臥式渦旋壓縮機軸轉子限位設計總結

摘 要：隨著國家近幾年運輸業(yè)的高速發(fā)展，鐵路用動車組CRH系列和公路電動大巴的車廂對空調系統(tǒng)有高度限制的要求， 使得壓縮機的外形尺寸的設計受到限制，市場上普遍的立式壓縮機無法滿足要求，故臥式壓縮機成為運輸用空調制冷系統(tǒng)的主流。其軸轉子組件若沿用立式設計，未受約束的軸向自由度允許軸轉子組件沿軸向竄動，而運輸振動、沖擊等外界干擾可能導致這種竄動頻繁發(fā)生，增加了可靠性相關的風險。本文比較總結了市場現(xiàn)有臥式壓縮機軸轉子限位設計，并較為詳細地介紹了Emerson公司的新一代臥式壓縮機軸轉子限位的設計及驗證結果。

關鍵詞：運輸應用 臥式壓縮機 結構設計 軸轉子限位

隨著國家近幾年運輸業(yè)的高速發(fā)展，由電力驅動的壓縮機在空調領域的應用越來越廣泛，典型的應用場合如軌道交通和新能源客車。這些新興應用在給壓縮機市場帶來新的增長空間的同時，也對壓縮機結構設計提出了的額外要求。

一、運輸應用對壓縮機的高度限制要求

對于常見的運輸應用的空調系統(tǒng)，其機組一般安裝在車頂，希望壓縮機輕巧緊湊，對高度方向的尺寸有明確的限制，因而臥式壓縮機現(xiàn)已成為主流。

軌道交通和新能源客車都屬于高出勤率的交通工具，功能性故障直接影響運營，因而對相關功能子系統(tǒng)提出了較高的可靠性要求。空調機組系統(tǒng)作為關鍵子系統(tǒng)之一，其維護檢修具有專業(yè)知識要求高、具體操作費時費力的特點[1]，對可靠性的要求是不容妥協(xié)的。而運輸應用本身不可避免的振動、沖擊和姿態(tài)變化又影響著機組系統(tǒng)的可靠性，從而對核心部件壓縮機的可靠性要求也高于一般應用。

軌道交通和新能源客車都以電力為能源驅動，和傳統(tǒng)能源交通工具的區(qū)別之一是沒有內燃機這個熱源，在冬季無法利用余熱實現(xiàn)客艙供暖，而直接電加熱則能效比較低，與環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的初衷相悖。故除去極端環(huán)境，一般要求壓縮機具備運行制冷和制熱工況的能力，以滿足冷暖兩用的實際需求。

二、市場上典型臥式壓縮機的軸轉子限位設計

目前運輸應用壓縮機以Emerson， Hitachi， Panasonic（原Sanyo）和Bitzer等公司的產(chǎn)品為主流，針對軌道交通和新源客車的典型型號如表1所示。

從表1中信息可見：所列型號都是臥式壓縮機，多數(shù)具有變頻能力。Emerson的兩款臥式壓縮機都是低壓側殼體，從外形尺寸看屬于Summit（殼體直徑為90英寸）平臺，每轉排量大于競爭對手，適應大型交通工具的制冷/供暖需求；而其它三家公司的壓縮機在高度和重量控制上有優(yōu)勢。值得注意的是，Hitachi新推出的CA90TLV，90立方厘米每轉排量使單 機應用有機會參與大型客車（長度10-12m）機組系統(tǒng)的競爭；Bitzer的ECH209Y雖然排量和最大轉速都較小，但輕量化的半封鋁殼體設計有別于同類產(chǎn)品，順應了運輸應用控制重量的需求[2]。

Emerson公司的ZRHV94KTE是基于立式Summit（殼體直徑為90英寸）平臺開發(fā)的，總體結構為低壓側殼體、高壓側油池，通過壓差供油。軸轉子沿用現(xiàn)有組件，主要修改了軸末端和內油杯配合的部分特征，實現(xiàn)節(jié)流供油。軸轉子組件沒有專用的限位設計，向底蓋方向的竄動通過（1）軸尾部臺階和（2）底軸承止推面的接觸來限制；向渦旋方向的竄動通過（3）偏心頭凸臺和（4）渦旋驅動軸承盲孔底面的接觸來限制。考慮到Summit平臺軸徑較大，使偏心頭凸臺和驅動軸承盲孔底面的接觸應力維持在較低水平，從拆解的現(xiàn)場返回壓縮機中從未發(fā)現(xiàn)過此處有異常磨損。

Emerson公司的另一款產(chǎn)品，ZRH72KJE是基于殼套殼的總體布局，將Quest（殼體直徑70英寸）平臺的渦旋和軸承系統(tǒng)組件安裝在Summit（殼體直徑為90英寸）平臺的殼體中，內外殼體之間形成低壓側油池，通過馬達軸驅動容積式油泵實現(xiàn)供油。軸轉子組件帶有限位設計，軸末端有卡簧槽，限位設計相關組成零件為（1）卡簧，（2）耐磨片，（3）限位蓋，（4）底軸承以及相關螺釘。工作原理是，當軸轉子組件向底蓋方向竄動時，軸通過卡簧將耐磨片壓在底軸承的止推面上實現(xiàn)限位；當軸轉子組件向渦旋方向竄動時，軸通過卡簧將耐磨片壓在限位蓋內側的止推面上實現(xiàn)限位。這種限位設計的主要優(yōu)點是，結構簡單、尺寸鏈短、限位關系明確；主要不足是，軸轉子和底軸承成為一個整體，增加了轉子軸裝配到壓縮機里的操作

難度。

Sanyo的這款臥式全封閉渦旋壓縮機的總體結構為高壓側殼體、高壓側油池，依靠壓差供油。如圖6所示，軸轉子組件沒有專用的限位設計，軸轉子組件沿底蓋方向和渦旋方向的竄動限制和Emerson的ZRHV94KTE的相似。考慮到日系壓縮機軸系粗壯的設計傳統(tǒng)（排量、轉速均小于ZRHV94KTE，但軸徑與之相當），這樣的結構形式也是具有可行性的。

從提高壓縮機可靠性角度，軸轉子限位設計是必要的，這是因為：

1）自身結構：臥式布局使軸轉子組件擺脫了重力影響而存在軸向自由度，盡管在穩(wěn)定運行時電磁力對中的趨勢能提供額外約束，但這個約束的量級很有限。就Emerson的兩款馬達而言，轉子和定子的中心線錯位2.5mm時，電磁力約為30N，小于軸轉子組件自身的重力。通過對臥式軸轉子組件的測試，還發(fā)現(xiàn)在每次接通壓縮機電源，建立電磁力的瞬間，軸轉子組件出現(xiàn)向渦旋方向的竄動，即便調整尺寸累積使軸轉子組件穩(wěn)態(tài)運行時總是貼著底蓋方向，也不能避免啟動瞬間向渦旋方向的竄動，帶來的撞擊和摩擦增加了動渦旋運動和驅動軸承潤滑的不確定因素。

2）應用場合：相對于固定應用，伴隨運輸應用的振動、沖擊等外界干擾的程度要大得多[2][3]。此外，公路運輸車輛姿態(tài)變化對壓縮機運行也是很大的影響，尤其是車輛在坡道堵車之類的極端情形[4]。這些應用使我們擔心的不確定因素有更高的發(fā)生頻次和更長的持續(xù)時間。

結合歷史經(jīng)驗，即便是固定應用場合的壓縮機，如果沒有軸轉子限位設計，或者沒有機械式硬接觸限位，仍然是存在可靠性風險的。Emerson 的新一代臥式壓縮機作為面向運輸應用開發(fā)的全新壓縮機，提供比競爭對手更高的可靠性是核心競爭力之一，所以軸轉子限位設計屬于關鍵特征，得到了足夠的

重視。

三、Emerson新一代臥式壓縮機軸轉子限位設計

Emerson的新一代臥式壓縮機是基于原來立式的Quest（外殼直徑為70英寸）平臺開發(fā)的，總體結構為低壓側殼體、低壓側油池，通過馬達軸驅動串聯(lián)的兩個容積式油泵實現(xiàn)供油。這種供油方式既能減小高度方向尺寸，又能減小因壓縮機姿態(tài)變化對油池油位的影響，提高了可靠性。作為提高可靠性設計的重要組成部分，軸轉子組件的限位在設計之初就是關鍵特征之一。限位設計的主要目的是避免在不希望的位置出現(xiàn)磨損，消除不確定因素。通過應用轉子偏置的設計，公差累積保證在穩(wěn)定運行時軸轉子組件偏向某一側（如低蓋方向），但在非穩(wěn)定運行或者受外界干擾時還要依靠機械式硬接觸限位。考慮到軸末端軸肩和油泵耐磨片的配合關系，已經(jīng)實現(xiàn)了軸轉子組件向底蓋方向的限位，需要解決的是向渦旋方向的限位。結合具體結構，適合布置限位結構的大致有三處：

方案1：在渦旋驅動軸承盲孔底面加耐磨片

方案2：在主軸承座正面加限位蓋

方案3：在軸末端加卡簧槽，連同卡簧、耐磨片等形成限位

這三個方案都能實現(xiàn)限位，但一個切實可行的結構設計不僅是實現(xiàn)功能，還要權衡自身可靠性、制造性、裝配性、開發(fā)周期和成本等方面。下表詳細比較了各方案的優(yōu)劣，主要內容如下表所示。

從三個方案的比較結果來看，方案3在個各方面相對于方案1和2都有比較大的優(yōu)勢，故確定使用方案3作為新一代臥式壓縮機的軸轉子限位的設計。

四、壓縮機軸轉子限位設計的驗證

前期實驗測試表明，軸轉子組件的軸向竄動多發(fā)生在非穩(wěn)定運行或者外界干擾時，所以可靠性測試中用啟停和除霜、回液、帶液啟動等工況來考核軸轉子限位設計的有效性，啟停工況針對電磁力建立的過程，其它工況針對系統(tǒng)存在回液這種外界干擾。可靠性的實驗結果可以看出，所有壓縮機都沒有發(fā)生馬達軸偏心頭和驅動軸承盲孔底面的異常磨損，限位器耐磨片自身幾乎無磨損，這說明該設計在實現(xiàn)向渦旋方向的限位達到了預期目的。

壓縮機相對于車輛的安裝方向，是壓縮機的軸向和車輛行駛方向垂直。當車輛上下坡時壓縮機經(jīng)歷的是橫滾，這種姿態(tài)變化對軸轉子組件的竄動沒有直接影響；當車輛轉彎或處于比較特殊的狀態(tài)（如新能源客車單側車輪騎跨人行道停車），壓縮機處于俯仰姿態(tài)，軸轉子的重力沿軸向的分力成為該組件竄動的推手。為了驗證軸轉子限位設計在壓縮機姿態(tài)變化時的有效性，我們著重考核了壓縮機渦旋側向下傾斜的姿態(tài)，運行工況為啟停工況，測試結果無異常磨損.傾斜角度a 和b的要求分別由各車輛廠家提出。

五、簡要結論

基于前文所述，要點歸納如下：

1）針對運輸應用的壓縮機，高于行業(yè)平均的可靠性是產(chǎn)品的核心競爭力之一。

2）限位設計消除了軸轉子組件軸向位置的不確定性，提高了臥式壓縮機的可靠性。

3）限位設計的具體形式：向底蓋方向，可以利用軸肩和油泵耐磨片的配合實現(xiàn)，而無須引入新零件；向渦旋方向，目前成熟的設計是通過關聯(lián)軸上特征和底軸承實現(xiàn)，其它實現(xiàn)方式尚需可行性/可靠性預研。

4）限位設計的有效性考核，通常基于非穩(wěn)定運行的工況并結合壓縮機姿態(tài)的變化。

參考文獻

[1] 鐵路客車空調機組檢修中全封閉制冷壓縮機的檢驗，王書傲、靳誼勇，2000.10

[2] IEC61373 機車車輛設備沖擊振動試驗

[3] GB/T21361-2008 汽車用空調器

[4] GB/T 12539-1990 汽車爬陡坡試驗方法

作者簡介： 費玉 性別 女，民族 漢，籍貫 江蘇江陰，出生年月1986-1-14

研究方向，臥式渦旋壓縮機