滾動轉子式壓縮機裝配間隙對空調性能一致性優化

張永亮 眭敏,2

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2.華南師范大學信息光電子學院 廣東廣州 510631

1 引言

隨著節能減排的日益重要及GB/T 7725-2019 房間空氣調節器性能標準對能效等級的升級實施，房間空調器及其核心部件——滾動轉子式壓縮機的性能一致性控制，受到行業越來越多的關注[1-3]。在滾動轉子式壓縮機內, 各零部件之間的間隙產生的制冷劑泄漏引起的能效損失占總損失的11.7%[4]。其中，相關零件的設計與制造公差不僅影響著生產質量和制造成本，也是制約空調性能一致性提高的關鍵因素[1-5]。本文以一款QX-23型壓縮機為例，通過潤滑油流動模型[4]來模擬計算制冷劑的泄漏量及性能一致性的波動范圍，并采用相關性算法反推設計與裝配工藝改進，進行空調性能一致性的優化與驗證。

2 裝配間隙表征與計算建模

滾動轉子式壓縮機泵體結構由曲軸、滾子、氣缸、滑片構成（如圖1所示），滑片在彈簧和排氣壓力的推動下壓向滾子，并分割吸氣腔與壓縮腔，各零部件之間的間隙很小，潤滑油充斥其間，起到潤滑和密封的作用[4]。其中，滾子外表面與氣缸內表面的接觸線是吸氣腔與壓縮腔的另一條分界線，該位置存在的間隙L1稱為轉子徑向間隙。徑向間隙對性能與能效一致性存在較大優化空間，實際值過大會導致泄漏量增加，顯著影響性能；過小會導致磨損及功率比的增加，性能與可靠性隨之受到影響。

滾動轉子式壓縮機泵體結構有7個裝配間隙導致的泄漏通道，如圖1所示。它包括轉子徑向間隙L1，曲軸滾子配合間隙L2，上法蘭長軸間隙L3，下法蘭短軸間隙L4，滑片槽配合間隙L5，氣缸滾子高度間隙L6，氣缸滑片高度間隙L7。根據制造與裝配工藝實際，以上間隙值多分布在50 μm以內，間隙泄漏方式主要有溶有制冷劑的潤滑油泄漏，在流動過程中壓力降低，制冷劑從液相中大量逸出，造成制冷量損失。

圖1 滾動轉子式壓縮機泵體截面

各個裝配間隙決定于滾動轉子式壓縮機泵體結構零件配合尺寸，其計算模型如下：

式中：

IDc——氣缸內徑，mm；

ODr——滾子外徑，mm；

IDr——滾子內徑，mm；

Ds——曲軸偏心圓外徑，mm；

Dp——曲軸偏心圓偏心距，mm；

Ui——上法蘭內孔內徑，mm；

Di——下法蘭內孔內徑，mm；

Ma——曲軸長軸，mm;

Mi——曲軸短軸，mm;

Hsl——氣缸槽寬，mm;

B——滑片厚度，mm;

Wsl——滑片寬度，mm;

H——氣缸高度，mm

Rh——滾子高度，mm。

3 性能波動相關性驗證

3.1 參數相關性理論

性能波動相關性是性能測量點數據與隨機參數的波動特性是否一致，相關性的強弱可以根據數據理論，采用一定量指標來表示。

設空調工作狀態的隨機參數為x、y，其協方差計算式為：

式中：

Cov(x,y)——隨機參數x、y的協方差；

Ex——隨機參數x的期望值；

Ey——隨機參數y的期望值；

相關性系數為：

式中：

rx,y——隨機參數x，y的相關系數；

Dx——隨機參數x的方差；

Dy——隨機參數y的方差；

由計算式可知，協方差和相關性系數均是描述空調隨機參數相關程度的量，其中協方差的絕對值越大，表征相關性的相關系數也會越大，相關程度也就越高。

3.2 壓縮機性能一致性參數控制

對空調性能一致性影響的相關試驗數據按制冷流程計算與處理，得到影響性能一致性的制冷量損失分布（如表1所示）及對空調性能一致性相關流程敏感性分析（如圖2所示）。

表1 空調制冷量一致性總體平衡

結合空調制冷流程及制冷劑T-S圖的能量平衡分析，制冷量損失項依次為壓縮機制冷劑內泄漏、節流裝置、壓差、蒸發不充分、壓縮機功耗。其中，壓差是維持制冷劑循環正常損耗，蒸發不充分導致的參與壓力也是一種制冷量損失，殘壓越高制冷量損失越來，從制冷劑T-S圖中可以清晰看到。蒸發不充分即蒸發后殘留的氣、液制冷劑均會帶來制冷量損失。節流裝置及分流導致兩相流態的差異，帶來出口溫度、冷凝換熱效率的不均勻。而壓縮機制冷劑內泄漏受壓縮機機芯內部裝配間隙，產生的高、低壓通道、油膜密封效果差異影響。同時，裝配間隙關系到各零件滑動、運動形成的潤滑油膜，影響壓縮機功耗及可靠性。

圖2 空調性能一致性相關流程敏感性分析結果

3.3 徑向間隙對性能一致性試驗驗證

制冷劑內泄漏導致的容差、潤滑差異，是影響空調性能一致性的敏感因素（如圖2所示），直接影響到整個壓縮機的性能可靠性。直接測量滾動轉子式壓縮機的間隙泄漏量非常困難，本文通過選配滾子與氣缸裝配后徑向間隙值，在標準工況下，對格力凌達公司生產的QX-23E030轉子式制冷壓縮機（主要結構參數、性能曲線如表2、圖3所示）進行制冷量的測試驗證性能一致性優化。為此加工了不同尺寸的轉子，在裝配時嚴格控制配對間隙，并分別進行性能試驗及徑向間隙導致制冷量損失理論計算（如表3所示）。

表2 QX-23E030轉子式制冷壓縮機主要結構參數

圖3 QX-23E030轉子式制冷壓縮機性能曲線

表3 不同尺寸的滾子與汽缸徑向間隙其泄漏量及制冷量之間的關系

采用不同尺寸的滾子與在裝配時嚴格控制汽缸徑向間隙，并進行理論泄漏量及制冷量、COP之間的關系計算（表3），可以看出同心間隙控制限對壓縮機的制冷量一致性波動高達2.45%。為此結合設備及工藝精度控制現狀，在生產過程中控制泵體零件尺寸精度在0～3 μm，并優化各個零件配對的徑向及相關間隙（控制方案如表4所示）。按照式（1）～式（7）選配配對裝機，并得到徑向及相關零件間隙優化后實際值（如表5所示）。

表4 徑向及相關零件間隙控制方案（單位：μm）

表5 徑向及相關零件間隙優化后實際值（單位：μm）

在同一試驗臺進行優化前后的壓縮機整機各項性能試驗，完整對比試驗周期持續約720 h。得到泵體裝配過程間隙參數一致性（優化前后）與壓縮機整機各項性能一致性的關系，試驗結果如表6所示。

QX-23E030轉子式制冷壓縮機，在泵體零件選配及裝配間隙在一致性的條件下，其壓縮機的制冷量與COP均比同期優化前常規機好，說明加強泵體一致性的選配，對壓縮機整機性能的一致性提高有好處。

試驗結果可見，優化后試驗機制冷量均值均比同期常規機均值大（除個別因轉速低導致制冷量有所下降除外），說明通過零件選配，將泵體的同心裝配間隙控制在30～35 μm，可減少泵體在周向壓縮氣體時的泄漏，從而進一步提高壓縮機的制冷量。

試驗中個別壓縮機（6#、9#：032AO4022336、032AO4040015）出現轉速偏低的現象，通過更換電機重復試驗確認是電機本身問題，說明按優化方案要求的間隙不是導致壓縮機轉速偏低的原因。

表6 徑向及相關零件間隙優化前后的性能對比

3.4 間隙參數與制冷量相關性

由表4～表6可看出同心裝配對壓縮機的冷量波動有很大影響。進一步采用MINITAB軟件的主成分分析方法[6-7]對各個裝配參數及整機制冷量性能關系進行相關性研究，得到表7結果。

表7 各主要成分的相關矩陣的特征值、比率及累計貢獻率分析（制冷量）

表7表示各主要成分（變量相關陣）特征值、貢獻率及累計貢獻率。其中，第1主成分特征值最大為2.6365，即第1主成分方差為2.6365，第1主成分方差占總方差比率為0.3300，即貢獻率為33.0%。以此類推，第2-6主成分貢獻率依次為21.0%、17.1%、13.3%、8.5%、6.0%。

碎石圖（如圖4所示）橫坐標表示各主要成分（變量相關陣）分量，縱坐標表示對應貢獻率。可見，從第5個主要成分開始變化趨勢平緩，且主成分特征根小于1。且由表7，第1-3主成分的累計貢獻率已高達71.1%，確定取前4個主成分。

圖4 各主要成分和制冷量的碎石圖

結合前4個主成分對應特征值，根據其特征向量分別計算各參數變量在主成分上的載荷，得出主成分載荷矩陣（如表8所示），反應了各變量對4個主成分的貢獻。

表8 主成分載荷矩陣

根據主成分載荷矩陣（如表8所示）相關主成分相關系數建立對1-4主成分與標準化變量的關系，以上動態變量對主成分均有貢獻。其中，第1主成分相關系數絕對值最大為0.524、0.512、0.477，與之對應的裝配間隙參數為曲軸滾子配合間隙、氣缸滾子高度間隙、氣缸滑片高度間隙。整機制冷量與曲軸滾子配合間隙、氣缸滾子高度間隙、氣缸滑片高度間隙有較大的正相關，因為這三個裝配間隙與曲軸的驅動的機械傳遞相關，因此第1主成分被認定為壓縮機泵體組件機械驅動精度與效率的代表；

第2、4主成分相關系數絕對值最大為0.501、0.446及-0.58、0.668，與之對應的裝配間隙參數為徑向間隙、上法蘭長軸間隙。整機制冷量與徑向間隙波動強相關，與上法蘭長軸間隙正相關，因為這兩個裝配間隙與泵體容差相關，因此第2、4主成分認定為壓縮機泵體同心精度與容積率的代表；

第3主成分相關系數絕對值最大為-0.677、-0.629，與之對應的裝配間隙參數為下法蘭短軸間隙、滑片槽配合間隙。整機制冷量與下法蘭短軸間隙、滑片槽配合間隙有較大負相關，因為這兩個裝配間隙與泵體內泄漏相關，第3主成分認定為壓縮機泵體平面精度與摩擦功耗的代表。

對前4個主成分貢獻分析，確定重點控制上法蘭長軸間隙、下法蘭短軸間隙、徑向間隙、滑片槽配合間隙四個關鍵裝配參數。制造過程采取分選保證尺寸配對，設備程序自動計算判異，并采取標樣及標準、測試精度及重復性管理，對配對異常品進行嚴格處置、專人確認管理。

4 結論

近年來，房間空調器性能與能效標準提升。為更好掌握滾動轉子式壓縮機性能一致性的影響機理，對制冷劑壓縮關鍵流程的內泄漏，開展配對間隙對性能一致性的理論計算，及徑向間隙、曲軸滾子配合間隙等配對控制與分檔性能驗證試驗。制冷劑內泄漏引起的制冷量損失占總損失比例的58.2%，采用MINITAB軟件的主成分分析方法發現第1-4主成分的累計貢獻率已高達71.1%，影響制冷劑內泄漏的主要有泵體組件機械驅動精度與效率、泵體同心精度與容積率、平面精度與摩擦功耗，對制冷劑內泄漏導致的制冷量損失的貢獻分別為33%、21%與17.1%。挑選出該3套配對間隙相關的四組參數作為關鍵裝配參數，制造過程采取設備程序自動計算判斷分檔分選，保證尺寸配對與整機功率性能一致性。