冰箱压缩机活塞的几个关键特性

廖小宁 孙士杰 汤宇明 徐建中 金文辉 盛正堂 石中玉（华意压缩机股份有限公司 江西景德镇 333000）

1 引言

全封闭冰箱压缩机主要由泵体、电机、壳体三部分组成。泵体是压缩机工作时机械传动的重要部分。泵体结构内零部件的机械特性直接影响到压缩机性能。活塞是压缩机泵体的重要零部件之一。在整个压缩机运行过程中，承担着压缩高温高压气体制冷剂，将机械能直接转化成内能的重要工作。在高温、高压、高速的工作环境中，活塞必须具备良好的机械性能、合理的结构设计和精密的加工工艺等关键特性。这些特性决定了活塞的性能和寿命，影响了压缩机的整机性能。本文就活塞对压缩机性能影响较大的几个关键特性做如下分析。

2 活塞材料特性

2.1 活塞必须具有较高的强度和刚度

压缩机运转时，活塞两侧存在较大的压力差，如表1。且自身又在高速地做往复直线运动，承受着巨大的挤压力、拉伸力和交变应力。这就要求活塞具有足够的强度，来保证其自身的结构不被破坏。

通常活塞和缸孔配合间隙非常小（常常只有几个μm），这就要求活塞有足够的刚度，当活塞受到巨大的挤压力时，保证活塞体不变形，活塞才能在缸孔内动作。否则，活塞容易在缸孔内卡死。

由图1可知，活塞在工作过程中，排气时所受最大作用力为Fgd,吸气时所受作用力最小为Fgs。（其中Fgd为排气气体力，Fgs为吸气气体力，而排气气体力近似为冷凝压力，吸气气体力近似为蒸发压力）

2.2 活塞必须具有较高的传热性能

活塞无时无刻不处于高温高压的环境中，在高温环境下，制冷剂气体在气缸中的比容随温度的升高而增大。如果活塞导热系数高，能及时将气缸中制冷剂气体的热量传递出去，势必降低气缸内制冷剂气体温度，减小制冷剂气体比容，加大制冷剂质量流。提高压缩机的输气系数，提高制冷量与COP值的大小。

2.3 活塞必须具有较小的热涨系数

为了保证和提高压缩机输气系数，活塞与气缸间配合隙非常小。小型冰箱压缩机工作时，气缸温度在100℃以上。活塞本身是金属件，导热性能较好，在运转过程中产生和吸收大量的热量。如果热涨系数大，活塞体积膨胀，外径增大，可能导致活塞与气缸间隙减小，摩擦力增大，压缩机输入功率变大，COP下降。因此，活塞的热涨系数是压缩机性能重要影响因数。为保证活塞与缸孔的最佳气缸间隙，尽量使活塞和曲轴箱的的热膨胀系数相近。

2.4 活塞质量小

压缩机工作时，活塞在缸孔内做往复直线运动，受往复惯性力作用。往复惯性力的大小影响压缩机整体振动性能。而活塞惯性力的大小与活塞的质量大小成正比。适当控制活塞的质量，可保持压缩机整体振动稳定性。

3 结构设计

3.1 活塞头部倒角

活塞倒角大小占压缩机余隙比例较小，但对防止磕碰，保证机械效率却起到重要的作用。活塞从毛坯到成品再到装配的过程中，工序较多，且要经过多次运输传递，设计不当，极易产生微小毛刺磕碰，增大摩擦阻力，加大输入功率，降低COP值。有的甚至导致活塞卡死，压缩机无法正常工作。传统活塞倒角采用普通倒角结构，倒角后，仍留有两个小倒角。易产生磕碰毛刺，如图2所示。近些年采用的圆弧倒角结构，圆弧形状倒角大大减低了磕碰毛刺的出现，如图3所示。

3.2 活塞端面凸台设计

压缩机输气系数λ是实际输气量与理论输气量之比，也是压缩机的实际制冷量与理论制冷量之比。而输气系数又是容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数之积。

λ=λV·λP·λT·λI

式中：λV为容积系数

λP为压力系数

λT为温度系数

λI为泄漏系数

又有：λV=1V0/Vh[(Pd/Ps)1/m1]

式中：V0为余隙容积

Vh理论容积输气量

Pd为排气压力

Ps为吸气压力

m为多变膨胀指数

当其他条件一定时，压缩机制冷性能随着余隙容积的增大而减小。所以减小余隙容积对提高压缩制冷性能有积极作用。活塞凸台的设计正是减小余隙的一种措施。

例：取某款小型高效压缩机，分两组。每组各3台压缩机，其他零部件一样，仅活塞一组带凸台，另一组不带凸台。各零件为同一批次生产的同型号产品，且装配条件相同。在同一个量热台上测试量热。试验结果如表3。

3.3 油槽及尾槽设计

压缩机机械运动中，摩擦功率主要由两部分组成：往复摩擦功率和旋转摩擦功率。前者是活塞和气缸壁的摩擦损失，后者是轴承，连杆大头孔和曲柄销等的摩擦损失和驱动油泵的功率。往复摩擦功率约占总摩擦功率的比例较大，通过对活塞的优化，减小往复摩擦功率，可增加压缩机指示功率，提高压缩机的机械效率。

因而，设计者通常会对活塞结构进行优化设计。活塞油槽和尾槽就是其中两种优化设计。有些活塞柱体面常会设计一个油槽，一是储存润滑油，对活塞往复运动进行充分润滑。二是储存在油槽中的冷冻油起一个密封圈的作用，封堵高温高压端制冷剂气体，提高压缩机的输气效率。三是减小活塞与缸孔的接触面积，从而减小活塞往复运动时所需克服的摩擦力。如图4所示，活塞中部有一个油槽，且与销孔相连。

有些小型高效冰箱压缩机，鉴于制冷量偏小而效率要求又高。有些设计者常会在活塞尾部设计一个尾槽。既可以消除活塞尾部磕碰产生的毛刺对压缩机装配的影响，又可以减小活塞与缸孔的接触面积，提高压缩机机械效率。如图4所示。某些迷你型高效压缩机，为得到更高的机械效率，常采用大面积减小活塞接触面积方式来实现。如图5、6所示。

图1 压缩机工作过程中活塞受力图

图2 传统活塞直角倒角

4 活塞的制造工艺

压缩机工作时，活塞在缸孔内做高速的往复直线运动，高温、高压、高密封性的工作环境要求活塞必须具备高精度制造工艺。

4.1 活塞外圆加工

小型冰箱压缩机活塞与缸孔的配合间隙仅为几个微米，活塞外圆圆度要求非常高。试验表明当压缩机压力比、缸孔孔径、吸排气密封状况等条件一定时，活塞与缸孔配合间隙增大，压缩机泄漏系数减小，输气系数减小，制冷量降低。活塞外圆圆度增大可导致活塞与缸孔间隙增大，压缩机制冷量减小。

表1 常见压缩机制冷剂压力参数表

表2 某系列小型制冷冰箱压缩机凸台对余隙减小的情况表

图3 圆弧倒角

图4

图5

图6

图7 活塞销孔棱边

图8 活塞销孔内倒角

表3 某款压缩机活塞凸台试验量热结果表

活塞外圆加工通常采用外圆无心磨床磨削加工。砂轮的材质、砂粒的大小、磨削速度、导轮速度等对活塞外圆圆度的保证都有影响。

4.2 活塞销孔

曲轴箱与活塞外圆、活塞销孔与活塞销、连杆与活塞销、连杆与曲轴之间的配合间隙非常小，这就要求活塞销孔相对外圆的垂直度精度较高，以保证活塞运动中心与缸孔中心的同轴度。

活塞销孔内倒角是指活塞销孔与内腔相连部分棱边倒角，如图8。活塞销孔经过的钻孔、铰孔、辊光工艺后，销孔加工后精度达到技术要求，但销孔内棱边仍没有去除，如图7。而孔内棱边常常容易产生毛刺，具有重大隐患。

采用弹簧倒角刀加工可解决这个问题，即刀杆一边旋转，一边进给，伸入销孔中，当倒角刀到达两棱边位置时，刀杆前端碰到前面挡板，刀杆前端受压后，在弹簧力作用下，倒角刀从刀杆内弹出，对两棱边进行倒角。倒出的倒角平整光洁，很好地杜绝了销孔棱边毛刺对活塞的影响。

4.3 活塞表面磷化

普通小型冰箱压缩机电机转速达2940r/min，若以曲轴偏心距为0.009计算，活塞速度为：Vp=4ne=4×2940×0.009/60=1.76m/s式中：n 为电机转速

e 为曲轴偏心距

从上可知，压缩机工作时，活塞速度较快。另外在气体力的作用下，活塞还受侧向力的作用，这无疑加大了活塞与气缸之间的摩擦。而在实际生产过程中，生产厂家通常会对活塞表面进行磷化处理。

活塞进行表面锰铁磷化后，表面形成一层磷化膜。磷化膜有两个好处：一是使活塞具有较好的耐磨性，提高了活塞寿命；二是对冷冻油有吸附作用，为高速运动的活塞提供一个良好的润滑环境。大大减小了活塞运动的摩擦力，提高了压缩机泵体效率和使用寿命。

另外活塞外圆的粗糙度、清洁度对活塞机械效率有较大的影响，对活塞工作性能和寿命都有至关重要作用。许多活塞失效的案例中，就有部分是因为活塞光洁度差，导致活塞卡缸，压缩机无法运行，可见保证活塞外圆粗糙度和清洁度也是很必要的。

5 结论

综上所述，冰箱压缩机小型化、高效化发展趋势迫切要求压缩机生产商对压缩机各零部件进行再一步优化升级。活塞作为压缩机泵体关键零部件之一，其特性对压缩机性能影响不可小觑。活塞材料、整体结构和加工工艺等都是活塞的关键特性。从这些特性着手，进一步改进设计优化，压缩机性能可以得到较大的提高，同时品质也能得到更好的保证。

[1] 刘东.小型全封闭制冷压缩机.科技出版社，1990

[2] 郁永章.容积式压缩机手册.机械工业出版社.2000

[3] 吴业正.小型制冷装置设计指导.机械工业出版社.2010