【技术】如何提升R290轻型商用压缩机性能？
2024-06-12 21:02:51
虽然R290制冷剂备受关注，也在一些小型制冷设备上得到了应用，但R290制冷压缩机也会出现一些技术问题，如压缩机不启动、卡死等故障。对于商用产品而言，压缩机出现可靠性故障是致命的，损失不可预估，因此各公司对R290轻型商用压缩机可靠性都非常重视，并建立各种严酷标准来模拟用户实际使用工况，保证压缩机可靠性。 如何解决这样的问题？如何让R290压缩机更具可靠性？本期我们一起来看！ 与R134a、R404A相比，R290在臭氧友好与低碳环保方面具有无可比拟的优势，其臭氧消耗潜值（ODP）为0，温室效应潜值（GWP）也趋近于0。不仅如此，R290的制冷性能优越，尤其是在高温工况下，具有良好的制冷表现。R290的充注量也要明显低于传统制冷剂，而且更加高效节能。 美国环保署（EPA）已允许丙烷用于商用冷柜，如立式陈列柜、饮料柜等，但充注量限值为150g。 国际电工委（IEC）家用和类似用途电器工作组已经开始准备草案更改家用和轻商用制冷设备中碳氢制冷剂充注量限值，IEC 60335-2-89 新版草案目前进入到CDV阶段，该提案将制冷剂充注量由150g提高到490g。与此同时，美国消防研究基金会正准备进行独自研究来评估碳氢制冷剂的起火风险，以此作为提高碳氢制冷剂充注量限值的一种途径。R290制冷剂制冷性能较好，适用于中小型制冷设备，是非常有发展前景的环保制冷剂。 经过近几年大量的技术论证和谨慎的选择，我国制冷行业确定以R290作为替代路线。R290轻型商用压缩机也在各压缩机厂家生产，但在生产过程中部分压缩机出现可靠性故障。 压缩机的可靠性是指在规定条件下压缩机能够正常运转，而不致因故障丧失正常的运转能力。可靠性指标可用年故障率τ表示，故障率τ是产品在规定的时间间隔内年均故障的概率。它是通过试验的方法由式（1）求得的：
m——在Δt时间内出现故障，故障的压缩机台数。由于夏季气温高，压缩机负荷大，容易出现故障，因此τ值是用年故障率计算才是合理的。根据已有的压缩机进行分析，压缩机的可靠性与其名义制冷量有关。制冷量越大，其年故障率越高。经过近30年发展，目前全封闭压缩机平均寿命约50000h，如果以工作时间系数0.4～0.6计，则其工作寿命相当于10～15年。 使用R290制冷剂A压缩机在某品牌饮料柜产品使用过程中出现不启动、卡死故障，对不启动、卡死的故障机进行开壳分析，发现图1压缩机曲拐与连杆大头出现咬合，导致压缩机不启动、卡死；
图1压缩机卡死
图2曲拐与连杆大头出现咬合，曲拐磨损严重。经过对饮料柜系统设计、生产制造等分析，并对不启动、卡死故障机进行开壳分析。
图2曲拐磨损严重
（1）饮料柜系统由于使用环境、系统设计等原因，充注制冷剂普遍偏多，且R290制冷剂标准沸点温度-42.1℃很低； （2）饮料柜系统充注完制冷剂后，大量的制冷剂在压缩机内快速气化吸收热量，压缩机机芯温度快速下降，导致压缩机泵体结构配合间隙发生变化； （3）冷冻油中溶解大量制冷剂，冷冻油粘度下降，油膜厚度进一步降低； （4）在系统压力还没有平衡的情况下开机，压缩机负荷增大，其润滑性变差。压缩机连杆耐磨性满足不了这种系统负荷，摩擦表面拉毛，造成曲轴曲拐与连杆磨损，以致压缩机出现不启动、卡死现象。如图3曲轴连杆机构作用力分析图所示，活塞力F g 可分解为两个分力，一个分力为F 1，力的方向沿连杆大小头孔中心线，称为连杆力，另一个分力为N，力的方向垂直于气缸壁，称为侧向力。传递到曲拐中心的连杆力F 1，又可以分解为切向力和法向力。切向力的正方向总是与曲轴转向相反，法向力的正方向是沿曲拐半径远离轴颈中心。
图3曲轴连杆机构作用力分析图
由图3可以得出：产生磨损主要原因为曲轴曲拐与连杆大头配合面存在很大的应力集中。上述4种因素的综合影响是造成曲轴曲拐与连杆磨损、曲拐磨损严重的根本原因。 A压缩机泵体结构受力情况与B压缩机相似，B压缩机已经批量生产，下线率非常低。表1为A、B压缩机受力分析比较，由于压缩机使用工况不同，从表1可以看出A压缩机吸气压力更高，所受气体力更大。
从图4、图5压缩机曲拐应力分析比较来看，曲拐应力最大的区域，A压缩机最大应力为201.59MPa，B压缩机最大应力为134.97MPa，从受力分析看，A曲轴最大应力更高。
图4A压缩机曲拐应力分析
通过对压缩机所受气体力和曲轴连杆机构的作用力分析，采用以下4项改进措施对压缩机进行了改进： （1）提升冷冻油的粘度，增加机械零件配合面油膜层厚度，减少摩擦； （4）优化阀板泄压槽，减小活塞气体力，降低压缩机负荷。 采用上述4种改进措施压缩机按ASHRAE工况进行整机性能测试，从表2改进前后压缩机性能测试对比数据来看，改进后压缩机制冷量下降1.6%，COP下降0.9%，噪声增加0.6dB(A)，满足压缩机性能要求，说明改进后压缩机整机性能满足要求。
对采用以上4种改进措施压缩机进行加速寿命试验、启动耐久性试验等可靠性试验验证，试验后压缩机性能满足GB/T9098-2008中6.11试验方法规定的试验结束后，其制冷量和性能系数（COP）应不低于试验前实测值的95%，噪声值应不大于试验前实测值3dB(A)要求。试验后对压缩机进行开壳，分析所有受力零部件的情况，包括各摩擦副零件的磨损情况。
图6改进前压缩机可靠性开壳图 图7改进后压缩机可靠性开壳图 从图6改进前A压缩机经过加速寿命试验、启动耐久性试验等可靠性试验验证后，压缩机曲轴曲拐、连杆均出现较为严重磨损，是导致压缩机不启动、卡死的主要原因。图7改进后B压缩机经过加速寿命试验、启动耐久性试验等可靠性试验验证后，实验正常进行，开壳分析后压缩机曲轴曲拐、连杆基本没有磨损。 从图6、7压缩机可靠性试验验证开壳图来看，采用提升冷冻油的粘度、改善曲轴曲拐受力、提高连杆耐磨性、优化阀板泄压槽四项改进措施后，连杆与曲轴基本没有磨损，且压缩机性能变化不大，满足压缩机性能要求。说明该4项改进措施对改进压缩机可靠性有效，满足改进要求，压缩机不启动、卡死故障得到有效改善。
