滚动转子式压缩机装配间隙对空调性能一致性优化

张永亮 眭敏,2

1.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070；2.华南师范大学信息光电子学院 广东广州 510631

1 引言

随着节能减排的日益重要及GB/T 7725-2019 房间空气调节器性能标准对能效等级的升级实施，房间空调器及其核心部件——滚动转子式压缩机的性能一致性控制，受到行业越来越多的关注[1-3]。在滚动转子式压缩机内, 各零部件之间的间隙产生的制冷剂泄漏引起的能效损失占总损失的11.7%[4]。其中，相关零件的设计与制造公差不仅影响着生产质量和制造成本，也是制约空调性能一致性提高的关键因素[1-5]。本文以一款QX-23型压缩机为例，通过润滑油流动模型[4]来模拟计算制冷剂的泄漏量及性能一致性的波动范围，并采用相关性算法反推设计与装配工艺改进，进行空调性能一致性的优化与验证。

2 装配间隙表征与计算建模

滚动转子式压缩机泵体结构由曲轴、滚子、气缸、滑片构成（如图1所示），滑片在弹簧和排气压力的推动下压向滚子，并分割吸气腔与压缩腔，各零部件之间的间隙很小，润滑油充斥其间，起到润滑和密封的作用[4]。其中，滚子外表面与气缸内表面的接触线是吸气腔与压缩腔的另一条分界线，该位置存在的间隙L1称为转子径向间隙。径向间隙对性能与能效一致性存在较大优化空间，实际值过大会导致泄漏量增加，显著影响性能；过小会导致磨损及功率比的增加，性能与可靠性随之受到影响。

滚动转子式压缩机泵体结构有7个装配间隙导致的泄漏通道，如图1所示。它包括转子径向间隙L1，曲轴滚子配合间隙L2，上法兰长轴间隙L3，下法兰短轴间隙L4，滑片槽配合间隙L5，气缸滚子高度间隙L6，气缸滑片高度间隙L7。根据制造与装配工艺实际，以上间隙值多分布在50 μm以内，间隙泄漏方式主要有溶有制冷剂的润滑油泄漏，在流动过程中压力降低，制冷剂从液相中大量逸出，造成制冷量损失。

图1 滚动转子式压缩机泵体截面

各个装配间隙决定于滚动转子式压缩机泵体结构零件配合尺寸，其计算模型如下：

式中：

IDc——气缸内径，mm；

ODr——滚子外径，mm；

IDr——滚子内径，mm；

Ds——曲轴偏心圆外径，mm；

Dp——曲轴偏心圆偏心距，mm；

Ui——上法兰内孔内径，mm；

Di——下法兰内孔内径，mm；

Ma——曲轴长轴，mm;

Mi——曲轴短轴，mm;

Hsl——气缸槽宽，mm;

B——滑片厚度，mm;

Wsl——滑片宽度，mm;

H——气缸高度，mm

Rh——滚子高度，mm。

3 性能波动相关性验证

3.1 参数相关性理论

性能波动相关性是性能测量点数据与随机参数的波动特性是否一致，相关性的强弱可以根据数据理论，采用一定量指标来表示。

设空调工作状态的随机参数为x、y，其协方差计算式为：

式中：

Cov(x,y)——随机参数x、y的协方差；

Ex——随机参数x的期望值；

Ey——随机参数y的期望值；

相关性系数为：

式中：

rx,y——随机参数x，y的相关系数；

Dx——随机参数x的方差；

Dy——随机参数y的方差；

由计算式可知，协方差和相关性系数均是描述空调随机参数相关程度的量，其中协方差的绝对值越大，表征相关性的相关系数也会越大，相关程度也就越高。

3.2 压缩机性能一致性参数控制

对空调性能一致性影响的相关试验数据按制冷流程计算与处理，得到影响性能一致性的制冷量损失分布（如表1所示）及对空调性能一致性相关流程敏感性分析（如图2所示）。

表1 空调制冷量一致性总体平衡

结合空调制冷流程及制冷剂T-S图的能量平衡分析，制冷量损失项依次为压缩机制冷剂内泄漏、节流装置、压差、蒸发不充分、压缩机功耗。其中，压差是维持制冷剂循环正常损耗，蒸发不充分导致的参与压力也是一种制冷量损失，残压越高制冷量损失越来，从制冷剂T-S图中可以清晰看到。蒸发不充分即蒸发后残留的气、液制冷剂均会带来制冷量损失。节流装置及分流导致两相流态的差异，带来出口温度、冷凝换热效率的不均匀。而压缩机制冷剂内泄漏受压缩机机芯内部装配间隙，产生的高、低压通道、油膜密封效果差异影响。同时，装配间隙关系到各零件滑动、运动形成的润滑油膜，影响压缩机功耗及可靠性。

图2 空调性能一致性相关流程敏感性分析结果

3.3 径向间隙对性能一致性试验验证

制冷剂内泄漏导致的容差、润滑差异，是影响空调性能一致性的敏感因素（如图2所示），直接影响到整个压缩机的性能可靠性。直接测量滚动转子式压缩机的间隙泄漏量非常困难，本文通过选配滚子与气缸装配后径向间隙值，在标准工况下，对格力凌达公司生产的QX-23E030转子式制冷压缩机（主要结构参数、性能曲线如表2、图3所示）进行制冷量的测试验证性能一致性优化。为此加工了不同尺寸的转子，在装配时严格控制配对间隙，并分别进行性能试验及径向间隙导致制冷量损失理论计算（如表3所示）。

表2 QX-23E030转子式制冷压缩机主要结构参数

图3 QX-23E030转子式制冷压缩机性能曲线

表3 不同尺寸的滚子与汽缸径向间隙其泄漏量及制冷量之间的关系

采用不同尺寸的滚子与在装配时严格控制汽缸径向间隙，并进行理论泄漏量及制冷量、COP之间的关系计算（表3），可以看出同心间隙控制限对压缩机的制冷量一致性波动高达2.45%。为此结合设备及工艺精度控制现状，在生产过程中控制泵体零件尺寸精度在0～3 μm，并优化各个零件配对的径向及相关间隙（控制方案如表4所示）。按照式（1）～式（7）选配配对装机，并得到径向及相关零件间隙优化后实际值（如表5所示）。

表4 径向及相关零件间隙控制方案（单位：μm）

表5 径向及相关零件间隙优化后实际值（单位：μm）

在同一试验台进行优化前后的压缩机整机各项性能试验，完整对比试验周期持续约720 h。得到泵体装配过程间隙参数一致性（优化前后）与压缩机整机各项性能一致性的关系，试验结果如表6所示。

QX-23E030转子式制冷压缩机，在泵体零件选配及装配间隙在一致性的条件下，其压缩机的制冷量与COP均比同期优化前常规机好，说明加强泵体一致性的选配，对压缩机整机性能的一致性提高有好处。

试验结果可见，优化后试验机制冷量均值均比同期常规机均值大（除个别因转速低导致制冷量有所下降除外），说明通过零件选配，将泵体的同心装配间隙控制在30～35 μm，可减少泵体在周向压缩气体时的泄漏，从而进一步提高压缩机的制冷量。

试验中个别压缩机（6#、9#：032AO4022336、032AO4040015）出现转速偏低的现象，通过更换电机重复试验确认是电机本身问题，说明按优化方案要求的间隙不是导致压缩机转速偏低的原因。

表6 径向及相关零件间隙优化前后的性能对比

3.4 间隙参数与制冷量相关性

由表4～表6可看出同心装配对压缩机的冷量波动有很大影响。进一步采用MINITAB软件的主成分分析方法[6-7]对各个装配参数及整机制冷量性能关系进行相关性研究，得到表7结果。

表7 各主要成分的相关矩阵的特征值、比率及累计贡献率分析（制冷量）

表7表示各主要成分（变量相关阵）特征值、贡献率及累计贡献率。其中，第1主成分特征值最大为2.6365，即第1主成分方差为2.6365，第1主成分方差占总方差比率为0.3300，即贡献率为33.0%。以此类推，第2-6主成分贡献率依次为21.0%、17.1%、13.3%、8.5%、6.0%。

碎石图（如图4所示）横坐标表示各主要成分（变量相关阵）分量，纵坐标表示对应贡献率。可见，从第5个主要成分开始变化趋势平缓，且主成分特征根小于1。且由表7，第1-3主成分的累计贡献率已高达71.1%，确定取前4个主成分。

图4 各主要成分和制冷量的碎石图

结合前4个主成分对应特征值，根据其特征向量分别计算各参数变量在主成分上的载荷，得出主成分载荷矩阵（如表8所示），反应了各变量对4个主成分的贡献。

表8 主成分载荷矩阵

根据主成分载荷矩阵（如表8所示）相关主成分相关系数建立对1-4主成分与标准化变量的关系，以上动态变量对主成分均有贡献。其中，第1主成分相关系数绝对值最大为0.524、0.512、0.477，与之对应的装配间隙参数为曲轴滚子配合间隙、气缸滚子高度间隙、气缸滑片高度间隙。整机制冷量与曲轴滚子配合间隙、气缸滚子高度间隙、气缸滑片高度间隙有较大的正相关，因为这三个装配间隙与曲轴的驱动的机械传递相关，因此第1主成分被认定为压缩机泵体组件机械驱动精度与效率的代表；

第2、4主成分相关系数绝对值最大为0.501、0.446及-0.58、0.668，与之对应的装配间隙参数为径向间隙、上法兰长轴间隙。整机制冷量与径向间隙波动强相关，与上法兰长轴间隙正相关，因为这两个装配间隙与泵体容差相关，因此第2、4主成分认定为压缩机泵体同心精度与容积率的代表；

第3主成分相关系数绝对值最大为-0.677、-0.629，与之对应的装配间隙参数为下法兰短轴间隙、滑片槽配合间隙。整机制冷量与下法兰短轴间隙、滑片槽配合间隙有较大负相关，因为这两个装配间隙与泵体内泄漏相关，第3主成分认定为压缩机泵体平面精度与摩擦功耗的代表。

对前4个主成分贡献分析，确定重点控制上法兰长轴间隙、下法兰短轴间隙、径向间隙、滑片槽配合间隙四个关键装配参数。制造过程采取分选保证尺寸配对，设备程序自动计算判异，并采取标样及标准、测试精度及重复性管理，对配对异常品进行严格处置、专人确认管理。

4 结论

近年来，房间空调器性能与能效标准提升。为更好掌握滚动转子式压缩机性能一致性的影响机理，对制冷剂压缩关键流程的内泄漏，开展配对间隙对性能一致性的理论计算，及径向间隙、曲轴滚子配合间隙等配对控制与分档性能验证试验。制冷剂内泄漏引起的制冷量损失占总损失比例的58.2%，采用MINITAB软件的主成分分析方法发现第1-4主成分的累计贡献率已高达71.1%，影响制冷剂内泄漏的主要有泵体组件机械驱动精度与效率、泵体同心精度与容积率、平面精度与摩擦功耗，对制冷剂内泄漏导致的制冷量损失的贡献分别为33%、21%与17.1%。挑选出该3套配对间隙相关的四组参数作为关键装配参数，制造过程采取设备程序自动计算判断分档分选，保证尺寸配对与整机功率性能一致性。