卧式涡旋压缩机轴转子限位设计总结

摘 要：随着国家近几年运输业的高速发展，铁路用动车组CRH系列和公路电动大巴的车厢对空调系统有高度限制的要求， 使得压缩机的外形尺寸的设计受到限制，市场上普遍的立式压缩机无法满足要求，故卧式压缩机成为运输用空调制冷系统的主流。其轴转子组件若沿用立式设计，未受约束的轴向自由度允许轴转子组件沿轴向窜动，而运输振动、冲击等外界干扰可能导致这种窜动频繁发生，增加了可靠性相关的风险。本文比较总结了市场现有卧式压缩机轴转子限位设计，并較为详细地介绍了Emerson公司的新一代卧式压缩机轴转子限位的设计及验证结果。

关键词：运输应用 卧式压缩机 结构设计 轴转子限位

随着国家近几年运输业的高速发展，由电力驱动的压缩机在空调领域的应用越来越广泛，典型的应用场合如轨道交通和新能源客车。这些新兴应用在给压缩机市场带来新的增长空间的同时，也对压缩机结构设计提出了的额外要求。

一、运输应用对压缩机的高度限制要求

对于常见的运输应用的空调系统，其机组一般安装在车顶，希望压缩机轻巧紧凑，对高度方向的尺寸有明确的限制，因而卧式压缩机现已成为主流。

轨道交通和新能源客车都属于高出勤率的交通工具，功能性故障直接影响运营，因而对相关功能子系统提出了较高的可靠性要求。空调机组系统作为关键子系统之一，其维护检修具有专业知识要求高、具体操作费时费力的特点[1]，对可靠性的要求是不容妥协的。而运输应用本身不可避免的振动、冲击和姿态变化又影响着机组系统的可靠性，从而对核心部件压缩机的可靠性要求也高于一般应用。

轨道交通和新能源客车都以电力为能源驱动，和传统能源交通工具的区别之一是没有内燃机这个热源，在冬季无法利用余热实现客舱供暖，而直接电加热则能效比较低，与环保及可持续发展的初衷相悖。故除去极端环境，一般要求压缩机具备运行制冷和制热工况的能力，以满足冷暖两用的实际需求。

二、市场上典型卧式压缩机的轴转子限位设计

目前运输应用压缩机以Emerson， Hitachi， Panasonic（原Sanyo）和Bitzer等公司的产品为主流，针对轨道交通和新源客车的典型型号如表1所示。

从表1中信息可见：所列型号都是卧式压缩机，多数具有变频能力。Emerson的两款卧式压缩机都是低压侧壳体，从外形尺寸看属于Summit（壳体直径为90英寸）平台，每转排量大于竞争对手，适应大型交通工具的制冷/供暖需求；而其它三家公司的压缩机在高度和重量控制上有优势。值得注意的是，Hitachi新推出的CA90TLV，90立方厘米每转排量使单 机应用有机会参与大型客车（长度10-12m）机组系统的竞争；Bitzer的ECH209Y虽然排量和最大转速都较小，但轻量化的半封铝壳体设计有别于同类产品，顺应了运输应用控制重量的需求[2]。

Emerson公司的ZRHV94KTE是基于立式Summit（壳体直径为90英寸）平台开发的，总体结构为低压侧壳体、高压侧油池，通过压差供油。轴转子沿用现有组件，主要修改了轴末端和内油杯配合的部分特征，实现节流供油。轴转子组件没有专用的限位设计，向底盖方向的窜动通过（1）轴尾部台阶和（2）底轴承止推面的接触来限制；向涡旋方向的窜动通过（3）偏心头凸台和（4）涡旋驱动轴承盲孔底面的接触来限制。考虑到Summit平台轴径较大，使偏心头凸台和驱动轴承盲孔底面的接触应力维持在较低水平，从拆解的现场返回压缩机中从未发现过此处有异常磨损。

Emerson公司的另一款产品，ZRH72KJE是基于壳套壳的总体布局，将Quest（壳体直径70英寸）平台的涡旋和轴承系统组件安装在Summit（壳体直径为90英寸）平台的壳体中，内外壳体之间形成低压侧油池，通过马达轴驱动容积式油泵实现供油。轴转子组件带有限位设计，轴末端有卡簧槽，限位设计相关组成零件为（1）卡簧，（2）耐磨片，（3）限位盖，（4）底轴承以及相关螺钉。工作原理是，当轴转子组件向底盖方向窜动时，轴通过卡簧将耐磨片压在底轴承的止推面上实现限位；当轴转子组件向涡旋方向窜动时，轴通过卡簧将耐磨片压在限位盖内侧的止推面上实现限位。这种限位设计的主要优点是，结构简单、尺寸链短、限位关系明确；主要不足是，轴转子和底轴承成为一个整体，增加了转子轴装配到压缩机里的操作

难度。

Sanyo的这款卧式全封闭涡旋压缩机的总体结构为高压侧壳体、高压侧油池，依靠压差供油。如图6所示，轴转子组件没有专用的限位设计，轴转子组件沿底盖方向和涡旋方向的窜动限制和Emerson的ZRHV94KTE的相似。考虑到日系压缩机轴系粗壮的设计传统（排量、转速均小于ZRHV94KTE，但轴径与之相当），这样的结构形式也是具有可行性的。

从提高压缩机可靠性角度，轴转子限位设计是必要的，这是因为：

1）自身结构：卧式布局使轴转子组件摆脱了重力影响而存在轴向自由度，尽管在稳定运行时电磁力对中的趋势能提供额外约束，但这个约束的量级很有限。就Emerson的两款马达而言，转子和定子的中心线错位2.5mm时，电磁力约为30N，小于轴转子组件自身的重力。通过对卧式轴转子组件的测试，还发现在每次接通压缩机电源，建立电磁力的瞬间，轴转子组件出现向涡旋方向的窜动，即便调整尺寸累积使轴转子组件稳态运行时总是贴着底盖方向，也不能避免启动瞬间向涡旋方向的窜动，带来的撞击和摩擦增加了动涡旋运动和驱动轴承润滑的不确定因素。

2）应用场合：相对于固定应用，伴随运输应用的振动、冲击等外界干扰的程度要大得多[2][3]。此外，公路运输车辆姿态变化对压缩机运行也是很大的影响，尤其是车辆在坡道堵车之类的极端情形[4]。这些应用使我们担心的不确定因素有更高的发生频次和更长的持续时间。

结合历史经验，即便是固定应用场合的压缩机，如果没有轴转子限位设计，或者没有机械式硬接触限位，仍然是存在可靠性风险的。Emerson 的新一代卧式压缩机作为面向运输应用开发的全新压缩机，提供比竞争对手更高的可靠性是核心竞争力之一，所以轴转子限位设计属于关键特征，得到了足够的

重视。

三、Emerson新一代卧式压缩机轴转子限位设计

Emerson的新一代卧式压缩机是基于原来立式的Quest（外壳直径为70英寸）平台开发的，总体结构为低压侧壳体、低压侧油池，通过马达轴驱动串联的两个容积式油泵实现供油。这种供油方式既能减小高度方向尺寸，又能减小因压缩机姿态变化对油池油位的影响，提高了可靠性。作为提高可靠性设计的重要组成部分，轴转子组件的限位在设计之初就是关键特征之一。限位设计的主要目的是避免在不希望的位置出现磨损，消除不确定因素。通过应用转子偏置的设计，公差累积保证在稳定运行时轴转子组件偏向某一侧（如低盖方向），但在非稳定运行或者受外界干扰时还要依靠机械式硬接触限位。考虑到轴末端轴肩和油泵耐磨片的配合关系，已经实现了轴转子组件向底盖方向的限位，需要解决的是向涡旋方向的限位。结合具体结构，适合布置限位结构的大致有三处：

方案1：在涡旋驱动轴承盲孔底面加耐磨片

方案2：在主轴承座正面加限位盖

方案3：在轴末端加卡簧槽，连同卡簧、耐磨片等形成限位

这三个方案都能实现限位，但一个切实可行的结构设计不仅是实现功能，还要权衡自身可靠性、制造性、装配性、开发周期和成本等方面。下表详细比较了各方案的优劣，主要内容如下表所示。

从三个方案的比较结果来看，方案3在个各方面相对于方案1和2都有比较大的优势，故确定使用方案3作为新一代卧式压缩机的轴转子限位的设计。

四、压缩机轴转子限位设计的验证

前期实验测试表明，轴转子组件的轴向窜动多发生在非稳定运行或者外界干扰時，所以可靠性测试中用启停和除霜、回液、带液启动等工况来考核轴转子限位设计的有效性，启停工况针对电磁力建立的过程，其它工况针对系统存在回液这种外界干扰。可靠性的实验结果可以看出，所有压缩机都没有发生马达轴偏心头和驱动轴承盲孔底面的异常磨损，限位器耐磨片自身几乎无磨损，这说明该设计在实现向涡旋方向的限位达到了预期目的。

压缩机相对于车辆的安装方向，是压缩机的轴向和车辆行驶方向垂直。当车辆上下坡时压缩机经历的是横滚，这种姿态变化对轴转子组件的窜动没有直接影响；当车辆转弯或处于比较特殊的状态（如新能源客车单侧车轮骑跨人行道停车），压缩机处于俯仰姿态，轴转子的重力沿轴向的分力成为该组件窜动的推手。为了验证轴转子限位设计在压缩机姿态变化时的有效性，我们着重考核了压缩机涡旋侧向下倾斜的姿态，运行工况为启停工况，测试结果无异常磨损.倾斜角度a 和b的要求分别由各车辆厂家提出。

五、简要结论

基于前文所述，要点归纳如下：

1）针对运输应用的压缩机，高于行业平均的可靠性是产品的核心竞争力之一。

2）限位设计消除了轴转子组件轴向位置的不确定性，提高了卧式压缩机的可靠性。

3）限位设计的具体形式：向底盖方向，可以利用轴肩和油泵耐磨片的配合实现，而无须引入新零件；向涡旋方向，目前成熟的设计是通过关联轴上特征和底轴承实现，其它实现方式尚需可行性/可靠性预研。

4）限位设计的有效性考核，通常基于非稳定运行的工况并结合压缩机姿态的变化。

参考文献

[1] 铁路客车空调机组检修中全封闭制冷压缩机的检验，王书傲、靳谊勇，2000.10

[2] IEC61373 机车车辆设备冲击振动试验

[3] GB/T21361-2008 汽车用空调器

[4] GB/T 12539-1990 汽车爬陡坡试验方法

作者简介： 费玉 性别 女，民族 汉，籍贯 江苏江阴，出生年月1986-1-14

研究方向，卧式涡旋压缩机