小型制冷壓縮機閥片防失效技術研究進展

趙洋 張子祺 汪超 石里明 楊蕎慧

1.中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176；

2.中國家用電器研究院 北京 100037

0 引言

壓縮機作為熱泵空調、制冷器具的核心零部件，其可靠性對整機產品的運行安全和性能有著舉足輕重的意義。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國制冷壓縮機銷售規(guī)模約為5.0億臺，近3～4年來增長率穩(wěn)定在6%以上，其中應用于家用空調熱泵及制冷器具產品較多的類型為活塞式和滾動轉子式，二者銷售規(guī)模均已突破2.3億臺，占壓縮機總體銷售量的98%以上[1]，巨大的產業(yè)規(guī)模將對壓縮機可靠性提出更高的要求。通常壓縮機故障多由氣閥引起，其故障率占壓縮機總故障數(shù)的60%以上[2]，國內學者進一步針對氣閥失效原因及種類進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)機械故障發(fā)生率遠高于工藝漏洞，其中排氣閥故障率比吸氣閥高10.3%～13.0%，同時由于閥片損壞和變形引起的氣閥故障率高達52.6%以上，遠遠高于彈簧失效、密封墊斷裂、頂絲松動、壓筒以及卸荷器失效等故障[3-4]，由此可見，閥片的可靠性將直接影響壓縮機乃至整機的安全和性能。另一方面，目前在壓縮機上應用的氣閥種類包括環(huán)狀閥、網狀閥、條狀閥、舌簧閥、蝶閥和直流閥等，其中在中小型壓縮機中最常見且研究較多的為環(huán)狀閥和舌簧閥[5]，而由于兩者設計原理和結構差異，導致環(huán)狀閥更多的應用于中型、排量較大和半封閉式壓縮機中，而在小型化、高速化和全封閉式壓縮機中，應用較為廣泛的是舌簧閥，另外，通常使用環(huán)狀閥的壓縮機余隙容積會略大于使用舌簧閥的壓縮機，這也將會進一步導致前者的排氣量略低于后者。目前針對閥片防失效方面的主要研究思路包括正向結構設計、故障診斷以及材料選擇等幾個方面，本研究將對現(xiàn)階段主流的閥片防失效技術進行綜述，旨在為行業(yè)的技術發(fā)展以及新產品的研發(fā)應用提供指引。

1 壓縮機閥片正向結構設計技術研究進展

1.1 運動規(guī)律研究

了解閥片的運動規(guī)律是結構改進的前提，在這一領域國內外的研究成果頗豐，大多數(shù)的研究思路均是基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）方法研究通過閥片的流體流場以及閥片本體的運動特征，方法多為理論計算和數(shù)值模擬的方式，所常用的軟件為MATLAB、VC++、FLUENT、ANSYS、ADINA、COMSOL-Multiphsis等[6]。韓寶坤等采用CFD方法下的FLUENT模擬往復壓縮機吸氣閥流場分布，得出0.178 mm的舌簧閥在防振顫損壞和提升整機性能方面具有一定優(yōu)勢[7]。梁曉瑜等基于RNG k-ε模型構建線性壓縮機閥片的紊動射流模型并采用FLUENT進行模擬，發(fā)現(xiàn)射流沖擊閥片后可在活塞腔中心區(qū)形成兩個對稱的旋渦，同時兩個渦流的大小具有一定的差異，如圖1所示，因此可以得出閥片在工作過程中沿閥片寬度方向開啟高度不同，即閥片除豎直運動外還有小幅度的左右振顫，這對于閥片在沿寬度方向上的剪切應力設計有著一定的指導意義[8]。江志農等通過進行三維流場仿真的方式得出往復壓縮機調節(jié)裝置背壓以及復位彈簧剛度對吸氣閥片回撤速度和沖擊的影響[9]。王楓等以上述類似方法對舌簧排氣閥部分進行研究，給出了通過優(yōu)化流通截面比和閥片行程提高壓縮機可靠性的思路[10]。鄧文娟等以Workbench軟件對排氣閥片的運動過程進行模擬，建立了閥片厚度、流通面積以及疲勞壽命三者的關系[11]。除此之外，近年來國內外關于閥片運動規(guī)律方面還有大量研究，其中具有代表意義的文獻如表1所示。

圖1 不同入口速度下吸氣閥的射流速度場三維流線圖[8]

表1 國內外閥片運動規(guī)律研究結果

從表1內容可以看出當前國內外對于壓縮機閥片運動規(guī)律的研究主要集中在沖擊力分布、沖擊速度、振顫幅度、彈簧應力影響、吸排氣壓力影響以及配套部件尺寸影響等方面。歸結來看，閥片本身的動態(tài)模型較為復雜且受限因素較多，但目前的研究維度通常較為單一，如何從多維度綜合考慮閥片運動規(guī)律和壽命情況將是未來研究的關鍵性問題。

1.2 壓縮機閥片結構設計

通常對于壓縮機閥片結構的設計均是以運動規(guī)律和力學模型為前提，同時輔之以實驗研究的方法，在這方面壓縮機生產企業(yè)的研究成果居多，三洋壓縮機有限公司采用了公理設計（Axiomatic Design，簡稱AD）的方法將閥片和閥孔作為一個整體系統(tǒng)進行研究，并采用CAD建模驗證實現(xiàn)閥片性能和可靠性的提升[32]。珠海格力電器股份有限公司基于動力學仿真對閥片變形段長度、厚度和腰寬進行設計并分析了三者的運動速度和沖擊應力之間的關系（見圖2，其中，t為閥片厚度，l為閥片長度），可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下閥片越薄、越長，在相同速度下所受到的沖擊應力越大，因此在不考慮閥片制造成本的前提下，閥片設計思路宜向短而厚的方向靠攏，以便增加閥片的可靠性[33]。西安慶安制冷設備股份有限公司在兼顧壓縮機性能的同時對閥片厚度和升程進行重新設計，通過實驗驗證了高轉速轉子壓縮機閥片采用較小的升程以及較大的厚度有利于減小振動和噪聲，提高壓縮機可靠性[34]。

圖2 閥片不同厚度、不同變形段長度下沖擊速度與應力關系[33]

在科研學者方面，吉江等使用數(shù)值模擬的方法針對直線壓縮機閥片剛度進行對比發(fā)現(xiàn)剛度越大越容易發(fā)生振顫，而剛度越小則容易發(fā)生延遲關閉的現(xiàn)象[35]。吳斌等通過數(shù)值計算的方式研究了相同的閥片在不同排量壓縮機的兼容性情況，發(fā)現(xiàn)閥片的運動速度受到差異的影響較小[36]。此外，文獻[37-38]還給出了關于網狀閥閥片的一些設計思路和計算方式。在國外研究方面，F(xiàn)eng Wang同樣采用了公理設計的方法提出采用增大孔口和倒角、降低升程進而改變閥片形狀的方式達到在保證流動系數(shù)的同時降低閥片磨損的目的，如圖3所示，從圖3中可以推斷采用頭部異型的閥片有利于增大閥片與孔口的接觸面積，有效降低閥片的升程，通過實驗表明采用異型閥片后沖擊速度降低了39%，沖擊應力也大幅降低，這對于傳統(tǒng)形狀舌簧閥片的重新設計有著一定指導意義[39]。Yun Ki Kwon等通過有限元分析的多次迭代，得到理論上具有固有頻率和最佳應力分布的設計形狀，保證了閥片靈活性和可靠性[40]。Junghyoun Kim等使用ADINA軟件進行固流耦合分析證明閥片本身的固有頻率對動態(tài)特性有較大影響，并通過改善吸氣舌簧閥的長度、寬度、閥頭半徑以及厚度使沖擊力降低了15%以上[41]。

圖3 閥片改善前后磨損[39]

Andreas Egger等提出了基于仿真響應建模和多響應優(yōu)化對吸氣閥片設計和系統(tǒng)匹配的方法，如圖4所示，該方法較為全面的考慮了在閥片正向設計過程中的結構因素、運行因素以及擾動因素等對于可靠性和整體系統(tǒng)的綜合影響，同時還通過該方法對比了在1500 r/min～5000 r/min轉速下各優(yōu)化設計的優(yōu)缺點[42]。Jairo Aparecido Martins等使用X射線衍射和有限元分析方式研究了不同加工工藝對舌簧閥機械強度的影響[43]。另外，文獻[44-46]也分別針對閥片厚度、幾何變化、限位器、閥座等設計分析了閥片的可靠性和疲勞特性。

圖4 優(yōu)化相關系統(tǒng)因素和響應概述[42]

從上述研究成果可以看出，對于閥片可靠性和壽命影響較多的因素包括：閥片外形尺寸（按研究數(shù)量依次排序為：厚度、頭部曲率和形狀、長度、寬度）、剛度、氣閥其他組件（主要為閥座、彈簧和限位器）、壓縮機工況（主要為壓機吸排氣壓力、轉速）等，更多的研究是建立在保持或提升性能的基礎上提升閥片的強度，因此可以推斷今后的研究及發(fā)展方向應是更多考核閥片設計對于壓縮機乃至制冷系統(tǒng)整體的可靠性以及性能的綜合影響。

2 壓縮機閥片故障診斷技術研究進展

壓縮機閥片故障診斷技術的發(fā)展對判斷及改善壓縮機壽命同樣作出有力支撐，通常閥片的故障診斷步驟可以分為信號（特征）提取與分析，和故障分類與診斷兩個步驟，其原理在于通過提取壓縮機閥片振動規(guī)律、缸內壓力或噪聲信號并使用FFT（Fast Fourier Transform，傅里葉變換）、VMD（Variational Modal Decomposition，變分模態(tài)分解）、HHT（Hilbert-Huang Transform，希爾伯特-黃變換）、LCD（Local Characteristic-scale Decomposition，局部特征尺度分解）、LMD（Local Mean Decomposition，局部均值分解）、EMD（Empirical Mode Decomposition，經驗模態(tài)分解）以及小波變換等技術對信號進行處理，進而使用SVM（Support Vector Machines，支持向量機）和神經網絡等方式對故障進行分類和判定，另外，隨著人工智能技術的發(fā)展，深度自學習技術也被不斷應用到閥片故障診斷當中。

當前，國內外研究學者在這一領域已有大量的研究成果，張玉龍等采用了SAX（Symbolic Aggregate approXimation，符號聚合近似算法）故障特征提取的方法結合SVM進行了訓練分類，結果表明這種方式較之基于信息熵的特征提取方式有更高的診斷準確率[47]。丁承君等建立了基于PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群優(yōu)化）的RBF（Radial Basis Function）神經網絡閥片診斷機制，同時以其對比了使用小波包分級和BP（Back Propagation）神經網絡診斷，發(fā)現(xiàn)該方法具有較高的準確性和穩(wěn)定性[48]。毛偉通過AR功率譜估計、EMD、小波包等降噪手段獲取氣閥撞擊升程限制器和閥座沖擊的異常信號特征[49]。舒悅等研究了使用LMD提取環(huán)狀氣閥振動信號及故障特征的方法，并給出了閥片斷裂、彈簧失效等故障的信號特征，如圖5所示，從中可以看出使用LMD分解提取的PF分量在不同類型的故障下產生了明顯的差異，其特征參數(shù)作為判斷氣閥故障類型具有比較高的準確度和實踐意義[50]。王金東等使用了VMD進行振動信號的分解、改進度熵對原序列進行粗粒化分析，同時利用極限學習機對故障類型進行識別，提升了診斷的準確性[51]。魏中青等通過使用MLE（Maximum Likelihood Estimation，極大似然估計）閾值規(guī)則結合小波特征提取技術實現(xiàn)了閥片弱沖擊信號的獲取以及故障的早期預警[52]。馬海輝等進一步將1D-CNN（一維卷積神經網絡）應用于閥片診斷，其流程如圖6所示，該方法通過將樣本從時域轉化至頻率并進一步分類至“訓練集”和“測試集”，達到了深度自學習和訓練調整模型的目的，該方法也是人工智能技術在閥片診斷領域的一次探索，經過實驗驗證，該方法達到了100%的診斷準確率[53]。除此之外，國內一些碩博論文[54-57]也分別從信號獲取、分解和處理以及故障分類等方面進行了詳盡的研究和技術創(chuàng)新。在國外文獻方面，對于故障信號的研究也屢見不鮮，Qiang Qin等通過波形匹配將振動信號與差分進化算法優(yōu)化的參數(shù)化波形進行匹配來提取特征，展示了該技術在處理小樣本問題方面的優(yōu)勢[58]。同樣的，關于小樣本處理方面，Houxi Cui等也驗證了使用信息熵以及SVM方法具有良好的準確度[59]。Y.F. WANG等利用了AE（Acoustic Emission，聲發(fā)射）技術獲取壓縮機閥片運行過程中的壓力信號，借此判別閥門早期的閥盤破裂、變形和泄漏等故障[60]。在故障分類和預訓練領域，Van Tung Tran等提出使用一種混合深層信息網絡，包含了用于預訓練的受限波爾茲曼機深度信息網絡和用于故障分類的模糊ARTMAP（Adaptive Resonance Theory Map，自適應共振理論映射）神經網絡[61]。另外，從預測角度，文獻[62]通過推導計算閥片平移和旋轉二維運動方程的方式預測了閥片的壽命和性能；從監(jiān)測角度，文獻[63-64]通過監(jiān)測氣缸壓力、吸排氣溫度等參數(shù)來確定閥片和閥門的磨損以及彈簧退化程度。

圖5 用LMD方法分解氣閥故障信號[50]

圖6 1D-CNN 故障診斷流程圖[53]

綜合來看，國內外對于閥片故障診斷的研究呈多樣化發(fā)展，其研究的核心點通常在于信號及特征的獲取、處理和分析方式，以及故障的判定和分類技術，且隨著人工智能技術的發(fā)展，自學習式的故障預測準確率均高達95%以上，早期的故障預測也將變得愈發(fā)成熟。

3 壓縮機閥片材料研究進展

壓縮機閥片材料一直以來都被國內壓縮機生產企業(yè)認為是“卡脖子”問題之一，該材料生產技術一直被Sandvik和Voestalpine兩家廠商壟斷，二者近年來分別生產的Freeflex和Flap-X閥片鋼材料強度可以達到2000 MPa以上，與此同時還可以維持6%以上的延展率，是高溫工況壓縮機閥片的優(yōu)選材料。對于我國而言，受限于材料應用市場較小以及開發(fā)成本較高等方面的原因，在這一領域的研究相對比較滯后，然而隨著近年來各科研領域愈發(fā)重視對“卡脖子”技術的攻關，行業(yè)龍頭企業(yè)及科研學者也更加重視壓縮機閥片材料研究工作。

在金屬材料研究方面，黃石東貝電器股份有限公司對比了不銹鋼731、不銹鋼716、“15N20”“Sandvik 20C”作為閥片材料使用時的差異情況，通過實驗證明了不銹鋼731和不銹鋼716在改變閥片形狀的前提下可以作為“Sandvik 20C”的代替材料，并保證壓縮機COP和可靠性不下降[65]。梅先松等研究了“Sandvik 20C”與“Sandvik 7C27Mo2”兩種閥片鋼，指出在較高或較低的溫度時宜選用“Sandvik 7C27Mo2”材料來保證機械強度[66]。付玉彬等研究了高碳鋼閥片的金相組織和顯微硬度，研究表明閥片中含有的非金屬成分分布不均勻是材料性能下降和閥片失效的原因之一，另外閥板顯微硬度也不宜明顯高于閥片[67]。Yuan Ma等使用“Sandvik 7C27Mo2”代替原有材料進行R744往復壓縮機排氣閥片可靠性實驗研究（見圖7），使得閥片的壽命大幅延長[68]。Guo Cai Chai等對比了Sandvik HiflexTM、AISI 420以及AISI 1095作為閥片材料時的性能表現(xiàn)，指出Sandvik HiflexTM材料在抗拉強度、延展性方面具有明顯優(yōu)勢[69]。

圖7 原有和重新設計的閥片斷裂情況[68]

Abdullah Can Altunlu等研究不同鋼材中C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo的比例以及成分差別對閥片強度的影響，同時將不同材料（碳鋼、不銹鋼、高階不銹鋼）閥片的運動規(guī)律進行對比，證明了在沖擊速度14 m/s以下時，不銹鋼具有比較明顯的可靠性優(yōu)勢[70]。類似地，Michele Libralato等研究了不同材料吸氣閥片在不同沖擊速度下的壽命情況，同時證明了硝化會大幅降低在高速沖擊下的閥片壽命[71]。

在非金屬方面，當前研究較多的為PEEK（聚醚醚酮）材料或基于PEEK進行改進的材料，其中上海海立電器有限公司提出了一種變剛度閥片，由7C不銹鋼和PEEK閥片組合構成，如圖8所示，得益于PEEK材料的低硬度和高阻尼，使閥片在保持既有性能的同時其沖擊力和噪聲得以降低，同時使用雙層閥片的設計方式也給同行業(yè)設計人員提供了一定思路[72]。黃石東貝電器股份有限公司對PEEK排氣閥片壓縮機進行了500 h壽命、2000 h高溫以及20萬次開停實驗，證明了PEEK材料排氣閥片破裂的時間相比金屬閥片提升了60%以上[73]。杭州錢江壓縮機有限公司研究了碳纖維復合閥片材料的強度、噪聲等關鍵問題，通過實驗驗證了該材料應用時可以保證與Sandvik金屬閥片達到相同的強度和COP，同時噪聲值降低4 dB[74]。D.ARTNER等研究了包括PEEK材料在內的三種閥片材料在-100℃～300℃下的剪切模量變化以及微觀斷裂形式，證明了PEEK材料的強度在150℃以下時具有一定的優(yōu)勢[75-76]。另外，還有較多類似文獻[77-79]均論述了PEEK材料在作為閥片材料使用時的可靠性以及性能優(yōu)勢。除了關于材料本身的研究，還有部分文獻在材料的處理工藝方面給出了一定思路，文獻[80-81]分析了閥片鋼在淬火、回火和球化退火后的力學特性以及微觀組織，研究指出在不同的工藝溫度下材質本身屬性差距較大，并在此基礎上通過實驗給出了較為合理的工藝溫度。加西貝拉壓縮機有限公司研究了滾拋工序對冰箱壓縮機閥片的影響，得出結論為閥片滾拋處理后的疲勞壽命約為滾拋前的5倍，而其微觀組織不會發(fā)生明顯變化（見圖9），分析其原因在于拋光工藝有利于將閥片各直角和微型凸起轉化為圓弧狀，增加本體的平整程度，進而有利于解決閥片在工作過程中的受力不均等問題，避免閥片從應力集中點發(fā)生損壞[82]。文獻[83-84]進一步分析了金屬閥片鍍層（Ni-P/Ni-SiC）對閥片本身壽命的影響，給出了鍍層與閥片耐腐蝕性、綜合硬度以及脈沖電流等方面的變化規(guī)律。

圖8 雙層閥片在閥座中位置[72]

圖9 閥片滾拋前后顯微組織[82]

總體來看，當前國內外對于壓縮機閥片材料的研究已比較充分，其發(fā)展方向越來越趨向于使用非金屬材料代替現(xiàn)有金屬材料，諸多文獻也已表明非金屬材料在滿足硬度和性能要求的前提下，對于壓縮機噪聲水平有較大的提升。而在傳統(tǒng)金屬閥片材料領域，我國仍需要從材料組分、加工處理工藝等方面進一步發(fā)力。

4 結論

本次通過針對小型制冷壓縮機閥片的防失效技術調研及綜述，可以得到以下結論：

（1）在閥片運動規(guī)律方面，研究主要集中在沖擊力分布、沖擊速度、振顫幅度、彈簧應力影響、吸排氣壓力影響以及配套部件尺寸影響等，但目前研究維度較為單一，欠缺綜合考慮。

（2）在閥片結構設計方面，考慮的要點多為閥片外形尺寸（按研究數(shù)量依次排序為：厚度、頭部曲率和形狀、長度、寬度）、剛度、氣閥其他組件（主要為閥座、彈簧和限位器）、壓縮機工況（主要為壓機吸排氣壓力、轉速）等。

（3）在故障診斷技術方面，其研究的核心點通常在于信號及特征的獲取、處理和分析，且故障早期診斷和人工智能技術的加持將成為趨勢。

（4）在閥片材質研究方面，考慮噪聲影響越來越多的研究指向非金屬材料，而對于傳統(tǒng)金屬材料，其處理工藝也是解決閥片壽命的重要手段之一。