R290与R410A旋转式压缩机滑片-活塞摩擦副特性的对比

(1 西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049； 2 广东美芝制冷设备有限公司 顺德 528333)

房间空调器大量使用的HCFCs及HFCs工质，因其对大气臭氧层消耗及温室效应的加剧作用，正逐步被淘汰，其中HCFCs工质已有明确的淘汰时间表。2016年10月，在卢旺达进行的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》第28次缔约方会议中达成了关于削减HFCs工质的基加利修正案，将淘汰HFCs工质正式纳入日程。近年备受关注的碳氢工质R290，被认为是业界的长远替代技术方案之一。

旋转式压缩机作为房间空调器的关键部件及主要耗能部件，摩擦功耗约占压缩机总功耗的6%～8%，对能效影响较大，同时摩擦副的磨损情况直接影响其可靠性。因此，研究旋转式压缩机的摩擦特性意义重大。其中，滑片-活塞摩擦副直接承受来自滑片前后端的吸排气压力差造成的巨大负载，界面处于边界或混合润滑状态且周边的润滑油同时分别受到排、吸气两个腔的高、低温，高、低压影响，使该处的油黏度变化较为剧烈，造成摩擦副的润滑条件非常复杂[1-2]，是压缩机内多个摩擦副中最为严酷的摩擦副[3-4]，也是影响压缩机能耗及可靠性的关键。发达国家早期在R22旋转式压缩机基础上，研发不含利于润滑的氯元素的R410A压缩机时，有大量关于滑片-活塞摩擦副的摩擦磨损特性研究的论文发表[4-6]。

R290房间空调器的研究多集中在安全性与系统性能方面[7-10]，只有少量关于R290旋转压缩机的研究，如Lin Jie等[11-12]研究了R290空调器启动过程中空调器系统与压缩机内部的压力、温度、润滑油黏度等的变化。Wu Jianhua等[13]研究了R290旋转压缩机内部热力过程与性能。但至今还没有专门研究R290旋转压缩机摩擦磨损特性的论文发表。现时被广泛应用于冰箱的，使用碳氢工质的R600a往复式压缩机的摩擦特性研究[14-16]，可作为本文的参考。

本文使用高压力密封摩擦磨损实验机，对现有材料及表面处理手段的滑片-活塞摩擦副在R290/高黏度矿物油的混合物组合下进行摩擦磨损特性研究。采用批量生产中的压缩机零件：滑片和活塞作为测试样件，并设定不同的相对滑动速度、负载、润滑油温度等实验条件以尽量模拟压缩机的实际运行工况。采用扫描电镜对测试样件的表面形貌进行考察，并且以目前使用量较大的R410A/POE油混合物组合作为对比基准。

1 实验设备与样件

1.1 高压力摩擦磨损实验机

图1 摩擦实验机Fig.1 High-pressure tribometer

本文使用一台定做的高压力密封摩擦实验机(下称摩擦实验机)来进行，其原理如图1所示。密封腔压力最高达10 MPa，最高加载负载为3 000 N，最高转速达2 000 r/min。通过控制密封腔内的工质充灌量和腔内的加热温度来控制密封腔内的压力；通过调整密封腔内的工质压力以及油池内润滑油加热温度，就能控制润滑油的黏度；再加上转速、负载的设定，便可模拟出压缩载机实际工作的各种运行工况。

1.2 扫描电镜

使用日立制作的SN-3400扫描电镜对滑片和活塞样件实验前后的形貌状态进行记录并对比分析。

1.3 实验样件

一般的摩擦磨损实验使用标准实验样件如销、盘零件来研究摩擦副[14-16]，但此情况与实际滑片-活塞摩擦副的差异较大，不利于实验结果对实际应用的判断。为了尽量模拟压缩机实际运行时的摩擦副工作状态，使用批量生产的压缩机零件作为测试样件(图2)，保证具有跟批量产品同样的机械特性及加工精度。活塞样件垂直安装于设备的旋转轴上，两滑片水平对置于活塞外圆两侧的直径延长线上，通过钳子夹紧使滑片前端与活塞外圆紧贴并施予负载。

图2 摩擦测试样件Fig.2 Tribological test specimen vane and roller

1.3.1滑片

滑片厚度为3.2 mm，高度为12.5 mm。滑片基材为SUS440C不锈钢，表面进行渗氮处理，硬度约900 HV。另外在转速与负载递增实验中还追加了基材为SKH高速钢、表面CrN处理、硬度约1 700 HV的滑片作为对比，研究在高速、高负荷条件下，滑片表面处理方式对摩擦系数的影响。

1.3.2活塞

活塞基材为Ni-Cr-Mo铸铁，直径和高度分别为35 mm和14 mm。

1.4润滑油

制冷系统中，一般会选择与工质互溶性良好的润滑油[17-18]。对于HCFCs和HFCs，分别选择矿物油和合成油(如POE)；而R290极性较低，与矿物油、POE油的互溶性都较好，均可用。本文使用了专门为R290旋转式压缩机开发的矿物油。由于R290与矿物油的互溶性较强，使工质与润滑油在工作状态下的混合物黏度较低，摩擦副间的油膜承载力降低，故选用黏度较高的矿物油(40 ℃时黏度为100 mPa·s)以保证混合物的黏度，并加入了抗磨添加剂(Ad)以提升抗磨损能力。此外，将目前广泛应用的R410A/POE油混合物组合作为比较基准，该POE油在40 ℃时的黏度为74 mPa·s，没有加入抗磨添加剂。

2 实验条件

2.1 代表工况下的摩擦磨损测试条件

为尽量真实模拟压缩机运行时的实际工况，首先需要确定摩擦实验机的实验条件，包括工质和润滑油充注量、主轴转速、加载负荷以及高压腔的压力、油池温度等。为此，实验选取两套制冷能力及能效级别相当的R410A与R290空调系统，分别确定其额定制冷及制冷过负荷工况下的压缩机吸气压力、排气压力、曲轴转速，同时测量压缩机油池中润滑油和工质的混合物温度，估算压缩机活塞转速以确定滑片-活塞摩擦副的相对滑动速度，以及滑片-活塞接触面上的负载大小。根据上述结果，即可确定摩擦实验机的实验条件。另外，滑片-活塞摩擦副的润滑状态受压缩腔与吸气腔共同影响，而本研究的测试条件是根据承受着高温、高压的压缩腔内条件确定，此状态下的润滑油黏度更低，润滑条件更恶劣。

实验用的滑片、活塞样件，在正式实验前需要进行30 min的预运转。当压缩机的实际转速为3 600 r/min，由于活塞存在自转运动，故活塞与滑片的相对滑动速度按照1/10的曲轴转速计算，所以设定实验机主轴转速为640 r/min，即活塞与滑片相对滑动速度为1.17 m/s。测试条件如表1所示。

表1 代表工况下的摩擦磨损测试条件

2.2 转速与负载递增摩擦磨损测试条件

为了研究转速(对应变频压缩机)与负载(对应不同的工作压力)的影响，分别进行转速递增与负载递增摩擦磨损测试实验。摩擦实验机的主轴转速设定为160、640、830、1 100、1 400 r/min，即摩擦副的相对滑动线速度为0.30、1.17、1.52、2.01、2.56 m/s递增，分别对应压缩机的转速为1 200、3 600、5 400、7 200、9 000 r/min时的状态。R410A和R290下的对应负载分别设置为50 N和80 N。

负载递增的设定，相当于从轻负荷至超重负荷(冷凝温度为65 ℃)的过程。对于R290，负载依次设置为40、50、70、85、95、115 N递增；对于R410A，其工作压力大于R290，故实验负载也相应较大，依次设置为60、80、115、145、165、200 N。转速均为640 r/min，即相对滑动线速度为1.17 m/s。

实验均在工质与油混合物组合下进行，采用渗氮处理的SUS440C不锈钢及CrN处理的SKH高速钢滑片，先进行30 min的预运行，再进入90 min实验，并开始记录数据，实验条件如表1所示。

2.3 咬合实验

对于旋转式压缩机，摩擦副之间的抗咬合能力很重要，主要受材料、润滑油、工质、工作温度等影响。当记录的摩擦系数发生突变，判定为咬合发生，停止实验。摩擦系数突变时的负载则为记为咬合负载。采用SUS440C不锈钢滑片，先以60 N的负载预运行30 min后正式递增负载，递增速率为100 N/min，每递增1次，保持该负载运行1 min后再重复上述步骤直至咬合发生。实验转速均设置为640 r/min，实验条件如表2所示。

表2 工质与油混合环境下的咬合实验

图3 额定制冷工况下的摩擦系数Fig.3 Coefficient of friction under the rated cooling condition

3 实验结果与讨论

3.1 代表工况下的摩擦磨损测试

如图3和图4所示，无论R290/矿物油还是R410A/POE油混合物组合，在具有更高负载的制冷过负荷工况的摩擦系数均比额定制冷工况的小。R290/矿物油混合物组合下的摩擦系数比R410A/POE油的摩擦系数高约0.05～0.10，且呈平稳或略微上升趋势，而R410A/POE油则呈下降趋势。R410A/POE油混合物组合下的实验后滑片前端磨损量(2.5 μm)大于R290/矿物油(2.0 μm)。

图4 制冷过负载工况下的摩擦系数Fig.4 Coefficient of friction under the over load cooling condition

图5和图6分别为采用扫描电镜拍摄的制冷过负荷工况下摩擦实验前后的滑片前端面和活塞外径面的图片。R290/矿物油混合物组合下实验后样件表面仍然有可见加工痕迹，而R410A/POE油的加工痕迹已基本被消磨掉。

可知由于矿物油中的抗磨添加剂形成了边界保护膜，增加了摩擦副的润滑性能，增强了其抗磨损能力[12]。

图5 滑片前端面SEM图像Fig.5 SEM images of vane tip

图6 活塞外径面SEM图像Fig.6 SEM images of roller outer diameter

3.2 滑动线速度提升及负载提升时的摩擦系数测试

如图7和图8所示，摩擦系数随滑动线速度(对应于实验机转速)提升呈下降趋势，当转速达到830 r/min后均趋于平缓。此时，R410A/POE油混合物组合下的摩擦系数最低，而R290/矿物油下，具有更高表面硬度的CrN处理的高速钢滑片的摩擦系数比不锈钢滑片的低。

图7 变滑动速度下的摩擦系数Fig.7 Coefficient of friction under the variable speed

图8 变负载下的摩擦系数Fig.8 Coefficient of friction under the variable load

另外，当负载提升时，R290/矿物油混合物组合下，两种滑片的摩擦系数基本相当，其中高速钢CrN处理滑片表现出略微上升趋势，而不锈钢渗氮滑片在R410A/POE油下呈下降趋势。

3.3 咬合实验

咬合实验的摩擦系数变化如图9所示，R410A/POE油和R290/矿物油混合物组合下的咬合负载分别约为1 500 N和1 800 N。可见R290/矿物油混合物组合下表现出更优良的抗咬合能力。推断这归因于与R290配合使用的矿物油中加入了挤压抗磨剂，加强了对摩擦副的保护，使其可承受更重的负载，延缓了咬合发生的时间。

图9 咬合实验的摩擦系数变化Fig.9 Coefficient of friction during the seizure test

4 结论

本文使用高压力密封摩擦实验机，对现有材料及表面处理手段的滑片-活塞摩擦副在R290/高黏度矿物油及R410A/POE油混合物组合下进行摩擦磨损特性对比实验研究。根据实验结果发现：

1)材料为SUS440C不锈钢渗氮处理的滑片，以及Ni-Cr-Mo铸铁的活塞所组成的摩擦副，在R290/高黏度矿物油混合物组合下的摩擦系数比R410A/POE油下的的摩擦系数明显高出0.05～0.10。

2)R290/高黏度矿物油混合物组合下，滑片-活塞摩擦副的咬合负载比R410A/POE高300 N，滑片磨耗量较低，表现出更强的抗磨损能力。

3)在分别对应变频压缩机由1 200 r/min至9 000 r/min转速的滑动速度递增实验，以及从轻负荷至超过65 ℃冷凝温度对应的超重负荷的负载递增实验中，摩擦系数基本呈下降至平稳趋势。

4)通过扫描电镜分析实验前后的滑片和活塞摩擦表面，R290/矿物油混合物组合样件的表面相比R410A/POE油存在更多的原始加工痕迹，推断是与矿物油中的抗磨添加剂增强了摩擦副的抗磨损能力有关。

需要下一步研究R290在配合其它润滑油及滑片材料下的摩擦磨损特性，寻求可以降低摩擦系数的材料、表面处理、润滑油及其添加剂。

[1] PADHY S K, SCHELDORF G O. Wear and tribodynamics of a rolling piston rotary compressor [C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1994: 79-84.

[2] YOSHIMURA T, ONO K, INAGAKI K, et al. Analysis of lubricating characteristics of rotary compressors for domestic refrigerators[J]. Journal of Tribology, 1999, 121(3):510-516.

[3] SUNG H C. Tribological characteristics of various surface coatings for rotary compressor vane[J]. Wear, 1998, 221(2):77-85.

[4] LEE Y Z，OH S D. Friction and wear of the rotary compressor vane-roller surfaces for several sliding conditions[J].Wear, 2003, 255(7/12): 1168-1173.

[5] KATSUMI K, SHOTARO M, AKIRA K, et al. Tribological evaluation of rotary compressor with HFC refrigerants[C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1996: 135-140.

[6] SASAHARA Y, KOMINE K, OOTORI M, et al. Development of 2-cylinder rotary compressor with R410A[C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1998:447-452.

[7] 李廷勋，杨九铭，曾昭顺，等. R290灌注式替代R22空调整机性能研究[J].制冷学报，2010，31(4):31-34. (LI Tingxun, YANG Jiuming, ZENG Zhaoshun, et al. Experiment on R290 substituting for R22 in a room air-conditioner[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(4): 31-34.)

[8] 杨林德，吴建华，候杰. 分体式房间空调器R290 和R1270替代R22实验研究[J].制冷学报，2013，34(2):9-14.(YANG Linde, WU Jianhua, HOU Jie. Experimental study of split room air conditioner charged with R290 and R1270 as substitutes to R22[J]. Journal of Refrigeration, 2013,34(2):9-14.)

[9] 张网，杨昭，王婕，等. 分体式空调器使用R290 作为制冷剂的泄漏研究[J].制冷学报，2013，34(6):42-47. (ZHANG Wang, YANG Zhao, WANG Jie, et al. Leakage research of split-type air conditioner using R290 as refrigerant[J]. Journal of Refrigeration，2013，34(6):42-47.)

[10] 肖红海，张桃，胡艳．R290小型家用空调器的性能匹配研究[J]．制冷学报，2006，27(4): 26-30. (XIAO Honghai，ZHANG Tao，HU Yan. Experimental research on performance of small room air conditioner with R290[J]．Journal of Refrigeration，2006，27(4): 26-30.)

[11] LIN Jie，WU Jianhua，ZHANG Ze，et al. Experimental investigation of startup characteristics of R290 rotary compressor under low ambient temperature heating condition[J]. International Journal of Refrigeration，2017，77: 128-135.

[12] WU Jianhua，LIN Jie，ZHANG Ze，et al. Experimental investigation on cold startup characteristics of a rotary compressor in the R290 air-conditioning system under cooling condition[J]. International Journal of Refrigeration，2016，65: 209-217.

[13] WU Jianhua，WANG Gang，LI Yuyong，et al. Experimental study on P-V diagram and valve displacement of a HC290 rotary compressor[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2015, 229(17): 3113-3124.

[14] SARIIBRAHIMOGLU K，KIZILA H，AKSIT M F，et al. Effect of R600a on tribological behavior of sintered steel under starved lubrication[J]. Tribology International，2010，43(5/6):1054-1058.

[15] GARLAND N P，HADFIELD M. Environmental implications of hydrocarbon refrigerants applied to the hermetic compressor[J]. Materials and Design，2005，26(7):578-586.

[16] GARLAND N P，HADFIELD M. Tribological analysis of hydrocarbon refrigerants applied to the hermetic compressor[J]. Tribology International，2005，38(8):732-739.

[17] 赵蕾，刘咸定. 替代工质用润滑油添加剂的作用机理研究[J].制冷学报，2003，24(2): 61-64.(ZHAO Lei, LIU Xianding. Study on mechanism of lubricant additives for alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration，2003，24(2):61-64.)

[18] 赵蕾，严双志，李树林，等. 替代工质与润滑油的匹配性研究[J].制冷学报，2003，24(3):59-62.(ZHAO Lei, YAN Shuangzhi, LI Shulin, et al. Study on suitability of lubricants and alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration，2003，24(3): 59-62.)