制冷螺杆压缩机转子材料及加工技术研究与应用

唐华敏 黄泽坚

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

螺杆制冷压缩机是螺杆机组的核心零部件，由阴阳转子相互啮合完成工作过程。压缩机具有零部件少，结构简单，能够承受重载荷，运行稳定，抗液击能力强的特点。压缩机的技术难度大，加工制造要求高，我司经过多年的研究及技术沉淀，在国产冷水机组品牌中率先实现这一核心产品的自主化，并拥有数百项专利。目前已广泛应用于各类世博园区、体育场馆、制药行业、大型地铁等项目。

在保证螺杆压缩机可靠性的前提下，结合行业调研，项目从转子毛坯原材料、加工余量和加工工艺等方面进行技术研究和试验验证，以达到降低螺杆转子生产成本、缩短生产周期的目的。

1 理论分析

1.1 项目实施框架图

该项目从标准文件制定、关键技术攻关、工艺优化三个方面入手，通过积累实验验证数据，进行转子材料及加工技术研究。

1.2 确认转子验证的螺杆压缩机系列

选取LG550-860区间4个主打机型（LG550NB、LG675NBA、LG700NB、LG860NB），每个机型小批 5台进行验证。

1.3 验证前检验项目

首先从转子材料、加工可行性方面进行分析。

1.3.1 材料重量检验：

对铸件转子来料重量偏差进行检验：

铸件转子理论公称重量10～40 kg，重量公差± 8 %，LG860NB转子实测重量40.08 kg，单项判定结论合格。

1.3.2 材料成分检验：

对铸件转子材料成分进行检验，主要检测RoHS指令限制有毒有害物质成分，如铅、镉、汞、六价铬、聚溴联苯、聚溴二苯醚等物质，根据实测值，测量结果均在最大允许浓度范围内，单项判定合格，如图2所示。

图1 项目实施框架图

图2 铸件转子材料成分检验

1.3.3 金相组织检验：

对铸件转子材料金相组织成分进行检验，要求珠光体 ≥ 50 %，磷共晶 + 渗碳体 ≤ 5 %，其余为铁素体。在转子截面的芯部（占转子截面面积20 %以内范围），球化率为6级；其余80 %范围，球化率为4级以上。符合设计要求。

1.3.4 加工可行性验证：

铸件转子参照锻件转子的图纸进行加工。

铸件转子加工后，上精密三坐标，测量加工尺寸变化。按照设计图纸，同心度要求最高0.008 mm，实测0.002 7 mm；圆柱度要求0.005 mm，实测0.000 8 mm；垂直度要求0.012 mm，实测0.000 7 mm。

符合图纸要求，如图3所示。

图3 铸件转子加工尺寸检验报告

三坐标测量实际加工尺寸与图纸偏差，均在图纸公差范围内，加工可靠。

通过上述验证方案，从转子材料检验、加工可行性方面验证了铸件转子材料的可靠性。

2 实验验证

从LG550-LG860，选取了4个主打机型，从性能实验、噪音、振动、运行范围、测试后拆检情况五个维度，验证铸件转子在商用空调应用的可行性。

2.1 性能实验

主要测试工况：5/36,过热5 ℃。LG675NBA，COP（能效比）较锻件转子增长0.6 %；LG550NB，COP（能效比）较锻件转子下降2 %；LG700NB，COP（能效比）较锻件转子增长1.5 %；LG860NBA，COP（能效比）较锻件转子相当。

从以上数据分析，铸件转子性能与参考机型差异较小，部分机型数据优于锻件转子。如图4所示。

图4 铸件转子与锻件转子性能实验差异对比

2.2 噪音情况

分别从前、后、左、右四个支脚方向进行噪音测量。

LG675NBA：锻件转子噪音在84.8～85.4 dB,铸件转子噪音在86.5～90.2 dB，噪音稍微偏大。由于实验室该机型以往锻件转子仅一份有噪音数据，因此可能是个体差异，仅提供参考。

LG550NB：锻件转子噪音在84.7～89.3 dB，铸件转子噪音在81.4～84.7 dB，噪音有所降低，且满足企标要求。

LG700NB: 锻件转子噪音在79～83 dB，铸件转子噪音在78.6～86.4 dB，噪音变化不大，且满足企标要求。

LG860NBA：早期LG860Nb评审名义工况噪音测试工况为5/38 ℃，铸件转子噪音数据采集工况为5/36 ℃，因此噪音数据无法对比。铸件转子噪音在83.2～87.8 dB，满足企标要求。如图5所示。

图5 铸件转子与锻件转子噪音实验对比

从以上数据分析：铸件转子前、后、左、右四个方向噪音基本能控制在企标范围内。

2.3 振动测试

分别从前、后、左、右、吸气法兰、排气法兰共六个位置，进行振动测量。

LG675NBA：铸件转子支脚位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排气法兰位置在0.005～0.014 mm；

LG550NB：铸件转子支脚位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排气法兰位置在0.015-0.019 mm；

LG700NB: 铸件转子支脚位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排气法兰位置均在0.011 mm；

LG860NBA：铸件转子支脚位置振幅在0.003～0.004 mm，吸、排气法兰位置在0.01 0～0.012 mm。

从以上数据分析，铸件转子支脚位置振幅均在0.003～0.004 mm，吸、排气法兰处在0.005～0.019 mm，符合企标范围。

2.4 运行范围情况

LG675NBA：压缩机按照锻件转子675NBA压缩机的运行范围运行，可达到极限范围点：A点（蒸发温度12 ℃，冷凝温度60 ℃）、B点（蒸发温度3 ℃，冷凝温度60 ℃）、C点（蒸发温度-15 ℃，冷凝温度45 ℃）；

LG550NB：压缩机按照企标要求运行范围运行，可达到极限范围点：A点（蒸发温度12.5 ℃，冷凝温度60 ℃）、B点（蒸发温度0 ℃，冷凝温度60 ℃）、C点（蒸发温度-15 ℃，冷凝温度46 ℃）；

图6 铸件转子与锻件转子振动实验对比

LG700NB:压缩机按照企标要求运行范围运行，可达到极限范围点：A点（蒸发温度12.5 ℃，冷凝温度60 ℃）、B点（蒸发温度-5 ℃，冷凝温度60 ℃）、C点（蒸发温度-15 ℃，冷凝温度51 ℃）；

LG860NBA：压缩机按照企标要求运行范围运行，可达到极限范围点：A点（蒸发温度12.5 ℃，冷凝温度60 ℃）、B点（蒸发温度-4 ℃，冷凝温度60 ℃）、C点（蒸发温度-15 ℃，冷凝温度49 ℃）。

具体数据如图7所示。通过以上实验数据分析，铸件转子按照企标范围运行，可达到极限范围点。

图7 铸件转子与锻件转子运行范围实验对比

2.5 测试后拆检情况

四个机型经过上述性能、噪音振动、可靠性测试后，进行逐一拆检，均无异常。

3 实验结果分析

3.1 技术难点

1）铸件转子加工成品，长期放置后是否产生尺寸变化？变化是否在合格范围内？需要进一步数据验证。

2）型线磨、外圆磨削工序：机床加工稳定性、零件加工精度需要批量验证，加工磨削过程存在过滤问题，是否会导致质量不稳定？

3）后续批量生产铸件转子的入厂检验方案，是否每件转子铸件材料都需进行检验？

4）转子开粗型线时，粉尘过多，而型线铣床为敞开结构，粉尘会散到车间内空气中，是否有环保解决方案？

3.2 解决方法

1）铸件转子型线定型后，每个系列多备2台转子，静置、定期检测确认，记录数据变化；

2）通过行业及相关文献调研，硅藻土可以吸附磨削出来的铁粉，需在磨床设备增加硅藻土作为工艺辅料，净化粉末；

3）要求每根转子材料入厂执行全检要求，输出检验报告；增加到《离心、螺杆压缩机配件铸件检验规范》中，关于QT600-3转子铸件材料的机械性能标准；

4）改造型线铣床，增加除尘装置。

3.3 项目投入成本

新增铣床改造、硅藻土吸附材料、以及铸件砂轮投入，预计4.3 万元，整体投入成本较低（如图8）。

图8 增加投入项目清单及成本

3.4 项目成效

3.4.1 缩短制造周期，提升制造效率

1）通过优化转子毛坯尺寸，减少加工量，缩短了加工工时，同时降低了设备损耗；如图9所示，轴向尺寸1 034 mm，通过毛坯调整后，缩短为1 002 mm，整体缩短了32 mm，优化了材料余量，缩短了加工工时；

图9 铸件转子与锻件转子余量、工序对比

2）更改为铸造后，取消发外热处理工序，整体缩短制造周期40 %以上；

3）经过该项目开展，螺杆转子日产能提升33 %以上。

3.4.2 降低制造成本

转子材料由锻件改为铸件，不仅降低采购成本，还节省热处理成本；按照年度 3 600 台螺杆压缩机计算，预计年度降低成本约413.3 万元。随着产能的逐步提升，这个降成本金额可进一步增长。如图10，以LG860NB阴转子为例，更改为铸件转子后，较钢件转子，单件可节省1 793元。

图10 铸件转子与锻件转子成本差异

4 结论

螺杆转子是螺杆压缩机的核心部件，转子的制造精度直接决定了压缩机甚至整机的能效。通过该项目的开展，一方面，保证了转子制造的可靠性，另一方面，也大幅降低了转子的制造成本。转子整体制造周期缩短了40 %，日产能提升了33 %以上，每年可为企业节省数百万的制造成本。同时，通过该项目的开展，也沉淀了《铸件砂轮寿命管理规范》 、《铸件转子加工工艺规范》等技术文档，为后续技术改进奠定基础。

铸件转子在水冷压缩机验证取得成功，加工、检测及压缩机测试数据非常稳定，可靠性高，加工效率得到大幅提升，成本优势明显； 已全面推行至风冷、变频等全系列螺杆压缩机，将会持续带来可观收益。该项目有效提升了产品竞争力，加速了国产冷水机组品牌核心部件的自主化进程，为进一步拓展各类大型商用市场奠定了基础。