冰箱壓縮機(jī)活塞的幾個(gè)關(guān)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(jī)股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

全封閉冰箱壓縮機(jī)主要由泵體、電機(jī)、殼體三部分組成。泵體是壓縮機(jī)工作時(shí)機(jī)械傳動(dòng)的重要部分。泵體結(jié)構(gòu)內(nèi)零部件的機(jī)械特性直接影響到壓縮機(jī)性能。活塞是壓縮機(jī)泵體的重要零部件之一。在整個(gè)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，承擔(dān)著壓縮高溫高壓氣體制冷劑，將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的重要工作。在高溫、高壓、高速的工作環(huán)境中，活塞必須具備良好的機(jī)械性能、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密的加工工藝等關(guān)鍵特性。這些特性決定了活塞的性能和壽命，影響了壓縮機(jī)的整機(jī)性能。本文就活塞對(duì)壓縮機(jī)性能影響較大的幾個(gè)關(guān)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(qiáng)度和剛度

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞兩側(cè)存在較大的壓力差，如表1。且自身又在高速地做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，承受著巨大的擠壓力、拉伸力和交變應(yīng)力。這就要求活塞具有足夠的強(qiáng)度，來(lái)保證其自身的結(jié)構(gòu)不被破壞。

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

由圖1可知，活塞在工作過(guò)程中，排氣時(shí)所受最大作用力為Fgd,吸氣時(shí)所受作用力最小為Fgs。（其中Fgd為排氣氣體力，F(xiàn)gs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(fā)壓力）

2.2 活塞必須具有較高的傳熱性能

活塞無(wú)時(shí)無(wú)刻不處于高溫高壓的環(huán)境中，在高溫環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)高，能及時(shí)將氣缸中制冷劑氣體的熱量傳遞出去，勢(shì)必降低氣缸內(nèi)制冷劑氣體溫度，減小制冷劑氣體比容，加大制冷劑質(zhì)量流。提高壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)，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(shù)

為了保證和提高壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，活塞與氣缸間配合隙非常小。小型冰箱壓縮機(jī)工作時(shí)，氣缸溫度在100℃以上。活塞本身是金屬件，導(dǎo)熱性能較好，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生和吸收大量的熱量。如果熱漲系數(shù)大，活塞體積膨脹，外徑增大，可能導(dǎo)致活塞與氣缸間隙減小，摩擦力增大，壓縮機(jī)輸入功率變大，COP下降。因此，活塞的熱漲系數(shù)是壓縮機(jī)性能重要影響因數(shù)。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(shù)相近。

2.4 活塞質(zhì)量小

壓縮機(jī)工作時(shí)，活塞在缸孔內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，受往復(fù)慣性力作用。往復(fù)慣性力的大小影響壓縮機(jī)整體振動(dòng)性能。而活塞慣性力的大小與活塞的質(zhì)量大小成正比。適當(dāng)控制活塞的質(zhì)量，可保持壓縮機(jī)整體振動(dòng)穩(wěn)定性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 活塞頭部倒角

活塞倒角大小占?jí)嚎s機(jī)余隙比例較小，但對(duì)防止磕碰，保證機(jī)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(guò)程中，工序較多，且要經(jīng)過(guò)多次運(yùn)輸傳遞，設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易產(chǎn)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(dǎo)致活塞卡死，壓縮機(jī)無(wú)法正常工作。傳統(tǒng)活塞倒角采用普通倒角結(jié)構(gòu)，倒角后，仍留有兩個(gè)小倒角。易產(chǎn)生磕碰毛刺，如圖2所示。近些年采用的圓弧倒角結(jié)構(gòu)，圓弧形狀倒角大大減低了磕碰毛刺的出現(xiàn)，如圖3所示。

3.2 活塞端面凸臺(tái)設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)輸氣系數(shù)λ是實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比，也是壓縮機(jī)的實(shí)際制冷量與理論制冷量之比。而輸氣系數(shù)又是容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)之積。

λ=λV·λP·λT·λI

式中：λV為容積系數(shù)

λP為壓力系數(shù)

λT為溫度系數(shù)

λI為泄漏系數(shù)

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(shù)

當(dāng)其他條件一定時(shí)，壓縮機(jī)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(duì)提高壓縮制冷性能有積極作用。活塞凸臺(tái)的設(shè)計(jì)正是減小余隙的一種措施。

例：取某款小型高效壓縮機(jī)，分兩組。每組各3臺(tái)壓縮機(jī)，其他零部件一樣，僅活塞一組帶凸臺(tái)，另一組不帶凸臺(tái)。各零件為同一批次生產(chǎn)的同型號(hào)產(chǎn)品，且裝配條件相同。在同一個(gè)量熱臺(tái)上測(cè)試量熱。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

3.3 油槽及尾槽設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，摩擦功率主要由兩部分組成：往復(fù)摩擦功率和旋轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)油泵的功率。往復(fù)摩擦功率約占總摩擦功率的比例較大，通過(guò)對(duì)活塞的優(yōu)化，減小往復(fù)摩擦功率，可增加壓縮機(jī)指示功率，提高壓縮機(jī)的機(jī)械效率。

因而，設(shè)計(jì)者通常會(huì)對(duì)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。活塞油槽和尾槽就是其中兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)。有些活塞柱體面常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)油槽，一是儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，對(duì)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行充分潤(rùn)滑。二是儲(chǔ)存在油槽中的冷凍油起一個(gè)密封圈的作用，封堵高溫高壓端制冷劑氣體，提高壓縮機(jī)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(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦力。如圖4所示，活塞中部有一個(gè)油槽，且與銷孔相連。

有些小型高效冰箱壓縮機(jī)，鑒于制冷量偏小而效率要求又高。有些設(shè)計(jì)者常會(huì)在活塞尾部設(shè)計(jì)一個(gè)尾槽。既可以消除活塞尾部磕碰產(chǎn)生的毛刺對(duì)壓縮機(jī)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(jī)機(jī)械效率。如圖4所示。某些迷你型高效壓縮機(jī)，為得到更高的機(jī)械效率，常采用大面積減小活塞接觸面積方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖5、6所示。

圖1 壓縮機(jī)工作過(guò)程中活塞受力圖

圖2 傳統(tǒng)活塞直角倒角

4 活塞的制造工藝

壓縮機(jī)工作時(shí)，活塞在缸孔內(nèi)做高速的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，高溫、高壓、高密封性的工作環(huán)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(jī)活塞與缸孔的配合間隙僅為幾個(gè)微米，活塞外圓圓度要求非常高。試驗(yàn)表明當(dāng)壓縮機(jī)壓力比、缸孔孔徑、吸排氣密封狀況等條件一定時(shí)，活塞與缸孔配合間隙增大，壓縮機(jī)泄漏系數(shù)減小，輸氣系數(shù)減小，制冷量降低。活塞外圓圓度增大可導(dǎo)致活塞與缸孔間隙增大，壓縮機(jī)制冷量減小。

表1 常見(jiàn)壓縮機(jī)制冷劑壓力參數(shù)表

表2 某系列小型制冷冰箱壓縮機(jī)凸臺(tái)對(duì)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(nèi)倒角

表3 某款壓縮機(jī)活塞凸臺(tái)試驗(yàn)量熱結(jié)果表

活塞外圓加工通常采用外圓無(wú)心磨床磨削加工。砂輪的材質(zhì)、砂粒的大小、磨削速度、導(dǎo)輪速度等對(duì)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(duì)外圓的垂直度精度較高，以保證活塞運(yùn)動(dòng)中心與缸孔中心的同軸度。

活塞銷孔內(nèi)倒角是指活塞銷孔與內(nèi)腔相連部分棱邊倒角，如圖8。活塞銷孔經(jīng)過(guò)的鉆孔、鉸孔、輥光工藝后，銷孔加工后精度達(dá)到技術(shù)要求，但銷孔內(nèi)棱邊仍沒(méi)有去除，如圖7。而孔內(nèi)棱邊常常容易產(chǎn)生毛刺，具有重大隱患。

采用彈簧倒角刀加工可解決這個(gè)問(wèn)題，即刀桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊進(jìn)給，伸入銷孔中，當(dāng)?shù)菇堑兜竭_(dá)兩棱邊位置時(shí)，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(nèi)彈出，對(duì)兩棱邊進(jìn)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(duì)活塞的影響。

4.3 活塞表面磷化

普通小型冰箱壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)2940r/min，若以曲軸偏心距為0.009計(jì)算，活塞速度為：Vp=4ne=4×2940×0.009/60=1.76m/s式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速

e 為曲軸偏心距

從上可知，壓縮機(jī)工作時(shí)，活塞速度較快。另外在氣體力的作用下，活塞還受側(cè)向力的作用，這無(wú)疑加大了活塞與氣缸之間的摩擦。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)廠家通常會(huì)對(duì)活塞表面進(jìn)行磷化處理。

活塞進(jìn)行表面錳鐵磷化后，表面形成一層磷化膜。磷化膜有兩個(gè)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(duì)冷凍油有吸附作用，為高速運(yùn)動(dòng)的活塞提供一個(gè)良好的潤(rùn)滑環(huán)境。大大減小了活塞運(yùn)動(dòng)的摩擦力，提高了壓縮機(jī)泵體效率和使用壽命。

另外活塞外圓的粗糙度、清潔度對(duì)活塞機(jī)械效率有較大的影響，對(duì)活塞工作性能和壽命都有至關(guān)重要作用。許多活塞失效的案例中，就有部分是因?yàn)榛钊鉂嵍炔睿瑢?dǎo)致活塞卡缸，壓縮機(jī)無(wú)法運(yùn)行，可見(jiàn)保證活塞外圓粗糙度和清潔度也是很必要的。

5 結(jié)論

綜上所述，冰箱壓縮機(jī)小型化、高效化發(fā)展趨勢(shì)迫切要求壓縮機(jī)生產(chǎn)商對(duì)壓縮機(jī)各零部件進(jìn)行再一步優(yōu)化升級(jí)。活塞作為壓縮機(jī)泵體關(guān)鍵零部件之一，其特性對(duì)壓縮機(jī)性能影響不可小覷。活塞材料、整體結(jié)構(gòu)和加工工藝等都是活塞的關(guān)鍵特性。從這些特性著手，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，壓縮機(jī)性能可以得到較大的提高，同時(shí)品質(zhì)也能得到更好的保證。

[1] 劉東.小型全封閉制冷壓縮機(jī).科技出版社，1990

[2] 郁永章.容積式壓縮機(jī)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.2000

[3] 吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社.2010