冰箱壓縮機活塞的幾個關鍵特性

廖小寧 孫士杰 湯宇明 徐建中 金文輝 盛正堂 石中玉（華意壓縮機股份有限公司 江西景德鎮 333000）

1 引言

全封閉冰箱壓縮機主要由泵體、電機、殼體三部分組成。泵體是壓縮機工作時機械傳動的重要部分。泵體結構內零部件的機械特性直接影響到壓縮機性能。活塞是壓縮機泵體的重要零部件之一。在整個壓縮機運行過程中，承擔著壓縮高溫高壓氣體制冷劑，將機械能直接轉化成內能的重要工作。在高溫、高壓、高速的工作環境中，活塞必須具備良好的機械性能、合理的結構設計和精密的加工工藝等關鍵特性。這些特性決定了活塞的性能和壽命，影響了壓縮機的整機性能。本文就活塞對壓縮機性能影響較大的幾個關鍵特性做如下分析。

2 活塞材料特性

2.1 活塞必須具有較高的強度和剛度

壓縮機運轉時，活塞兩側存在較大的壓力差，如表1。且自身又在高速地做往復直線運動，承受著巨大的擠壓力、拉伸力和交變應力。這就要求活塞具有足夠的強度，來保證其自身的結構不被破壞。

通常活塞和缸孔配合間隙非常小（常常只有幾個μm），這就要求活塞有足夠的剛度，當活塞受到巨大的擠壓力時，保證活塞體不變形，活塞才能在缸孔內動作。否則，活塞容易在缸孔內卡死。

由圖1可知，活塞在工作過程中，排氣時所受最大作用力為Fgd,吸氣時所受作用力最小為Fgs。（其中Fgd為排氣氣體力，Fgs為吸氣氣體力，而排氣氣體力近似為冷凝壓力，吸氣氣體力近似為蒸發壓力）

2.2 活塞必須具有較高的傳熱性能

活塞無時無刻不處于高溫高壓的環境中，在高溫環境下，制冷劑氣體在氣缸中的比容隨溫度的升高而增大。如果活塞導熱系數高，能及時將氣缸中制冷劑氣體的熱量傳遞出去，勢必降低氣缸內制冷劑氣體溫度，減小制冷劑氣體比容，加大制冷劑質量流。提高壓縮機的輸氣系數，提高制冷量與COP值的大小。

2.3 活塞必須具有較小的熱漲系數

為了保證和提高壓縮機輸氣系數，活塞與氣缸間配合隙非常小。小型冰箱壓縮機工作時，氣缸溫度在100℃以上。活塞本身是金屬件，導熱性能較好，在運轉過程中產生和吸收大量的熱量。如果熱漲系數大，活塞體積膨脹，外徑增大，可能導致活塞與氣缸間隙減小，摩擦力增大，壓縮機輸入功率變大，COP下降。因此，活塞的熱漲系數是壓縮機性能重要影響因數。為保證活塞與缸孔的最佳氣缸間隙，盡量使活塞和曲軸箱的的熱膨脹系數相近。

2.4 活塞質量小

壓縮機工作時，活塞在缸孔內做往復直線運動，受往復慣性力作用。往復慣性力的大小影響壓縮機整體振動性能。而活塞慣性力的大小與活塞的質量大小成正比。適當控制活塞的質量，可保持壓縮機整體振動穩定性。

3 結構設計

3.1 活塞頭部倒角

活塞倒角大小占壓縮機余隙比例較小，但對防止磕碰，保證機械效率卻起到重要的作用。活塞從毛坯到成品再到裝配的過程中，工序較多，且要經過多次運輸傳遞，設計不當，極易產生微小毛刺磕碰，增大摩擦阻力，加大輸入功率，降低COP值。有的甚至導致活塞卡死，壓縮機無法正常工作。傳統活塞倒角采用普通倒角結構，倒角后，仍留有兩個小倒角。易產生磕碰毛刺，如圖2所示。近些年采用的圓弧倒角結構，圓弧形狀倒角大大減低了磕碰毛刺的出現，如圖3所示。

3.2 活塞端面凸臺設計

壓縮機輸氣系數λ是實際輸氣量與理論輸氣量之比，也是壓縮機的實際制冷量與理論制冷量之比。而輸氣系數又是容積系數、壓力系數、溫度系數、泄漏系數之積。

λ=λV·λP·λT·λI

式中：λV為容積系數

λP為壓力系數

λT為溫度系數

λI為泄漏系數

又有：λV=1V0/Vh[(Pd/Ps)1/m1]

式中：V0為余隙容積

Vh理論容積輸氣量

Pd為排氣壓力

Ps為吸氣壓力

m為多變膨脹指數

當其他條件一定時，壓縮機制冷性能隨著余隙容積的增大而減小。所以減小余隙容積對提高壓縮制冷性能有積極作用。活塞凸臺的設計正是減小余隙的一種措施。

例：取某款小型高效壓縮機，分兩組。每組各3臺壓縮機，其他零部件一樣，僅活塞一組帶凸臺，另一組不帶凸臺。各零件為同一批次生產的同型號產品，且裝配條件相同。在同一個量熱臺上測試量熱。試驗結果如表3。

3.3 油槽及尾槽設計

壓縮機機械運動中，摩擦功率主要由兩部分組成：往復摩擦功率和旋轉摩擦功率。前者是活塞和氣缸壁的摩擦損失，后者是軸承，連桿大頭孔和曲柄銷等的摩擦損失和驅動油泵的功率。往復摩擦功率約占總摩擦功率的比例較大，通過對活塞的優化，減小往復摩擦功率，可增加壓縮機指示功率，提高壓縮機的機械效率。

因而，設計者通常會對活塞結構進行優化設計。活塞油槽和尾槽就是其中兩種優化設計。有些活塞柱體面常會設計一個油槽，一是儲存潤滑油，對活塞往復運動進行充分潤滑。二是儲存在油槽中的冷凍油起一個密封圈的作用，封堵高溫高壓端制冷劑氣體，提高壓縮機的輸氣效率。三是減小活塞與缸孔的接觸面積，從而減小活塞往復運動時所需克服的摩擦力。如圖4所示，活塞中部有一個油槽，且與銷孔相連。

有些小型高效冰箱壓縮機，鑒于制冷量偏小而效率要求又高。有些設計者常會在活塞尾部設計一個尾槽。既可以消除活塞尾部磕碰產生的毛刺對壓縮機裝配的影響，又可以減小活塞與缸孔的接觸面積，提高壓縮機機械效率。如圖4所示。某些迷你型高效壓縮機，為得到更高的機械效率，常采用大面積減小活塞接觸面積方式來實現。如圖5、6所示。

圖1 壓縮機工作過程中活塞受力圖

圖2 傳統活塞直角倒角

4 活塞的制造工藝

壓縮機工作時，活塞在缸孔內做高速的往復直線運動，高溫、高壓、高密封性的工作環境要求活塞必須具備高精度制造工藝。

4.1 活塞外圓加工

小型冰箱壓縮機活塞與缸孔的配合間隙僅為幾個微米，活塞外圓圓度要求非常高。試驗表明當壓縮機壓力比、缸孔孔徑、吸排氣密封狀況等條件一定時，活塞與缸孔配合間隙增大，壓縮機泄漏系數減小，輸氣系數減小，制冷量降低。活塞外圓圓度增大可導致活塞與缸孔間隙增大，壓縮機制冷量減小。

表1 常見壓縮機制冷劑壓力參數表

表2 某系列小型制冷冰箱壓縮機凸臺對余隙減小的情況表

圖3 圓弧倒角

圖4

圖5

圖6

圖7 活塞銷孔棱邊

圖8 活塞銷孔內倒角

表3 某款壓縮機活塞凸臺試驗量熱結果表

活塞外圓加工通常采用外圓無心磨床磨削加工。砂輪的材質、砂粒的大小、磨削速度、導輪速度等對活塞外圓圓度的保證都有影響。

4.2 活塞銷孔

曲軸箱與活塞外圓、活塞銷孔與活塞銷、連桿與活塞銷、連桿與曲軸之間的配合間隙非常小，這就要求活塞銷孔相對外圓的垂直度精度較高，以保證活塞運動中心與缸孔中心的同軸度。

活塞銷孔內倒角是指活塞銷孔與內腔相連部分棱邊倒角，如圖8。活塞銷孔經過的鉆孔、鉸孔、輥光工藝后，銷孔加工后精度達到技術要求，但銷孔內棱邊仍沒有去除，如圖7。而孔內棱邊常常容易產生毛刺，具有重大隱患。

采用彈簧倒角刀加工可解決這個問題，即刀桿一邊旋轉，一邊進給，伸入銷孔中，當倒角刀到達兩棱邊位置時，刀桿前端碰到前面擋板，刀桿前端受壓后，在彈簧力作用下，倒角刀從刀桿內彈出，對兩棱邊進行倒角。倒出的倒角平整光潔，很好地杜絕了銷孔棱邊毛刺對活塞的影響。

4.3 活塞表面磷化

普通小型冰箱壓縮機電機轉速達2940r/min，若以曲軸偏心距為0.009計算，活塞速度為：Vp=4ne=4×2940×0.009/60=1.76m/s式中：n 為電機轉速

e 為曲軸偏心距

從上可知，壓縮機工作時，活塞速度較快。另外在氣體力的作用下，活塞還受側向力的作用，這無疑加大了活塞與氣缸之間的摩擦。而在實際生產過程中，生產廠家通常會對活塞表面進行磷化處理。

活塞進行表面錳鐵磷化后，表面形成一層磷化膜。磷化膜有兩個好處：一是使活塞具有較好的耐磨性，提高了活塞壽命；二是對冷凍油有吸附作用，為高速運動的活塞提供一個良好的潤滑環境。大大減小了活塞運動的摩擦力，提高了壓縮機泵體效率和使用壽命。

另外活塞外圓的粗糙度、清潔度對活塞機械效率有較大的影響，對活塞工作性能和壽命都有至關重要作用。許多活塞失效的案例中，就有部分是因為活塞光潔度差，導致活塞卡缸，壓縮機無法運行，可見保證活塞外圓粗糙度和清潔度也是很必要的。

5 結論

綜上所述，冰箱壓縮機小型化、高效化發展趨勢迫切要求壓縮機生產商對壓縮機各零部件進行再一步優化升級。活塞作為壓縮機泵體關鍵零部件之一，其特性對壓縮機性能影響不可小覷。活塞材料、整體結構和加工工藝等都是活塞的關鍵特性。從這些特性著手，進一步改進設計優化，壓縮機性能可以得到較大的提高，同時品質也能得到更好的保證。

[1] 劉東.小型全封閉制冷壓縮機.科技出版社，1990

[2] 郁永章.容積式壓縮機手冊.機械工業出版社.2000

[3] 吳業正.小型制冷裝置設計指導.機械工業出版社.2010