旋轉式壓縮機可靠性試驗方法

王大號 朱紅偉 劉靖

（廣東珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

旋轉式壓縮機可靠性試驗方法

王大號 朱紅偉 劉靖

（廣東珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

壓縮機是空調系統(tǒng)的心臟，為了保證壓縮機的可靠性，可靠性試驗是壓縮機研發(fā)和生產過程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文通過分析壓縮機可靠性試驗目的、試驗原理、試驗類型、試驗項目、試驗評價等各個方面，為壓縮機可靠性試驗方案的設計提供參考。

壓縮機；可靠性；試驗

1 引言

可靠性是產品質量的重要特性，其定義為“產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力”?？煽啃运降母叩头磻水a品使用壽命的長短，壓縮機是空調的“心臟”，如何提高壓縮機工作的可靠性，是各大研發(fā)單位和生產廠家非常關注的問題。目前家用空調采用的通常為全封閉式壓縮機，發(fā)生故障時不可維修，因此要求壓縮機在其壽命期內無故障運行。為了達到上述目標，在壓縮機研發(fā)和生產階段，我們必須抓住可靠性試驗環(huán)節(jié)，通過不同類型的可靠性試驗，對壓縮機可靠性進行全面評估，充分暴露壓縮機設計和工藝的薄弱點，并不斷改進，不斷提高壓縮機可靠性。本文對壓縮機可靠性試驗的方法進行了總結分析，供同行業(yè)相關人員參考。

2 壓縮機可靠性試驗方法

2.1 壓縮機可靠性試驗的目的

壓縮機可靠性的試驗的目的和主要作用在于：

（1）發(fā)現(xiàn)壓縮機在設計、零部件、原材料和工藝方面的各種缺陷和故障；

（2）確認研發(fā)和生產的壓縮機是否符合可靠性要求，比如壽命要求等；

（3）為評估和改進壓縮機設計和工藝，提高壓縮機可靠性提供信息。

可靠性試驗一般分為工程試驗與統(tǒng)計試驗，目前壓縮機可靠性試驗通常采用加速壽命試驗，屬于統(tǒng)計試驗范疇，目的是驗證壓縮機在各工況條件下的使用壽命是否達到空調系統(tǒng)規(guī)定的要求。

2.2 壓縮機可靠性試驗的原理

旋轉式壓縮機主要應用于空調制冷系統(tǒng)，空調在一年四季各個工況下的總運行時間達到4000小時左右，目前空調的使用年限在10年以上，因此空調和壓縮機在其壽命周期運行時間至少在4萬小時以上，若按照壓縮機實際運行的工況在實驗室進行驗證，則運行時間過長，既浪費成本又不利于快速評估壓縮機可靠性，因此通常采用加大試驗應力而又不改變壓縮機失效機理的方法，使壓縮機的故障加速暴露，此試驗方法稱為壓縮機加速壽命試驗，通常選取的加速應力為溫度加速和壓力加速，需要注意的是加速應力的水平不能超過壓縮機的破壞極限，不能改變其失效機理，采用溫度或壓力加速時的試驗模型如下：

（1）溫度加速試驗模型

采用溫度為加速應力時，常采用阿倫尼斯（Arrhenius）作為壽命與溫度關系模型，其經(jīng)驗

公式為：

式中，t為壽命；T為絕對溫度；A為常數(shù)；B為激活能有關的參數(shù)。

對式（1）進行變換，兩邊取對數(shù)，令a=lnA，則

由式（2）可知，壽命t的對數(shù)與絕對溫度T的倒數(shù)之間滿足直線方程的關系。當通過幾組溫度應力試驗得到產品的幾個溫度點的壽命之后，就可以確定a和B值，利用式（2）推算出壓縮機在正常溫度下壓縮機的壽命。

若采用溫度加速，則加速系數(shù)為：

一般情況下，加速系數(shù)需大于1，否則沒有加速時間的效果。

（2）壓力加速試驗模型

采用壓力為加速應力時，壽命與壓力關系模型的經(jīng)驗公式為：

式中，t為壽命；p為壓力；d、c為與壓縮機有關的參數(shù)。

對式（4）進行變換，兩邊取對數(shù)，令

由式（5）可知，壽命t的對數(shù)與所施加的壓力對數(shù)之間滿足直線方程，通過幾組壓力應力試驗，可得到幾個點的壽命值，進而確定a和b的值，進而通過式（5）外推出實際壓力下壓縮機的壽命。

若采用壓力加速，則加速系數(shù)為：

2.3 壓縮機可靠性試驗的類型

按照施加應力的方式，壓縮機加速壽命試驗分為恒定應力、步進應力、序進應力加速壽命試驗三種。

圖1 恒定應力加速壽命試驗剖面

圖2 步進應力加速壽命試驗剖面

圖3 序進應力加速壽命試驗剖面

（1）恒定應力加速壽命試驗

壓縮機在試驗時，施加的應力水平在整個試驗中保持不變。為了達到加速失效縮短試驗時間的目的，要求各組壽命試驗的應力都高于正常工作條件下的應力，試驗剖面如圖1所示。

恒定應力試驗方法比較簡單，統(tǒng)計分析相對成熟，是目前壓縮機最常用的可靠性試驗方法，其缺點是試驗時間相對較長，所需樣品數(shù)量較多。

（2）步進應力加速壽命試驗

壓縮機在試驗時，施加的應力是逐步增加的，直至達到壓縮機的工作極限和破壞極限，施加的應力可能遠高于壓縮機實際使用應力，以此激發(fā)壓縮機的設計薄弱點，試驗剖面如圖2所示。步進應力試驗時間相對較短，所需樣品數(shù)量較少。缺點是試驗方案比較復雜，對壓縮機測試臺要求較高。

（3）序進應力加速壽命試驗

壓縮機在試驗時，施加的應力是一種隨時間等速增加的，直至達到壓縮機的工作極限和破壞極限，試驗剖面如圖3所示。序進應力試驗更復雜，加速效率較高，其缺點是要求專門的試驗設備控制等速增加應力，其統(tǒng)計分析最為復雜。

由于步進應力和序進應力加速壽命試驗，對測試臺要求較高，統(tǒng)計分析方法復雜，因此其應用大大受到限制，目前壓縮機可靠性試驗方法主要以恒定應力加速試驗為主。

2.4 壓縮機可靠性試驗的項目

壓縮機可靠性試驗項目的制定都是從空調實際使用的工況和條件出發(fā)，綜合各種極限使用環(huán)境和運行方式，選擇最典型最有效的對壓縮機可靠性進行考核的工況，然后采用溫度、或壓力等加速措施，根據(jù)加速壽命試驗模型，設計出試驗方案，包括施加的應力水平和運行時間等，最主要的試驗項目如下：

（1）高負荷試驗

模擬空調系統(tǒng)在室外溫度較高，室內溫度同樣較高的過負荷制冷使用場合。將壓縮機十年以上的制冷運行時間（4萬小時以上），通過壓力加速，將試驗時間縮短到試驗室可接受的試驗范圍內，試驗工況主要采用高蒸發(fā)溫度、高冷凝溫度、高吸氣溫度，使壓縮機處于過負荷的運轉條件，即用提高負荷的辦法來加速評價曲軸、滑片、滾子、上下法蘭等零部件的磨損狀況，評價排氣閥片、減振墊圈等的使用耐久性。

高負荷工況同時可以考核電機最大功率消耗，電機設計承受最大電流的工作能力；電動機絕緣材料或繞組的劣化狀況，若電機處于“小馬拉大車”的不穩(wěn)定運行狀態(tài)，電動機消耗功率較大，壓縮機內部溫度將很高，導致電機絕緣材料或繞組燒毀。

（2）高壓比試驗

模擬壓縮機在空調系統(tǒng)中冬季制熱，室外溫度較低而室內溫度較高的運行條件，它的特點是采用低蒸發(fā)溫度和較高冷凝溫度，使壓縮機在高壓比條件下運行。由于壓縮比高，壓縮溫升高，制冷劑流量小，不能充分冷卻壓縮腔內的零部件，在高排氣溫度下，潤滑油粘度的降低將導致零部件加速磨損，另外高溫下氣缸內部零件的熱膨脹較大，泵體零件的配合間隙變小容易導致零件發(fā)生咬合。由于高溫作用，電機絕緣材料、冷凍油、制冷劑等加速劣化，以此來評價壓縮機的可靠性與壽命。

（3）開停試驗

空調器在10年壽命期內，定頻機約有20萬次以上開停，變頻機約有2萬次以上開停，壓縮機在啟動時，泵體各配合副得不到充分的潤滑，作用在配合表面上的法向力不能被油膜的動態(tài)壓力所平衡。在停機過程中，曲軸的轉速降低，摩擦表面上相對滑動速度明顯下降，作用在曲軸上的力會使油膜破壞，重復的啟動與停機將導致潤滑劣化磨損加速，本試驗通過上萬次的開停循環(huán)對壓縮機開停機時泵體的潤滑可靠性進行充分驗證。同時對閥片、彈簧、減振墊圈、電機等零部件受到機械應力與電應力沖擊而劣化進行評估。

（4）低溫啟動試驗

低溫啟動試驗主要是模擬空調在冬季長時間停機后開機制熱的使用方式，壓縮機在低溫環(huán)境下長時間靜置，由于環(huán)境溫度較低，壓縮機內部的冷凍油粘度變大，壓縮機啟動力矩增大，易發(fā)生啟動異常。若環(huán)境溫度低于壓縮機內部冷凍油和制冷劑的二層分離溫度，則冷凍油與制冷劑發(fā)生二層分離，制冷劑在低溫下密度大于冷凍油而處于壓縮機下部，冷凍油處于上部，當壓縮機啟動時，首先吸入制冷劑供給到各摩擦副，導致各配合副潤滑不良發(fā)生異常磨損，因此低溫啟動試驗是另一個壓縮機重點驗證的試驗項目，為保證試驗效果，該試驗需要在低溫環(huán)境箱內進行。

上述試驗是壓縮機可靠性試驗重點評估的項目，除此之外，根據(jù)壓縮機使用環(huán)境的不同，可能還涉及液擊試驗、組合試驗等其他試驗，各廠家需根據(jù)壓縮機自身結構和使用環(huán)境設計特定試驗，在設計試驗時，溫度或壓力的選擇不能超過壓縮機的破壞極限，不能改變失效機理，然后通過加速模型計算實驗室內的等效運行時間，一般運行時間均在1000小時以上。

2.5 壓縮機可靠性試驗結果的評價

壓縮機可靠性試驗結果的評價主要包含三個方面：

（1）性能：主要體現(xiàn)在性能的衰減要在空調用戶可接受的范圍內，目前國標GB/T 15765要求，性能衰減在原測值的5%以內；

（2）噪聲：試驗完成后壓縮機噪聲上升值不能超過原測值的3dB（A）；

（3）零件磨損：從壓縮機可靠性試驗后零件的磨損狀態(tài)，判定零件處于穩(wěn)定磨損期或是劇烈磨損期，從而預判壓縮機剩余使用壽命。

3 結論

壓縮機可靠性試驗是壓縮機研發(fā)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，試驗的充分與否直接影響到壓縮機在空調系統(tǒng)的售后維修成本。本文提出旋轉式壓縮機可靠性試驗方法，供同行業(yè)相關人員參考，根據(jù)壓縮機在空調系統(tǒng)的使用條件和自身結構特點，制定出快速有效的可靠性試驗方法，只有通過全面的可靠性試驗考核，不斷發(fā)現(xiàn)薄弱點并不斷改進，才能達到研發(fā)高可靠性壓縮機的目的。

[1]吳業(yè)正，李紅旗，張華等. 制冷壓縮機 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]李良巧等. 注冊可靠性工程師手冊[M].北京：中國人民大學出版社，2012.

The reliability test methods for rotary compressor

WANG Dahao ZHU Hongwei LIU Jing
(Gree Electric Appliances，INC. of Zhuhai Zhuhai 519070)

Compressor is the heart of the air-conditioner system, in order to ensure the reliability of the compressor, the reliability testing is an essential part during the research and producing process for compressor. Include to provide a reference for the design of compressor reliability testing program. The test purposes, test principle, test type, test item and result evaluation of reliability test were analyzed in this paper.

Compressor; Reliability; Test