轻商用往复式压缩机冷冻油粘度测试分析

何四发 邹志锋 孙士杰 卢俊 王建

华意压缩机股份有限公司 江西景德镇 333000

1 引言

随着社会经济的发展人们对冷链设备的需求日益增大，2015年以来轻型商用（以下简称轻商）往复压缩机一向维持着良好的发展势头。然而对轻型商用领域来说，轻商往复式压缩机因其终端系统以低背压和中背高压应用工况居多，轻商压缩机常需同时覆盖中低高背压才能实现大的市场覆盖。这对压缩机的运行可靠性是一个极大的挑战，目前国内外各大压缩机厂家都有在摸索针对轻商压缩机的可靠性标准。众所周知，压缩机可靠性的保证主要是通过其内部的冷冻油对机械部件润滑来实现，而冷冻油的粘度特点对压缩机可靠性运行又有主要影响。油品粘度合适既可以为压缩机运动部件提供足够油膜厚度，又可以降低压缩机的轴功率和保证气密性，实现压缩机的高能效和高可靠性需求。轻商压缩机实际工况复杂多变，冷冻油的粘度和润滑特性在不同系统、不同工况下也各不相同。因而在润滑油选择时，应重点关注压缩机各差异工况实际运行时的油品粘度特点，确保压缩机在各类使用工况下的润滑可靠性。

2 轻商用往复式压缩机的工况特点

轻商用往复式压缩机按其蒸发温度区间主要分为低背压、低中背压、高中背压三大块。但对其运行的SOA区域我们通常可以用图1表示。针对图1的工况特点结合其条件下压缩机可靠性可能失效模式进行分析我们可知：A点：吸排气压力最大，压缩机工作电流较大，泵体吸排气流量最大；B点：压差最大，曲轴容易发生偏磨，对轴承承载区油膜厚度要求严格；C点：压缩机吸排气压力的比值最大，压缩机吸气流量小，油温较高，油粘度下降对油膜厚度影响大；D点：流量最大（流量与A点相同）吸气压力大，冷媒溶解在油中较多，油品粘度下降，油膜粘度难形成；E点：吸排气压差小，系统中的冷冻油回流压缩机慢，压缩机内油面低，压缩机泵油量下降，油膜厚度较难保证。

3 冷冻油粘度在往复式压缩机中的影响

3.1 冷冻油在压缩机中的作用

在制冷系统中，冷冻油对往复式压缩机的作用主要为：a.机械摩擦面形成油膜，避免金属接触；b.降低压缩机的摩擦功和带走摩擦热，起到了冷却的作用；c.在活塞和气缸间隙密封作用；d.可带摩擦副中产生的油污、铁屑，起到了清洗作用。

3.2 压缩机冷冻油粘度对压缩机的影响

（1）粘度与油膜厚度的影响

为我们所熟知的，冷冻油粘度值合理的选用，可确保压缩机摩擦副间足够的油膜厚度和气缸密封性能。如果形成的油膜过厚,则说明油的粘度过高,将产生较大的摩擦阻力和摩擦热（如表1中，46#油较15#油轴功率上升明显）。

图1 SOA区域示意图

如果形成的油膜不够，不足以将摩擦表面隔开，则说明油的粘度过小，机械摩擦副可能发生金属接触，进而失效。压缩机需要的润滑油粘度可以由以下公式可知：

其中：h—油膜厚度；t—时间；χ—沿滑动方面的摩擦表面的位置坐标，m；P—给定坐标位置点的压力，MaP；μ—油的粘度，kg/(s·m)；U—摩擦副的相对滑动速度，m/s。

（2）粘度对压缩机供油能力的影响

在小型封闭式往复式压缩机中，压缩机冷冻油的润滑主要通过飞溅润滑和泵油润滑。而压缩机的泵油能力直接影响到飞溅润滑，目前往复式压缩机通常由离心泵加螺旋泵的方式进行上油，离心泵的上油高度h1主要与旋转半径和吸油孔大小以及转速有关：

其中：ω—角速度（rad/s）；g—重力加速度（9.8m/s2）；D2—为曲轴内径；D1—吸油管进油孔内径。

而螺旋泵的上油高度h2与油品粘度关系较大，可通过以下公式可知：

其中：CΔP—压差系数；μ—油品运动粘度，Pa.s；D—密封宽度，m（曲轴外径）；S—齿顶间隙，m（配合间隙）；L—密封长度及螺旋泵段高度；t—螺旋泵角度函数（正切），t=tgβ；k1—螺旋泵的油槽宽度；k2—螺旋泵油槽深度。

图2 某油品压力-粘度-温度（PVT曲线）

图3 某油品压力-溶解度-温度（PST曲线）

图4 粘度探头工作原理及安装测试位置

结合以上粘度对于油膜厚度和螺旋泵油能力的影响，我们结合某款往复式压缩机结构数据，大致可知轻商用压缩机油品粘度＞2.7CP时摩擦副油膜厚度充足（如表2），且螺旋泵油能力足够且有余量，满足该款压缩机的寿命设计要求。

图5 单体及系统油品粘度测试数据

图6 模拟开关门取物状态油品粘度测试

4 冷冻油粘度特性及实际工况测试分析

4.1 冷冻油粘度特性

压缩机中冷冻油的实际粘度与压缩机所处工况下的温度、以及与冷媒混合后的溶解度有关。冷冻油与冷媒稀释后的粘度即为溶解粘度，实际运行时摩擦副的油膜厚度直接与溶解粘度有关。纯油品的粘度与温度成反比，正常条件下油温越高、粘度越低。当冷冻油被冷媒稀释后其溶解粘度与溶解的冷媒量成反比，即冷冻油中溶解的冷媒量越大，溶解粘度越低；但是冷冻油与冷媒的溶解度与温度也成反比、与压力成正比（如图2、图3油品A与R134a不同程度溶解后，其粘度与温度、压力的关系），即油温上升，冷冻油被冷媒稀释程度也对应下降，压力升高则稀释度上升。压缩机实际运行过程时，冷冻油必须满足在SOA运行区域的各工况下满足压缩机各零部件的润滑及密封可靠性，所以对轻商用压缩机在SOA运行区域单体运行及装载到系统时的实际运行工况时的油品粘度监控十分必要。

4.2 压缩机在SOA区域运行及系统实际运行时工况下油品粘度测试

本文使用美国Cambridge Viscosity（CVI）油品粘度测试仪，对R290及R134a代表机种在其SOA区域各边界条件及系统实用工况下运行时，压缩机壳体内油品粘度进行在线测试（如图4，粘度探头工作原理及安装测试位置），收集相关数据为压缩机油品选择及后续可靠性评价提供支持。

选取的代表机型基本参数如表3所示。

测试工况选择图1中的A最大负荷点，B最大压差点，C最大压比点，D最大流量点；同时补充测试往复式压缩机中单体寿命工况点和系统各环温下的实际运行工况。测试相关数据整理可得出图5曲线。

同时模拟往复式压缩机在系统上时，客户取放货物导致系统开关门状态，其油品粘度数据汇总曲线如图6所示。

从测试数据可知以上4款往复式压缩机在单体及系统常规运行工况中冷冻油粘度满足油膜厚度的需要，不会出现金属接触。但是当系统处于高环温和客户有开关门取物时压缩机冷冻油粘度会出现过低现象，无法完全保证机械摩擦副的流体润滑。

表1 某型号压缩机上不同粘度冷冻油对压缩机性能的对比测试

表2 不同油品粘度对应的油膜厚度和技术接触

表3 代表机型基本参数

5 总结

轻商用往复式压缩机是未来小型封闭式制冷往复式压缩机的发展趋势，压缩机冷冻油的选择，特别是冷冻油的粘度在压缩机各类工况下的特性对压缩机的可靠性设计有直接影响。通过理论计算压缩机所需油膜厚度以及对应的油品粘度，再通过实验实际测试压缩机在各种温度、压力下的油品粘度数据进行汇总、对比分析冷冻油是否合适以及压缩机可能存在失效的模式，为后续轻商用往复式压缩机开发、可靠性的研究以及油品的选择提供了理论和实际数据支持。