高温高速下大涡旋压缩机皮带故障原因分析

苟庆永， 钟怡军

（重庆迪马工业责任有限公司研究院， 重庆 401336）

在庆铃600P改装的厢式载货汽车上 ［这种厢式载货汽车是利用重庆庆铃的600P二类底盘， 经过我公司的设计后， 主要改装成银行的运钞车 （即DIMA5070）， 空调改装后于2011年5月上市］， 我公司过去使用的是活塞式的汽车压缩机， 后来经调查发现， 大多数客户正常使用时的车速一般在60km／h以内， 为了节能、 降噪和提高制冷效率， 我们决定将其改为等制冷功率的涡旋压缩机。 但是在应用过程中， 发现在40 ℃以上的高温天气下， 开着空调长时间跑高速公路 （压缩机3 500～5 000 r／min） 时，大多数皮带的运动能满足设计要求， 而有的压缩机皮带则频繁断裂 （过去使用活塞压缩机时， 此现象没有这样严重）， 从而影响产品的性能， 同时也影响汽车空调的正常使用。

在设计选型上， 我们选择的是一线品牌 “盖茨优霓塔”， 而在未换成涡旋压缩机之前， 此皮带一直用于这种底盘上的SE5H14压缩机， 且没有类似故障。

根据本空调系统， 对涡旋压缩机的结构特性、皮带使用环境和系统的压力等方面进行分析， 总结了此涡旋压缩机故障和皮带故障的原因。

1 问题描述

而在实际使用时， 有些车辆在 （高温天气） 高速公路运行几个月时间后， 空调皮带总是断裂 （频繁时一周左右断一次）， 随后此涡旋压缩机容易出现异响、 直到锁死， 空调不能工作， 影响客户车辆的正常使用。 图1为本发动机的空调压缩机皮带结构图。

2 原因分析

2.1 源头追溯分析（设计与匹配）

2.1.1 乘员舱状态

本厢式车乘员舱空间 （长×宽×高） 为2 420×1 830×1 620， 共计7.17 m3； 额定乘员数为6人， 左右侧壁内饰为钢板， 隔热效果差。

车身传热面积： 左（或右） 侧壁传热面积3.8m2，顶面传热面积4.5 m2， 前（或后） 面传热面积5.1 m2，玻璃窗传热面积2.6 m2。

2.1.2 空调匹配计算（表1）

注： 表1各功率的试验条件为： ①冷凝器入口空气干球温度35±0.5 ℃； ② 蒸发器入口空气干球温度27±0.5 ℃ （相对湿度约RH50%）； ③压缩机转速1 800±3 r／min； ④对应冷凝器入口风速4.5±0.1 m／s。

表1 空调匹配计算

2.1.3 匹配后实测验证

CEACAM5是人类组织和肿瘤细胞分化及增殖的重要调节分子，可作为结直肠癌肝转移早期复发的预测标志[13]，并在2型糖尿病血清中显著高表达[14]。本研究显示CEACAM5在结直肠癌样本中高表达，但在不同血糖状态肿瘤样本中的表达无差异，其mRNA表达与结直肠癌血管累及、原发灶浸润深度、TNM分期均呈显著正相关，CEACAM5与结直肠癌病程进展密切相关。

实测数据： 仪表板出风口处温度9.5℃， 后蒸发器出风口处温度9℃， 车内平均环境温度27℃， 系统高／低压力2 MPa／0.18 MPa， 压缩机皮带正常未断。

注： R134a加注量为1.2kg， 压缩机油为170mL；压缩机未停机。

测试条件： 把车开到烘房内 （烘房设置温度35 ℃） 烘烤， 打开各车门窗， 烘烤1 h后， 人进入车内， 再关闭各车门窗， 按发动机在空档3 000 r／min（相当于压缩机3 600 r／min） 下运行空调， 共测试2 h （每10 min记录一次）。

2.1.4 分析结果说明

从以上实际数据可以看出， 空调系统各部件选型恰当， 冷媒和油的加注量恰当， 空调运行正常，满足车厢实际降温要求， 说明匹配设计合格。

2.2 内在原因分析（压缩机和皮带自身结构和品质）

2.2.1 涡旋式压缩机的主要结构和工作原理分析

涡旋压缩机中的主要部件是2个形状相同但角相位置相对错开180°的渐开线涡旋盘， 如图2所示，其一是固定涡旋盘， 而另一个是由偏心轴带动， 其轴线绕着固定涡旋盘轴线做公转的绕行涡旋盘。 工作中2个涡旋盘在多处相切形成密封线， 加上2个涡旋盘端面处的适当密封， 从而形成好几个月牙形气腔。 2个涡旋盘间切点处的密封线随着绕行涡旋盘的公转而沿着涡旋曲线不断转移， 使这些月牙形气腔的形状大小一直在变化。 压缩机的吸气口开在固定涡旋盘外壳的上部， 当偏心轴顺时针旋转时， 气体从吸气口进入吸气腔， 相继被摄入到外围的与吸气腔相通的月牙形气腔里。 随着这些外围月牙形气腔的闭合而不再与吸气腔相通， 其密闭容积便逐渐被转移向固定涡旋盘的中心且不断缩小， 气体被不断压缩而排出。

从图2可以看出， 径向间隙的产生， 主要与涡旋齿面渐开线形状加工精度误差、 曲轴的偏心量、以及定圈与动圈组合位置准确度有关。 加工精度高， 偏心量小、 安装组合达最适当位置才可以控制较小的径向间隙。 所以涡圈渐开线形状加工有难度， 加工后的准确检测有难度， 而到了装配时靠转动动圈的同时去调整定圈、 来获得侧面间隙也有难度……， 这样势必造成涡旋压缩机的品质稳定性不易保证， 当压缩机负荷增加时容易导致皮带断裂。

在这种情况下， 如果系统压力过高， 平衡块的力度就难以自如调整， 动圈的小挠动会使质心内移， 离心力减小； 再加上排气温度过高时， 引起压缩机油氧化变质， 甚至会破坏油膜的润滑， 易使两涡圈侧面直接接触而烧死， 严重时挤断涡圈渐开线型片（图3）， 从而拉断皮带。 所以一般要求涡旋压缩机在规定的空调工况下工作， 防止产生过压。

2.2.2 压缩机皮带品质分析

皮带尺寸如图4所示。皮带长度为1 445 mm （盖茨优霓塔品牌）； 皮带材料使用性能应符合GB 12732—2008； 皮带张紧力： 用手指按下（约98 N） 皮带中间部分时， 皮带的挠曲量是在8～10 mm之间； 皮带与附近零件之间的最小距离为10.5 mm。

从检查皮带材料和尺寸、 以及安装状态来看， 皮带自身不存在问题， 与压缩机皮带的频繁断裂无关。

2.3 客观原因分析（在高温期间的高速下发生）

2.3.1 高温高速下发生皮带断的原因分析

从故障车发生的时间看， 主要集中在8月8～27日， 这是该年夏季此地区最高的气温段， 况且大多在40 ℃以上的高温天气 （地面温度大约为45 ℃左右） 使用空调时， 断皮带的频率更高。 为了在规定的时间内完成运输量， 这些车每天都要跑几百公里的高速公路（压缩机的转速一般在3600r／min以上）。

在这样的高速下运行空调， 系统压力会显著升高， 从而压缩气体温度高， 压缩机齿侧面间隙间的油膜润滑性能就会下降， 负荷加大时增加了涡旋圈间无润滑的直接接触风险， 容易导致压缩机动定涡旋盘侧面间的摩擦发热或卡死， 造成皮带负荷加大后打滑发热， 直至断裂。

2.3.2 试验验证

测试条件： 把车开到烘房内 （烘房设置温度45 ℃） 烘烤， 打开各车门窗， 烘烤1 h后， 人进入车内， 再关闭各车门窗， 按发动机在空档3 000 r／min（相当于压缩机3 600 r／min） 下运行， 共测试2 h，每10 min记录一次压力（见表2）。

表2 排气压力测试

2.3.3 更换成等排量的活塞式压缩机再测试

为了验证压力对系统影响的问题， 我们特意将此涡旋压缩机更换成等排量的活塞式压缩机， 按同等条件安装后， 再按2.3.2节的相同要求进行测试。

发现空调运行40 min后， 排气压力才上升到3.1 MPa， 而后此压力一直保持在3～3.1 MPa之间，且在2 h的整个测试过程中， 压缩机一直不停机， 车内空调制冷不中断。 因此， 说明在相同工况下， 活塞式压缩机的空调系统、 压力输出更稳定一些。

2.3.4 分析结果说明

从以上描述和试验可以看出， 在高温天气 （例如40 ℃以上）， 开空调高速行驶时， 当涡旋压缩机的排气压力升高到3.1MPa （图5）以上时， 此空调系统中的压力开关开始工作， 迫使压缩机电磁线圈断电， 造成压缩机高速下突然停机后皮带的大幅抖动， 等停机3 min左右后压缩机又启动 （皮带又在高速下抖动一次）， 再工作1 min左右又停机……，像这样周而复始地高速下吸合和断开， 皮带寿命肯定会缩短， 压缩机离合器的频繁离合， 极易烧蚀摩擦面， 烧坏离合线圈， 压缩机和皮带盘卡死后， 皮带还在继续工作， 必然导致皮带在压缩机轮上滑动， 从而发热断裂。

说明： ①当高压端压力达到3.1±0.1 MPa以上时， 电磁线圈断电保护， 待压力回落0.6±0.1 MPa时， 电磁线圈通电， 压缩机又开始工作验； ②当低压端压力达到0.025 MPa以下时， 电磁线圈断电保护， 待压力回升到0.2±0.1 MPa时， 电磁线圈通电，压缩机又开始工作。

3 结论

通过以上计算、 分析和试验数据等情况， 由于大排量涡旋压缩机的涡圈数更多（一般大于2.5圈），工作时， 不规则的渐开线型线的接触处就比小排量的涡旋压缩机多， 在高温高速下这种涡旋压缩机齿侧面间的直接接触风险就越大， 极易导致压缩机高压下摩擦异响或卡死， 从而造成空调系统的皮带打滑发热， 直至断裂。

4 使用及应用压缩机时的注意事项

通过上述分析， 我们认为使用及应用压缩机时应注意以下几点。

1） 如果需要大排量的压缩机， 特别是需要大于200 cc／r的汽车压缩机， 而又经常在变工况下工作时， 必须控制空调系统的压力在安全范围， 否则尽量不选择涡旋式的压缩机。

2） 如果确要选择节能的涡旋压缩机， 则应用时其系统的最高压力建议控制在2.5 MPa以内， 并在使用前需通过各种形式的模拟试验， 特别需要验证高温高速下空调系统的压力不超过此值。

3） 如果选择涡旋压缩机， 则匹配计算时， 建议将冷凝器的散热量适当提高， 例如Qn=Qa×（2.4～3）（参考表1）。

4） 为了避免运动时发生干涉， 压缩机皮带安装设计时， 建议皮带与附近零件间的最小径向距离需大于15 mm （张紧状态下）， 轴向距离大于5 mm，皮带端面平面度小于5°。

5） 使用汽车空调时， 应注意按说明书要求，必需定期冲洗冷凝器翅片 （以保持冷凝器的散热效果）， 以及保持定期检查和张紧皮带的习惯等， 对减少压缩机皮带断裂是非常必要的。

当然影响压缩机故障和皮带故障的原因还有很多， 空调使用中的注意事项也不限于这区区几点，必须根据实际情况具体分析。 本文所阐述的内容仅是立足于本空调系统进行的分析， 如有不当之处，敬请指正。

［1］ 吴宝志， 金永康. 汽车空调［M］. 北京： 中国宇航出版社， 1991： 169-177， 210， 247.

［2］ 陈孟湘. 汽车空调—原理、 结构、 安装、维修［M］. 上海：上海交通大学出版社， 1997.

［3］ 王陸玉， 芮天胜. 汽车空调使用维修［M］. 福州： 福建科学技术出版社， 1997.

［4］ 丁磊， 王仁德. 涡旋压缩机型线设计及分析［D］. 沈阳：东北大学硕士论文， 2006.

［5］ 中华人民共和国国家标准， 房间空气调节器试验方法［S］.

［6］ 王宜义. 汽车空调［M］. 西安： 西安交通大学出版社，1995.

［8］ JB3748—1984， 客车道路试验方法［S］.