涡旋轴向间隙测量方法及应用范围_李伟.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G8 3-8 7收稿日期:2 0 2 1-0 7-2 0,修回日期:2 0 2 1-1 0-0 8作者简介:李伟,硕士,高级工程师,主要从事压缩机装配工艺工作。涡旋轴向间隙测量方法及应用范围李伟(丹佛斯(天津)有限公司)摘 要 介绍了涡旋式压缩机的结构,涡旋轴向间隙的作用以及3种涡旋轴向间隙的测量方法及其应用范围。为涡旋式压缩机研发过程中涡旋轴向间隙动态测量及生产线涡旋轴向间隙在线质量控制提供了参考,同时也为压缩机研发、工艺以及质量等相关技术人员分享了宝贵经验。关键词 涡旋式压缩机;涡旋轴向间隙;测量S c r o l l a x i a l c l e a r a n c em e a s u r e m e n tm e t h o da n da p p l i c a t i o nr a n g eL iW e i(D a n f o s s(T i a n j i n)L t d.)A B S T R A C T T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs c r o l lc o m p r e s s o r,t h ef u n c t i o no fs c r o l l a x i a l c l e a r a n c e,t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so f t h r e ek i n d so f s c r o l l a x i a l c l e a r a n c e a n dt h e i ra p p l i c a t i o nr a n g e.I t p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h ed y n a m i cm e a s u r e m e n t o f s c r o l l a x i a lc l e a r a n c ea n dt h eo n l i n eq u a l i t yc o n t r o l o f s c r o l l a x i a l c l e a r a n c e i nt h er e s e a r c ha n dd e v e l-o p m e n tp r o j e c to f s c r o l l c o m p r e s s o r,a n ds h a r e sv a l u a b l ee x p e r i e n c e f o r t h e t e c h n i c a l p e r-s o n n e l r e l a t e dt oc o m p r e s s o r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t,p r o c e s sa n dq u a l i t y.K E Y WO R D S s c r o l l c o m p r e s s o r;s c r o l l a x i a l c l e a r a n c e;m e a s u r e m e n t 随着制冷空调行业的飞速发展,相关行业制造、检测技术水平的不断提升,涡旋式压缩机被日益广泛地应用。相较于其他类型的制冷、空调压缩机,涡旋式压缩机有很多优势,包括零部件少,容积效率高,运行稳定可靠,运行噪声低等1。作为一种容积式压缩机,涡旋式压缩机动涡旋和静涡旋间的密封间隙与压缩机的性能和可靠性有很强的相关性。因此,密封间隙是新型号涡旋式压缩机研发的重要考量指标之一,相应的其测量方法也是近些年来各企业及机构研究的重点。文章介绍了几种主要的涡旋式压缩机轴向间隙测量的方法、原理,并详细阐述了其相应的应用范围。为从事涡旋式压缩机研发、工艺及质量的相关技术人员提供了重要参考。1 涡旋式压缩机的结构涡旋式压缩机结构简单,如图1所示。本体外部为密闭外壳,内部零部件主要包括排气阀组、静涡旋、十字环、动涡旋、曲柄轴、机架、电机、下支撑等。压缩机运转前,内部会加注相应质量的制冷剂和润滑油。通电启动后,在内部电机的驱动下,曲柄轴偏心部会带动动涡旋进行偏心回转平动,从而完成吸气、压缩、排气的连续循环工作过程2。图1 涡旋式压缩机结构图2 涡旋式压缩机的密封间隙作为一种容积式压缩机,涡旋式压缩机的密 8 4 第2 3卷 封间隙与其性能和可靠性有很强的相关性。动涡旋和静涡旋是涡旋式压缩机中容纳及压缩工质气体的一对核心部件。成对装配的动涡旋和静涡旋安装在机架上,并由若干个螺栓拧紧固定好。动、静涡旋在十字环的作用下相互啮合且保持相位相差1 8 0,二者之间会形成若干对封闭的近似月牙形工作腔,通过安装于电机上的曲轴转动连续驱动动涡旋,使其连续平稳地完成吸气、压缩和排气等循环过程。涡旋式压缩机的泄漏主要是涡旋型线轴向啮合间隙的径向泄漏及型线径向啮合间隙的切向泄漏,如图2所示。密封间隙过大时,动、静涡旋间的泄漏量亦会增加,这样会降低压缩机的实际使用效率,当泄漏过于严重时,会丧失压缩功能导致其无法正常工作。相反,若密封间隙过小,动、静涡旋间的摩擦会增大,功耗增加,性能下降,亦会增加压缩机相关零部件的磨损,降低压缩机的实际使用效率及使用寿命,严重时会直接导致压缩机失效、毁坏。因此,计算、分析泄漏量大小需要建立合理的泄漏模型,这对于研究涡旋式压缩机的性能和寿命意义重大。而涡旋式压缩机密封间隙的大小又是确定泄漏模型的基本要素,也是计算、分析泄漏量大小的关键所在3。因此,涡旋式压缩机的密封间隙的测量方法成为各企业机构的研究重点。文献4-5分别对离心压缩机、轴流压缩机的叶顶间隙测量方法进行了阐述。但是,相较于透平式压缩机,涡旋式压缩机的密封间隙更为复杂和精密。当前,涡旋式压缩机的密封间隙通常被设计为十几微米至几十微米,因此对于这样一个间隙范围,测量更加困难。目前,文献6 在分析涡旋型线的泄漏时都将其径向间隙和轴向间隙简化为固定值进行处理,通常径向间隙和轴向间隙的推荐值分别为1 0m和2 0m。文献7 介绍了反推法来确定涡旋间隙,其做法是先通过试验得到压缩机性能曲线,然后分别与不同间隙值下的理论模拟性能曲线作比较,最终来确定涡旋间隙值。由于轴向间隙的泄漏线长度要大于径向间隙,因此轴向间隙比径向间隙在更大程度上影响着泄漏量8。文章主要针对轴向间隙的测量方法、特点和使用范围进行详细介绍。3 涡旋式压缩机轴向间隙的测量方法目前,涡旋式压缩机轴向间隙的测量方法按照使用范围不同主要有3种,即间接测量法、直接测量法和非接触式测量法,后面会分别对这3种方图2 涡旋式压缩机的密封间隙法的原理、特点及应用范围进行详细介绍。3.1 间接测量法,即用三坐标测量机测量相关参数并计算出动、静涡旋轴向间隙目前,此种方法常见于涡旋式压缩机制造企业中,适合成熟产品的大批大量的生产方式。其目的主要是用于动涡旋和静涡旋机加工生产线的过程质量控制。在大批大量生产模式中,动涡旋和静涡旋的加工通常由数控加工中心完成,换型(换班)首件调试过程中会根据动、静涡旋图纸尺寸公差要求进行加工参数设定,当首件加工完成后会使用三坐标测量机进行测量、计算并修改加工参数,以保证加工后的涡旋尺寸公差、形位公差及计算后的动、静涡旋轴向间隙符合图纸要求,进而确保后续批量产品的品质。由于间接测量法耗时较长,只适用于动、静涡旋机加工生产线换型(换班)过程中的首件调试及生产过程中的质量抽检。间接测量法测量动、静涡旋轴向间隙的过程如下:1)为了便于标准化测量操作首先定义相关零件测量参数,如图3所示。静旋参数:A为涡卷顶部至静旋支撑面的距离(mm);B为 涡 卷 底 部 至 静 旋 支 撑 面 的 距 离(mm)。动旋参数:E为涡卷底部至涡卷顶部的距离(mm);C为动旋底板的厚度(mm)。机架参数:T为机架支撑面至机架轴承面的距离(可用中值代替,mm)。轴向间隙参数:AX F为静涡卷底部至动涡卷顶部的间隙(mm);AX O为静涡卷顶部至动涡卷底部的间隙(mm)。第1期李伟:涡旋轴向间隙测量方法及应用范围8 5 2)使用三座标测量机对加工后的动涡旋和静涡旋相应的尺寸参数进行测量,读取测量报告中的相关参数。3)将测量报告中的相关参数代入公式(1)(2)计算动涡旋和静涡旋轴向间隙。备注:三坐标测量机的测量精度可以达到微米级,经过计算间接得到的涡旋间隙值能达到微米精度。AX F=B-(E+C)-T(1)AX O=A-C-T(2)4)将测量结果与图纸要求进行对比,确保动、静涡旋轴向间隙合格。如不合格则做相应加工参数调整直至合格。图3 参数定义示意图3.2 直接测量法,即使用专用设备直接测量装配后的动、静涡旋轴向间隙动、静涡旋均是在压缩机中装配好才能正常工作,为了更接近压缩机工作时动、静涡旋轴向间隙的真实状态,在涡旋式压缩机装配生产线上可以使用直接测量法测量动、静涡旋装配后的功能轴向间隙,功能轴向间隙值包括了静涡旋、动涡旋和机架装配后,由于螺栓紧固后产生的变形量。通常情况下,在涡旋型号、尺寸、材质、螺栓数量、紧固力矩均相同的情况下,直接测量法得到的动、静涡旋轴向间隙值会比计算法得到的动、静涡旋间隙值要小,二者差值范围在十几微米至几十微米。此种方法耗时较短,可在装配生产线实现在线自动测量,既可以抽检也可以1 0 0%检查。将测得的动、静涡旋功能轴向间隙值与图纸给定值进行比对,就可以筛选出不合格的产品。通常图纸要求涡旋间隙为十几微米至几十微米,因此,要使用最小单位为微米的深度尺进行直接测量以确保在线测量精度。如图4所示,在装配生产线使用直接测量法测量动、静涡旋轴向间隙的过程如下。图4 直接法测量示意图1)在产线涡旋装配工序,将动涡旋、十字环、静涡旋和机架装配在一起,使动涡旋贴紧静涡旋,在相应的螺栓孔内放入螺栓。深度测量设备的探针接触到动旋底部进行清零(在装配前务必保证动、静涡旋和机架表面无油及其他杂质)。8 6 第2 3卷 2)保持深度测量设备的探针接触动涡旋底部,在保证动、静涡旋贴紧的同时,将所有螺栓按设计的标准力矩值进行紧固。3)螺栓紧固后,将动旋下部贴紧机架的上表面,此时深度测量设备上得到的值就是涡旋间隙即这个间隙值包括动、静涡旋和机架装配用螺栓紧固后的变形量。4)将测量结果与图纸要求进行对比,确保动、静涡旋轴向间隙合格,以筛查出不良品。3.3 非接触式测量,即使用电涡流传感器测量运转中的压缩机动、静涡旋轴向间隙当研发新型号压缩机或者想对现有型号压缩机进行改进的时候,为了深入研究压缩机工作时的真实状态,需要测量运转时动涡旋和静涡旋的轴向间隙即动态轴向间隙。而涡旋式压缩机涡旋型线复杂,且其运转时内部充满温度、压力较高的制冷剂和润滑油雾,这就要求涡旋轴向间隙的测量要使用非接触式测量方法。在现有非接触式测量方法中,电容式位移传感器和光位移传感器容易受到杂质、灰尘等干扰,无法准确测出动、静涡旋之间的间隙。而电涡流传感器受油污影响小,测量灵敏度高、动态性能好、易于自动采集数据,且可以沿静涡旋旋线方向被布置安装于多个位置,所以可应用于涡旋式压缩机工作过程中涡旋轴向间隙这种小位移量的测量9。电涡流传感器的工作原理如图5所示,由电磁感应原理可知,金属线圈中在通过交变电流时就会相应的产生交变磁场。反之亦然,当金属处在交变磁场中时,也会相应的在金属体内产生电流,其特点是在金属体内自行闭合,呈旋涡状,因此被称作电涡流。电涡流的大小与金属导体几何尺寸、材料特性以及线圈与金属体表面的距离等参数呈函数关系,其产生会抵消一些磁场能量,改变磁线线圈阻抗,基于这种原理开发了电涡流传感器。电涡流传感器是非接触式的即其线圈与被测金属体表面不接触,因此除了线圈与金属表面的距离,其他所有参数均恒定时便可以准确测量出位移量。此种测量方法设备昂贵,过程复杂,传感器安装条件苛刻,测试周期长且需要多次调试,成本较高。非接触式测量过程如下:1)校验,在进行动态测量之前,电涡流传感器测量系统应进行静态校验,以获得校准曲线及位图5 电涡流传感器工作原理9移与电压的函数关系公式,校验得到的电压与位移的比例系数是毫伏/微米,故此方法能达到微米级精度。详细校验过程可参考文献1 0。2)电涡流传感器的安装,如图6所示。在静涡旋上沿旋线方向可布置安装一个或多个电涡流传感器,为了减少传感器周边金属材料对其探头的信号干扰,影响测量结果,传感器的安装孔应设置在相邻涡旋壁的中间位置,安装孔的直径应满足大于等于传感器直径的3倍,传感器顶部伸出安装孔底面的高度应满足大于等于传感器直径的1.3倍。同时,为了避免在压缩机工作时传感器被转动的动涡旋齿撞坏,其顶部距离动涡旋齿顶部应保持0.5mm偏置量。图6 电涡流传感器安装示意图3)动态测试,如图7所示,在连接完电涡流传感器系统后,启动压缩机,在稳定运行过程中得到电涡流传感器测试出的电压值。4)通过位移与电压的函数关系公式计算出动涡旋齿顶的位移量,使用此位移量减去0.5mm偏置量即可得到轴向涡旋间隙。4 结束语文章详细地介绍了涡旋式压缩机的结构,动、静涡旋轴向间隙的作用以及3种轴向间隙的测量方法、特点及其应用范围。对于比较成熟的已经量产的涡旋式压缩机,在机加工生产线进行在线 第1期李伟:涡旋轴向间隙测量方法及应用范围8 7 图7 电涡流传感器系统连接示意图监测和过程控制的时候可使用间接测量法进行抽检,以便及时调整加工设备参数进行纠偏。如果是压缩机装配生产线则使用直接测量法,可快速得到测量结果,及时对产品质量进行有效监控。当压缩机处于研发阶段时,需要测量压缩机运转时的动态涡旋轴向间隙,则使用电涡流传感器进行非接触式测量,使得泄漏量的计算更加准确,便于研发人员进行分析及更改产品设计。参 考 文 献1 冯健美,屈宗长.涡旋压缩机的发展优势和关键技术J.中国机械工程,2 0 0 2,1 3(1 9):1 7 0 6-1 7 0 9.2 李伟.浅 析 涡 旋 压 缩 机 定 心 装 配 的 关 键 影 响 因 素J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(5):3 2-3 3.3 顾兆林,郁永章,冯诗愚.涡旋压缩机及其它涡旋机械M.陕西:科学技术出版社,1 9 9 8.4 席峰.汽轮机汽封间隙检测初步研究D.北京:华北电力大学,2 0 0 3.5 贾智伟,姜涛,李应红.压气机叶片顶端与机匣运动间隙的测量J.航空精密制造技术,2 0 0 2,3 8(4):4 4-4 6.6 柏杰.喷油涡旋空压机研究D.西安:西安交通大学,1 9 9 5.7 杨启超,李连生,赵远扬,等.电涡流法测量涡旋压缩机轴向间隙的可行性实验研究J.中国机械工程,2 0 0 7,1 8(1 7):2 0 1 7-2 0 2 0.8 杨启超,李连生,赵远扬,等.涡旋压缩机轴向动态间隙的实验测量J.西安交通大学学报,2 0 0 8,4 2(7):7 9 6-7 9 7.9 李伟.电 涡 流 传 感 器 在 涡 旋 压 缩 机 实 验 中 的 应 用J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(3):9 0-9 2.1 0吴道悌.非电量测控技术M.西安:西安大学出版社,2 0 0 4.(上接第8 2页)参 考 文 献1 凌均淑.无刷直流电动机应用于变频空调J.电气时代,2 0 0 5(3):8 8-9 0.2 张桃,赖想球,程世全.房间空调器失效机理与失效模式研究J.制冷与空调,2 0 1 7,1 7(1 0):3 4-3 9.3 金听祥.制冷技术原理与应用基础M.北京:机械工业出版社,2 0 1 8:6 3.4 张华俊,袁秀玲,刘勇,等.滚动转子式变频压缩机的实验研究J.制冷与空调,2 0 0 4,4(2):1 4-1 6.5 邢金昕.滚 动 转 子 式 压 缩 机 振 动 特 性 测 试 与 分 析D.沈阳:东北大学,2 0 1 5.6 王秀和.永磁电机M.北京:中国电力出版社,2 0 1 1:2 3.7 张晓艳,张学伟,林创辉,等.降低压缩机排气温度的措施分析及效果对比J.制冷,2 0 1 6,3 5(0 1):7 0-7 3.8 卢国涛,孙文治.压缩机排气过热对空调器可靠性的影响J.家电科技,2 0 1 1(5):8 6-8 7.