承內部的軸瓦結構，在傳統上軸承內徑設計增加軸套形成新型上軸承組件結構，軸套如圖1所示，新型上軸承組件如圖2所示。設計軸套的目的是，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，軸套本身應具有很低的摩擦系數及與曲軸具有很好的兼容性。壓縮機運轉時曲軸相對軸承旋轉，如果軸套安裝不良，配合面之間的油膜作用力會帶動軸套旋轉，包括內徑加工過程中也是類似，從而造成軸承失效，嚴重時會導致運轉軸系傾斜致劇烈磨損。因此，軸套材料應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。一般壓縮機運轉時的排氣溫度在80℃～120℃之間，因此耐熱性是軸套設計必須考慮的性能參數，熱膨脹系數須等于或高于金屬基材，從而進一步確保軸套與軸承間的過盈配合[3]。制冷系統因清潔度等問題，易造成內部冷凍機油呈酸性[3]，對壓縮機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的耐腐蝕性[4]。另外，同時需考慮軸套材質的可加工性、經濟性、存放條件要求、吸油狀態等。綜上，選取某非金屬材料作為軸套的使用材料。為實現軸套功能的同時保證壓縮腔的密封，軸套不應探出軸承大端面，因此軸套的長度尺寸需略小于軸承高度;因曲軸外徑尺寸一定，軸套的內徑即已確定，為了保證軸套的使用強度，需具有足夠的厚度。通過設計計算及強度校核，并設計軸承組件強度確認試驗，通過理論與實際反復校核確認，設定外徑尺寸。

加工方面，通過實際加工試驗件驗證確認最優加工進給速度，將軸套壓入已粗加工完成的軸承內徑，然后選用通用刀具對軸套內徑進行精加工，最后進行內徑上油溝的加工。其中，因配合面油膜需要及考慮到軸套材質較脆，須先進行倒角，后進行油溝加工，否則極易造成軸套在進刀及退刀交界面“缺肉”，影響軸套的應用性能。整個加工過程需嚴格保證軸套的完成性，加工完成后肉眼確認工件是否有裂痕甚至破損，避免碎屑進入泵體導致壓縮機缸體卡死。

2 軸承的耐磨性驗證

進行裝機驗證，并設計對比試驗，從而驗證該新型軸承組件的耐磨性。

選取同一典型產品，設定三個裝機方案（方案一：正常機型;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），每個方案試制3臺樣機，均注入800ml的冷凍機油（該機型的正常注油量是2100ml），并分別抽檢一臺進行性能測試。數據對比發現，方案二樣機的測試功率低于方案一約2%，方案三樣機的功率更低，說明軸套的潤滑性較好。利用空調外機、銅管、節流閥、熱電偶、變頻器等搭建小循環耐久試驗平臺，設定相同的高轉速90rps及相同加速耐久壓力工況，將9臺搭載樣機的試驗平臺放置在同一實驗室內并注入相同的冷媒量，保證環境溫度也相同，定期記錄各項參數指標，直至壓縮機損壞，統計并對比運轉時間，結果如表1所示。

對比壽命數據發現，方案三的耐磨性最優，方案二次之。解體分析發現，方案一的3臺樣機均是上軸承與曲軸咬合抱死;方案二的樣本3的下軸承內徑異常磨損，推測是大量磨損產生的金屬碎屑落入缸體導致泵體卡死，3個樣本的上軸的軸套狀態完好無損;方案三的上下軸承的軸套狀態均完好，推測異物導致樣本2泵體異常卡死，造成停機。綜上，新型軸承具有很好的耐磨性。考慮產品成本因素，僅上軸承內徑配置軸套結構即可滿足使用需求，因此上述方案二為最優方案。

3 結語

文章通過分析轉子式壓縮機的磨損形式及相關零件目前的技術性能，推導出改善磨損的優化方向，并詳細分析了改善的技術路線，導入非金屬材質的軸套，將其與傳統軸承組合成一款新型耐磨軸承組件，并通過對比試驗驗證了該新型軸承組件具有非常好的耐磨性能，實現了設計目標。

參考文獻

[1] 李祥松，孫建章.滾動轉子式壓縮機主軸承變形泄漏分析[J].沈陽理工大學學報，2006（05）：74-76.

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

[3] 周國民，趙家瑤.固體潤滑滑動軸承的研究[J].潤滑與密封，1988（01）：63-68.

[4] 唐正剛.從空調壓縮機故障分析談空調設備的維護[J].設備管理與維修，2019（23）：75-76.