滚动转子式压缩机合理注油量分析与试验研究_陈瑞武.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G8 8-9 1收稿日期:2 0 2 1-0 7-0 1,修回日期:2 0 2 1-0 8-1 7作者简介:陈瑞武,主要从事压缩机等制冷零件失效分析工作。滚动转子式压缩机合理注油量分析与试验研究陈瑞武 吕丹丹 赵旭敏 蔡伟达(珠海格力电器股份有限公司)摘 要 注油量是保证压缩机可靠高效运行的重要参数之一。根据压缩机系统应用建立注油量分析模型,详细介绍了分析模型中各个参数的获取方法,通过性能、噪声和可靠性试验验证该模型的准确性。分析模型考虑到压缩机运行的极限工况和采用可靠性试验获得的最低油位,能够较好地保证压缩机正常工作时状态,为压缩机注油量设计提供参考。关键词 制冷压缩机;注油量;分析模型;可靠性A n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l s t u d yo nr e a s o n a b l eo i lm a s so fr o t a r yc o m p r e s s o rC h e nR u i w u L y uD a n d a n Z h a oX u m i n C a iW e i d a(G r e eE l e c t r i cA p p l i a n c e s,I n c.o fZ h u h a i)A B S T R A C T O i lm a s s i so n eo f t h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r s t oe n s u r e r e l i a b l eo p e r a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yo f r o t a r yc o m p r e s s o r.A c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fc o m p r e s s o rs y s t e m,t h i sp a p e r e s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f o i lm a s s,i n t r o d u c e s t h em e t h o do f o b t a i-n i n ge a c hp a r a m e t e r i nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i nd e t a i l,a n dv e r i f i e st h ea c c u r a c yo f t h em o d e l t h r o u g hp e r f o r m a n c e,n o i s ea n dr e l i a b i l i t yt e s t s.T h e m a t h e m a t i c a lm o d e lt a k e si n t oa c c o u n t t h el i m i to p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ec o m p r e s s o ra n dt h em i n i m u mo i l l e v e lo b t a i n e db yt h er e l i a b i l i t yt e s t,w h i c hc a nb e t t e re n s u r et h en o r m a lw o r k i n gs t a t eo f t h ec o m p r e s s o r.I tp r o v i d e sar e f e r e n c e f o r t h ed e s i g no fo i lm a s so f t h ec o m p r e s s o r.K E Y WO R D S c o m p r e s s o r;o i lm a s s;a n a l y s i sm o d e l;r e l i a b i l i t y 滚动转子式压缩机广泛应用于空调和制冷设备,其在整机系统上表现出的能效和质量是衡量压缩机优劣的重要内容。压缩机整个寿命周期的主要失效形式为磨损,因此研究压缩机泵体零件的润滑十分重要1。润滑油除润滑之外,在压缩机内还起到密封、冷却和清除杂质的作用。而润滑油的效果与注油量息息相关,因此注油量作为压缩机重要技术参数受到越来越多的关注。由于注油量在保障压缩机可靠运行和使用寿命中起重要作用,为了保证润滑,常常将压缩机允许的最大注油量作为其初始注油量,但注油量过高会导致压缩机在使用时排油率高,影响蒸发器和冷凝器的换热和压缩机的回油与吸气,从而导致制冷系统能效出现衰减问题。而压缩机注油量减少则会导致零部件润滑不足,造成零件异常磨损发热进而导致排气温度过高和电机绝缘件的失效,严重时会导致压缩机卡死。因此,研究压缩机注油量十分重要。因为润滑油主要影响压缩机的可靠性,所以相关研究主要集中于压缩机内部油特性和排油率。魏会军等2通过建立在线油粘度和油温过热度测试方法,通过对恶劣工况的测试分析,为润滑可靠性的研究及评价提供了参考。张仕强等3对空调系统进行研究,设计压缩机排油率测试方法,并对各因素对压缩机排油率的影响进行了分析。周易等4通过软件仿真的方式研究了压缩机在运 第1期陈瑞武 等:滚动转子式压缩机合理注油量分析与试验研究8 9 行过程中的油分布特性,分析了不同频率下油气循环的变化情况,为降低排油率和保证零部件润滑提供了基础理论。而关于注油量的研究内容相对较少,李晓文等5通过试验得出了压缩机最低注油量试验方法,为压缩机设计提供了依据,但其研究过程未考虑实际工况,其模型相关参数的考察也未与实际应用相结合。因此,有必要根据压缩机系统实际应用建立评估转子压缩机合理注油量的新方法。本文通过系统分析建立滚动转子压缩机注油量模型,通过性能、噪声、可靠性等方面对不同注油量的压缩机进行验证,得出确定压缩机最佳注油量的研究方法,为压缩机注油量提供参考。1 分析模型建立分析制冷循环时压缩机中润滑油的去向分布,同时假设初始状态下,初始注油量V全在压缩机底部。开机时润滑油沿油路和制冷剂流动分为4部分如图1所示,分别是:1)存于空调整机(含分液器)中未回压缩机壳体内的油,称为“系统吃油量”V1;2)压缩机工作时运动部件润滑所需的油,称为“泵体润滑油量”V2;3)电机、泵体和壳体内表面粘附的油,称为“粘滞表面油量”V3;4)压缩机油池中储油量V4。图1 系统运行时润滑油分布根据润滑油分布获得压缩机注油量模型公式:V=V1+V2+V3+V4(1)系统吃油量和压缩机内部储油量占制冷系统总油量的比例大,为了保证压缩机内部零件的润滑,取最大系统吃油量V1 m a x和满足单机可靠运行的最低储油量V4 m i n作为压缩机可靠运行的极限油量。压缩机理论最低注油量为:Vm i n=V1 m a x+V2+V3+V4 m i n(2)式(2)中:V1 m a x为最大系统吃油量(m l);V4 m i n为满足单机可靠运行的最低储油量(m l)。即系统最大吃油工况下,压缩机能够安全可靠工作的最佳注油量。滚动转子压缩机采用上述分析模型获得的各个参数结合了实际应用,通用性强。1.1 系统吃油量V1系统吃油量V1主要为冷凝器、蒸发器和系统管路残余的油,这部分油主要从以下3个方面分析考虑:1)润滑油与制冷剂的溶解特性,低温静置后制冷剂和油积存于压缩机底部,启动初期制冷剂蒸发沸腾携带大量润滑油进入系统;加之低温工况下,蒸发温度极低,润滑油粘度大,流动性差,更难以回到压缩机;2)空调系统尤其是多联机系统在实际工程应用中,因为各个房间的实际情况,往往会额外加长内外机连接管,并根据加长的连接管按一定的比例追加制冷剂。此种情况下,压缩机启动时油会更加容易被带出,同时回油的难度也会增大;3)在超高温制冷等高温高压的工况下,压缩机壳体内温度高,润滑油粘度降低,更容易跟随制冷剂被带走;同时蒸发侧温度、压力骤然下降,极易导致润滑油粘附在蒸发器铜管内表面,无法顺利回到压缩机。综合分析上述影响,设计超低温静置后启动、加长连接管追加一定比例制冷剂、高温高负荷工况反复开停机等试验研究系统吃油量的变化情况。1.2 泵体润滑油量+粘滞表面油量(V2+V3)在压缩机结构确定的情况下,各泵体间隙的润滑油量也是确定不变的。影响压缩机壳体内表面粘滞油量的主要因素是油的粘度。从润滑油特性分析,随 着 温 度 的 升 高,润 滑 油 粘 度 逐 渐 降低6-8。当排气温度高于7 1.6时,润滑油的粘度急剧降低。此后随着温度继续升高,粘度变化相对平缓,基本保持恒定不变。图2 粘度温度曲线 9 0 第2 3卷 因为无法将粘滞表面油量和泵体润滑油量进行分离,故将二者作为一个整体分析。为研究压缩机粘滞表面油量和泵体润滑油量随温度的变化情况,将压缩机放置于温度为4 0、6 0和8 0的可控恒温恒湿箱中静置3h,待压缩机内部油路浸润完全后,倒出压缩机内的油并称重,以此评估不同温度条件下倒出油量的大小。1.3 油池储油量V4压缩机壳体底部积存的油量统称为油池储油量,此部分油量可根据压缩机油位和壳体内部结构评估。压缩机内分别注入6 5 0m l和5 0 0m l的冷冻油,进行单机可靠性验证,并通过油透镜确认运行过程中油位下降情况,判断油池最低储油量V4 m i n。可靠性试验工况为压缩机运行范围图的边界或范围图外部工况点,运行时间10 0 0h。表1 可靠性试验参数试验项目初始油位/mm运行时间/h实际注油量/m l工况a5 8.310 0 06 5 0工况b5 8.310 0 06 5 0工况c4 910 0 05 0 0工况d4 910 0 05 0 02 试验结果与分析2.1 粘滞表面油量V2+泵体润滑油量V3温度变化对粘滞表面油量和泵体润滑油量的影响如表2,总油量随温度变化呈下降趋势,但变化幅度较小,因此认为压缩机在该位置的储油量为2 0 8m l。表2 不同温度下的油量油温/4 06 08 0(V2+V3)/m l2 1 02 0 82 0 42.2 系统最大吃油量V1 m a x压缩机在制冷剂灌注量大、超低温频繁启动时压缩机油液面最低,此时观测到的最低油面在中间视液镜的底部,实际油位5 6mm,结合压缩机结构设计,计算油池储油量V4为6 0 0m l。系统吃油量为:V1 m a x=V-V2-V3-V4(3)即V1 m a x为1 4 2m l,为系统吃油量。2.3 油池储油量V4压缩机可靠性试验结果如表3,通过单机可靠性试验可以看出,注油量为6 5 0m l时,压缩机单体可靠性合格,而5 0 0m l时压缩机的单体可靠性不合格。造成可靠性不合格的现象主要为滚子和法兰、隔板的异常磨损,接触面呈现出明显的沟痕。结合无异常磨损压缩机运行时的观测油位,得出压缩机单机可靠性运行时的最低注油量在4 0 0m l左右。表3 不同注油量对压缩机可靠性的影响情况试验项目观测油位/油量解剖情况工况a4 0mm/3 7 4m l解剖无异常磨损工况b4 0mm/3 7 4m l解剖无异常磨损工况c无法观测1)下法兰与下滚子接触面异常磨损;2)下 滚 子 与 隔 板 接 触 面 异 常磨损工况d无法观测1)下法兰与下滚子接触面异常磨损;2)下滚子与隔板接触面磨损2.4 验证试验设计及结果研究方法:压缩机注入适量冷冻油,在单机和整机上分别对其进行性能、噪声、振动等方面评估,得出满足单机运行和整机运行最佳注油量,同时验证注油量模型准确性。满足整机最低注油量可用以下公示算出:Vm i n=V1 m a x+V2+V3+V4 m i n(4)综上可得:系统吃油量V1 m a x为1 4 2m l;泵体润滑油量和粘滞表面