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摘 要：转子式压缩机是空调的核心，轴承则是转子式压缩机的关键部件，对其可靠性具有决定性作用。文章分析了压缩机的磨损状态，针对轴承磨损现象严重的问题，设计了一款由传统轴承与轴套共同组成的新型耐磨轴承组件，并设计对比耐久实验，通过运转寿命说明了该轴承组件的优越性能，能够用于应对制冷系统在严苛工况不能长时间运转的现状。
关键词：转子压缩机;耐磨轴承组件;轴套
中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-089-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.038
转子式压缩机具有结构简单、重量轻、体积小、成本低等特点[1]，随着制冷行业的快速发展，进一步拓展了转子式压缩机的应用领域，对其性能、可靠性提出了更高的要求[2]。尤其在应用于多联机系统中，系统的管路配管较长及内外机之间高度差较大，易造成管路存油，导致压缩机回油困难，对其可靠性带来不良影响。作为转子式压缩机的核心部件，轴承结构的优良直接决定了压缩机的稳定性。因此，设计耐磨轴承应对制冷系统在恶劣工况条件下的正常运转是有必要的。
1 耐磨轴承设计
转子式压缩机通过电机转子带动曲轴为泵输入压缩动力，泵体吸入蒸发器的低温低压气体经压缩后排出高温高压冷媒气体，然后进入冷凝器，经节流装置进入蒸发器，形成闭环回路，其中压缩机为整个系统提供冷媒循环动力。泵体上下端盖不仅起到密封压力腔及排气作用，而且也是支承轴系稳定可靠运转的动压滑动轴承，其中主轴承也是泵体连接外壳的关键固定零件。因此，轴承的设计要点即为内径、外径、排气孔径等相关尺寸设计。一般来说，轴承材料为灰铸铁，曲轴材料为耐磨铸铁，压缩机运转过程中，轴承内径与曲轴外径间形成动压油膜，从而起到润滑作用。为了提升耐磨性，曲轴会进行磷化处理，但轴承内径没有特殊处理。空调系统实际的安装条件、运行工况多样等会影响压缩机的正常回油，从而造成压缩机长时间少油运转，严重时不足以形成良好的润滑油膜，导致轴承与曲轴异常磨损甚至咬合破坏，严重影响了压缩机正常运转直至损坏并停机。
通过实际调研，发现轴承磨损现象主要表现为两方面，轴承的内径异常磨损及曲轴磷化层破坏露出金属光面。鉴于曲轴采取磷化对策已提升了本身的耐磨性，拟定优化方向为降低轴承内径的摩擦系数。现有轴承内径为珩磨加工，摩擦系数已经达到现有加工能力的最小值，因此，现有轴承结构已基本没有改善空间，可以借鉴大型滑动轴承内部的轴瓦结构，在传统上轴承内径设计增加轴套形成新型上轴承组件结构，轴套如图1所示，新型上轴承组件如图2所示。设计轴套的目的是，在保证轴承功能的前提下，降低轴承与曲轴相互之间的磨损。因此，轴套本身应具有很低的摩擦系数及与曲轴具有很好的兼容性。压缩机运转时曲轴相对轴承旋转，如果轴套安装不良，配合面之间的油膜作用力会带动轴套旋转，包括内径加工过程中也是类似，从而造成轴承失效，严重时会导致运转轴系倾斜致剧烈磨损。因此，轴套材料应与金属基材具有良好的附着力，保证轴套与轴承间的配合可靠。一般压缩机运转时的排气温度在80℃～120℃之间，因此耐热性是轴套设计必须考虑的性能参数，热膨胀系数须等于或高于金属基材，从而进一步确保轴套与轴承间的过盈配合[3]。制冷系统因清洁度等问题，易造成内部冷冻机油呈酸性[3]，对压缩机零部件的耐腐蚀性提出了很高的要求，所以轴套必须具有较强的耐腐蚀性[4]。另外，同时需考虑轴套材质的可加工性、经济性、存放条件要求、吸油状态等。综上，选取某非金属材料作为轴套的使用材料。为实现轴套功能的同时保证压缩腔的密封，轴套不应探出轴承大端面，因此轴套的长度尺寸需略小于轴承高度;因曲轴外径尺寸一定，轴套的内径即已确定，为了保证轴套的使用强度，需具有足够的厚度。通过设计计算及强度校核，并设计轴承组件强度确认试验，通过理论与实际反复校核确认，设定外径尺寸。
加工方面，通过实际加工试验件验证确认最优加工进给速度，将轴套压入已粗加工完成的轴承内径，然后选用通用刀具对轴套内径进行精加工，最后进行内径上油沟的加工。其中，因配合面油膜需要及考虑到轴套材质较脆，须先进行倒角，后进行油沟加工，否则极易造成轴套在进刀及退刀交界面“缺肉”，影响轴套的应用性能。整个加工过程需严格保证轴套的完成性，加工完成后肉眼确认工件是否有裂痕甚至破损，避免碎屑进入泵体导致压缩机缸体卡死。
2 轴承的耐磨性验证
进行装机验证，并设计对比试验，从而验证该新型轴承组件的耐磨性。
选取同一典型产品，设定三个装机方案（方案一：正常机型;方案二：上轴承有轴套，下轴承正常;方案三：上、下轴承均有轴套），每个方案试制3台样机，均注入800ml的冷冻机油（该机型的正常注油量是2100ml），并分别抽检一台进行性能测试。数据对比发现，方案二样机的测试功率低于方案一约2%，方案三样机的功率更低，说明轴套的润滑性较好。利用空调外机、铜管、节流阀、热电偶、变频器等搭建小循环耐久试验平台，设定相同的高转速90rps及相同加速耐久压力工况，将9台搭载样机的试验平台放置在同一实验室内并注入相同的冷媒量，保证环境温度也相同，定期记录各项参数指标，直至压缩机损坏，统计并对比运转时间，结果如表1所示。
对比寿命数据发现，方案三的耐磨性最优，方案二次之。解体分析发现，方案一的3台样机均是上轴承与曲轴咬合抱死;方案二的样本3的下轴承内径异常磨损，推测是大量磨损产生的金属碎屑落入缸体导致泵体卡死，3个样本的上轴的轴套状态完好无损;方案三的上下轴承的轴套状态均完好，推测异物导致样本2泵体异常卡死，造成停机。综上，新型轴承具有很好的耐磨性。考虑产品成本因素，仅上轴承内径配置轴套结构即可满足使用需求，因此上述方案二为最优方案。
3 结语
文章通过分析转子式压缩机的磨损形式及相关零件目前的技术性能，推导出改善磨损的优化方向，并详细分析了改善的技术路线，导入非金属材质的轴套，将其与传统轴承组合成一款新型耐磨轴承组件，并通过对比试验验证了该新型轴承组件具有非常好的耐磨性能，实现了设计目标。
參考文献
[1] 李祥松，孙建章.滚动转子式压缩机主轴承变形泄漏分析[J].沈阳理工大学学报，2006（05）：74-76.
[2] 胡余生，徐嘉，任丽萍.转子式压缩机轴承载荷计算方法研究[J].制冷技术，2016，36（01）：46-49.
[3] 周国民，赵家瑶.固体润滑滑动轴承的研究[J].润滑与密封，1988（01）：63-68.
[4] 唐正刚.从空调压缩机故障分析谈空调设备的维护[J].设备管理与维修，2019（23）：75-76.
关键词：转子压缩机;耐磨轴承组件;轴套
中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-089-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.038
转子式压缩机具有结构简单、重量轻、体积小、成本低等特点[1]，随着制冷行业的快速发展，进一步拓展了转子式压缩机的应用领域，对其性能、可靠性提出了更高的要求[2]。尤其在应用于多联机系统中，系统的管路配管较长及内外机之间高度差较大，易造成管路存油，导致压缩机回油困难，对其可靠性带来不良影响。作为转子式压缩机的核心部件，轴承结构的优良直接决定了压缩机的稳定性。因此，设计耐磨轴承应对制冷系统在恶劣工况条件下的正常运转是有必要的。
1 耐磨轴承设计
转子式压缩机通过电机转子带动曲轴为泵输入压缩动力，泵体吸入蒸发器的低温低压气体经压缩后排出高温高压冷媒气体，然后进入冷凝器，经节流装置进入蒸发器，形成闭环回路，其中压缩机为整个系统提供冷媒循环动力。泵体上下端盖不仅起到密封压力腔及排气作用，而且也是支承轴系稳定可靠运转的动压滑动轴承，其中主轴承也是泵体连接外壳的关键固定零件。因此，轴承的设计要点即为内径、外径、排气孔径等相关尺寸设计。一般来说，轴承材料为灰铸铁，曲轴材料为耐磨铸铁，压缩机运转过程中，轴承内径与曲轴外径间形成动压油膜，从而起到润滑作用。为了提升耐磨性，曲轴会进行磷化处理，但轴承内径没有特殊处理。空调系统实际的安装条件、运行工况多样等会影响压缩机的正常回油，从而造成压缩机长时间少油运转，严重时不足以形成良好的润滑油膜，导致轴承与曲轴异常磨损甚至咬合破坏，严重影响了压缩机正常运转直至损坏并停机。
通过实际调研，发现轴承磨损现象主要表现为两方面，轴承的内径异常磨损及曲轴磷化层破坏露出金属光面。鉴于曲轴采取磷化对策已提升了本身的耐磨性，拟定优化方向为降低轴承内径的摩擦系数。现有轴承内径为珩磨加工，摩擦系数已经达到现有加工能力的最小值，因此，现有轴承结构已基本没有改善空间，可以借鉴大型滑动轴承内部的轴瓦结构，在传统上轴承内径设计增加轴套形成新型上轴承组件结构，轴套如图1所示，新型上轴承组件如图2所示。设计轴套的目的是，在保证轴承功能的前提下，降低轴承与曲轴相互之间的磨损。因此，轴套本身应具有很低的摩擦系数及与曲轴具有很好的兼容性。压缩机运转时曲轴相对轴承旋转，如果轴套安装不良，配合面之间的油膜作用力会带动轴套旋转，包括内径加工过程中也是类似，从而造成轴承失效，严重时会导致运转轴系倾斜致剧烈磨损。因此，轴套材料应与金属基材具有良好的附着力，保证轴套与轴承间的配合可靠。一般压缩机运转时的排气温度在80℃～120℃之间，因此耐热性是轴套设计必须考虑的性能参数，热膨胀系数须等于或高于金属基材，从而进一步确保轴套与轴承间的过盈配合[3]。制冷系统因清洁度等问题，易造成内部冷冻机油呈酸性[3]，对压缩机零部件的耐腐蚀性提出了很高的要求，所以轴套必须具有较强的耐腐蚀性[4]。另外，同时需考虑轴套材质的可加工性、经济性、存放条件要求、吸油状态等。综上，选取某非金属材料作为轴套的使用材料。为实现轴套功能的同时保证压缩腔的密封，轴套不应探出轴承大端面，因此轴套的长度尺寸需略小于轴承高度;因曲轴外径尺寸一定，轴套的内径即已确定，为了保证轴套的使用强度，需具有足够的厚度。通过设计计算及强度校核，并设计轴承组件强度确认试验，通过理论与实际反复校核确认，设定外径尺寸。
加工方面，通过实际加工试验件验证确认最优加工进给速度，将轴套压入已粗加工完成的轴承内径，然后选用通用刀具对轴套内径进行精加工，最后进行内径上油沟的加工。其中，因配合面油膜需要及考虑到轴套材质较脆，须先进行倒角，后进行油沟加工，否则极易造成轴套在进刀及退刀交界面“缺肉”，影响轴套的应用性能。整个加工过程需严格保证轴套的完成性，加工完成后肉眼确认工件是否有裂痕甚至破损，避免碎屑进入泵体导致压缩机缸体卡死。
2 轴承的耐磨性验证
进行装机验证，并设计对比试验，从而验证该新型轴承组件的耐磨性。
选取同一典型产品，设定三个装机方案（方案一：正常机型;方案二：上轴承有轴套，下轴承正常;方案三：上、下轴承均有轴套），每个方案试制3台样机，均注入800ml的冷冻机油（该机型的正常注油量是2100ml），并分别抽检一台进行性能测试。数据对比发现，方案二样机的测试功率低于方案一约2%，方案三样机的功率更低，说明轴套的润滑性较好。利用空调外机、铜管、节流阀、热电偶、变频器等搭建小循环耐久试验平台，设定相同的高转速90rps及相同加速耐久压力工况，将9台搭载样机的试验平台放置在同一实验室内并注入相同的冷媒量，保证环境温度也相同，定期记录各项参数指标，直至压缩机损坏，统计并对比运转时间，结果如表1所示。
对比寿命数据发现，方案三的耐磨性最优，方案二次之。解体分析发现，方案一的3台样机均是上轴承与曲轴咬合抱死;方案二的样本3的下轴承内径异常磨损，推测是大量磨损产生的金属碎屑落入缸体导致泵体卡死，3个样本的上轴的轴套状态完好无损;方案三的上下轴承的轴套状态均完好，推测异物导致样本2泵体异常卡死，造成停机。综上，新型轴承具有很好的耐磨性。考虑产品成本因素，仅上轴承内径配置轴套结构即可满足使用需求，因此上述方案二为最优方案。
3 结语
文章通过分析转子式压缩机的磨损形式及相关零件目前的技术性能，推导出改善磨损的优化方向，并详细分析了改善的技术路线，导入非金属材质的轴套，将其与传统轴承组合成一款新型耐磨轴承组件，并通过对比试验验证了该新型轴承组件具有非常好的耐磨性能，实现了设计目标。
參考文献
[1] 李祥松，孙建章.滚动转子式压缩机主轴承变形泄漏分析[J].沈阳理工大学学报，2006（05）：74-76.
[2] 胡余生，徐嘉，任丽萍.转子式压缩机轴承载荷计算方法研究[J].制冷技术，2016，36（01）：46-49.
[3] 周国民，赵家瑶.固体润滑滑动轴承的研究[J].润滑与密封，1988（01）：63-68.
[4] 唐正刚.从空调压缩机故障分析谈空调设备的维护[J].设备管理与维修，2019（23）：75-76.