滚动活塞压缩机径向间隙泄漏特性试验研究

李辛沫，耿爱农，罗耀鹏，何 洋

（1.五邑大学 智能制造学部，广东江门 529020；2.广西大学 机械工程学院，广西南宁 530004）

0 引言

滚动活塞压缩机具有运行平稳、外形尺寸小、质量轻等诸多优点，因而在制冷空调领域得到了广泛的应用。但是，滚动活塞压缩机内部存在较多的由间隙配合副形成的内部泄漏通道，这些间隙配合副是造成压缩机工质泄漏损失的主要原因，特别在活塞与气缸的径向间隙处，其泄漏量大约占到了压缩机总泄漏量的68%［1］，是导致压缩机容积效率不高的最主要泄漏通道［2-4］，也因此，研究活塞径向间隙处的泄漏特性对该类型压缩机来说具有重要的工程意义。

间隙泄漏特性一直是旋转式活塞压缩机的重要研究课题。由于实际压缩机内部工作情况非常复杂，其径向间隙一直处于动态变化当中，同时间隙内气-液两相泄漏流场的温度、流态、组分和压力也都在时刻改变，因此给相关研究带来了困难。为方便起见，许多学者将压缩机径向间隙的结构简化成“收缩喷管+有摩擦等截面喷管”模型，并通过理论计算得到泄漏量［5-7］。晏刚等［8］在利用模型计算的同时，加工了不同尺寸的转子，并使用试验手段验证了仿真的有效性和可行性，给压缩机的参数设计及结构优化提供了可信的依据。Cai等［9-10］对滚动活塞压缩机内部油气混合的工质泄漏特性进行了研究，指出活塞径向间隙值的大小以及该间隙处油膜密封弧长的长短都对工质泄漏产生有较大程度的影响。辛电波等［11］分析了压缩机内部压差对油膜厚度的影响，发现油膜厚度的改变会导致径向间隙值的变化，并进而影响泄漏量。仓荣等［12］对平动回转式压缩机的径向间隙泄漏特性进行了研究，并提出一种油膜弧长的概念，他们利用Matlab进行编程模拟求解，分析了包括油膜弧长大小在内的多种因素对压缩机腔体内部工质泄漏特性的影响规律。屈宗长等［13］分析了新型同步旋转（SR）压缩机转子与气缸间径向间隙的泄漏特性，通过建模计算了不同壁面速度和压力差引起的泄漏量，并分别分析了它们对总泄漏的影响。杨丽梅等［14］在涡旋压缩机上分析得到主轴转速、间隙值对泄漏的影响情况，并提供了计算所得的最佳间隙值。在试验研究方面，田华等［1］对CO2作为冷媒的滚动转子压缩机进行了研究，在传统数学建模的基础上通过试验获得了内部泄漏质量的修正系数，为预测该类压缩机的内部工质泄漏量奠定了基础。Teh等［15］在利用试验方法对叶片式压缩机的泄漏特性进行研究时，发现若压缩机转速超过一定阈值将会对叶片外端部-缸孔壁面处的油膜造成破坏，从而导致严重的气体泄漏，而在低转速区域则更有利于润滑油膜密封的形成。Tan等［16］通过试验对叶片式压缩机进行了研究，测量了叶片外端处的气体泄漏量，再次证实了叶片式压缩机其内部气体泄漏量的确与压缩机的转速密切相关并呈出极强的反比趋势。

综上可以看出，主轴转速、润滑油量及其黏度对旋转式压缩机尤其是滚动活塞压缩机的内部泄漏具有不可忽略的影响。但迄今针对它们的试验研究依然较少，究其原因主要是由于在一个周期内发生的泄漏气体太少而难以收集和测量。鉴于此，本文采用自主设计的压缩机径向间隙等效装置以及微泄漏气体收集装置来进行这方面的试验研究，首先借助高速摄影来记录动态泄漏过程，其次通过Matlab软件计算获得泄漏气体的体积，接着计算得到径向间隙泄漏气体的质量，进而分析主轴转速、润滑油黏度、油膜密封角、径向间隙大小等对径向间隙泄漏量的影响规律。

1 径向间隙及其油膜的相关定义

滚动活塞压缩机结构如图1所示。滑片安装在气缸的滑槽内，在滑片的背部安装有驱使滑片内端部贴靠在滚动活塞外壁面的背压弹簧，滑片将气缸分隔为2个月牙形的封闭空间，分别为压缩腔和吸气腔。

图1 滚动活塞压缩机结构

滚动活塞的外壁面和缸体的内壁面在半径方向形成的最小间隙通道构称为径向间隙。在压缩机的运行过程当中，附着在缸孔及滚动活塞壁面上的润滑油在径向间隙内形成厚度及长度均动态变化的油膜密封，它在一定程度上阻挡了压缩腔内的高压气体向吸气腔的泄漏。为了方便描述径向间隙处密封油膜的量，本文将油膜弧长两端的边界分别与汽缸中心的连线所形成的圆心角αf定义为油膜密封角，如图2所示，O1为气缸中心，O2为滚动活塞中心，黑色部分为堆积在径向间隙处的润滑油形成的油膜。显然，油膜密封角的大小对径向间隙处的润滑及泄漏具有举足轻重的影响。

图2 径向间隙油膜密封角的定义

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

试验装置如图3所示，主要包括径向间隙等效装置、气体收集装置、单片机控制系统、高速摄影机等几个组成部分。其中，径向间隙等效装置用来等效模拟滚动活塞压缩机的径向间隙泄漏通道，气体收集装置用来收集从等效装置泄漏的微量气体，高速摄影用来动态记录采集气体装置里面的气泡变化过程，单片机控制系统用来控制高频电磁阀的开关以便试验有效进行。主要设备的型号和参数见表1。

图3 试验装置结构

表1 径向间隙泄漏测量试验设备

滚动活塞压缩机提供的高压气体经过高频电磁阀进入径向间隙等效装置，将径向间隙等效装置的径向间隙处的密封油膜击穿后从等效径向间隙装置的排气口排出，之后通过电磁阀进入气体收集装置，并在气体收集装置内的薄油层上形成一个有明显气液边界的气泡，这时利用高速摄影机拍摄气体收集装置内的气泡形成过程，最后使用图像处理的方法对拍摄得到的图像进行处理，经计算转化可以得到泄漏的气体体积和质量。

试验装置中的径向间隙等效装置用来模拟滚动活塞压缩机的径向间隙，主要由上下盖板、侧盖板、透明端盖板以及调整片组成，结构如图4（c）所示。对比滚动活塞压缩机的实际径向间隙（见图4（a）），径向间隙等效装置（主视图如图4（b）所示）的上盖板用来模拟压缩机活塞滚子外表面，下盖板模拟气缸内表面，两弧面均经过精加工以保证尺寸精度。在上下盖板之间，利用调整片调节两弧面之间的距离，可模拟不同的径向间隙大小。侧面的透明盖板方便观察以调整等效装置径向间隙内润滑油形成的密封角大小。高压气体将从进气口进入装置，击穿径向间隙内的密封油膜后再通过排气口排出等效装置最后进入泄漏气体收集装置。

图4 滚动活塞压缩机径向间隙

气体收集装置主要由上下两块透明盖板、调整垫片以及弯头接管等部件组成，其中上下透明盖板之间构成一块扁平的中空区域，通过调整垫片调整上下透明盖板之间的间隙高度为1.1mm，向中空区域填充润滑油，使其充满整个区域，形成一片均匀的薄油层。弯头接管的一端连通此中空区域，另一端将通过气管与径向间隙等效装置的排气口相连接。试验过程中，泄漏的气体通过弯头接管进入收集装置时，它将推开中空区域内的薄油层而形成一个气泡，并存于收集装置中，通过对本试验中等效径向间隙处泄漏的微量气体的收集，泄漏气体收集装置的结构如图5所示。

图5 气体收集装置结构

2.2 试验方法

2.2.1 试验因素水平设计

各试验因素的水平设计如表2所示。每一个影响因素均安排有7个水平，通过一系列的试验可以得到不同因素在不同水平下对径向间隙处气体泄漏量的影响程度及规律。

表2 径向泄漏试验参数因素

2.2.2 试验气体压力的测量及评价

由图3可知，在径向间隙泄漏量的测试中，试验气体压力由滚动活塞压缩机直接提供，由于滚动活塞压缩机本身存在泄漏并且连接压缩机排气口和泄漏气体收集装置之间的管道增加容积，这将会导致试验压力小于理论压力，但是这种与理论不一致的相差量事先未知，故而试验中需要对试验气体压力进行测量并进行评价。

试验中使用压力变送器对压力进行测量，在压缩机700 r/min的转速下，数据采样器一个周期能采集6个数据点，处理结果如图6所示。压缩机压缩腔内的理论压力曲线如图7所示［17］。

图6 试验气体压力曲线

图7 压缩机压缩腔内的理论压力变化曲线

对比图6和7可以看出，实际测试的试验气体压力最大值为0.6 MPa，稍小于理论最大值0.8 MPa，但其总体趋势是基本一致的，因而可以用于径向间隙泄漏量的测试。

2.2.3 图像标定与误差分析

先将摄像机镜头对焦至观测装置储油区，目标拍摄区域为一块长35 mm、宽25 mm的长方形储油区域，该储油高度1.1 mm，再将拍摄得到的图像导入工程分析软件Matlab进行处理，得到长方形的测量目标区域的总像素点数量为376 200个，通过换算得到一个像素点代表的气体体积为2.56×10-6mL，由此可以推导出通过图像方法计算气体体积的公式：

式中 V ——气体的体积，mL；

k ——像素个数。

为了对图像的标定进行误差分析，试验中首先使用微量注射器向观测装置注入1 mL的气体，然后将所得气泡作二值图像处理提取得到像素的个数，接着再根据像素个数逆换算成气泡的体积并与1 mL比对而得到误差如表3所示。从表3中可以看到在6组对比数据中，其误差均在2%以内，因而满足试验精度。

表3 气泡体积误差对比数据

2.2.4 试验图像数据处理

现以试验中的拍摄一个图像为例说明本试验的图像处理过程，图8示出在转速为700 r/min，径向间隙为 35 μm，润滑油粘度为 8.3 mPa·s，密封角为25°的条件下拍摄得到的一个图像。在黑色背景和聚光灯光照的情况下，气泡边界的颜色比周围环境稍白，形成一个明显的边界区分。图像导入Matlab后将图片转为灰度图像，接着分析其灰度直方图，可以发现气泡边界与其他区域之间确实存在一个明显的分辨界限，为了便于进行图像处理，通过全局阈值分割的手段对图像进行分割处理而转为二值图。

图8 图像处理过程

处理步骤为：首先读入原始图像a，其次将原始图像a转换为灰度图像b，然后再用矩形将处理区域与非处理区域进行分离并转换成二值图像c，接着去除杂点得到d，再接着图像取反得到e，进一步分离气泡得到图像f，最后再利用图像处理计算出其像素个数，并根据式（1）以求出其体积。

为了保证试验的可靠性，将每个固定条件下的试验重复进行3次，并计算3次试验中每个时刻泄漏量的平均值作为该固定条件下的数据代表。为了减少计算时间，在处理每一组图片时，每间隔50张挑选一张按下式进行计算得到泄漏气体的质量。

式中 m ——气体质量，kg；

ρ ——气体密度，kg/mL；

Vi—— 第 i张图片计算得到的体积，mL，由式（1）计算得到。

3 试验结果及分析

3.1 油膜密封角的影响

设定压缩机主轴转速n=700 r/min，润滑油粘度μ =8.3 mPa·s，径向间隙值 h=35 μm，以油膜密封角为变化量，得到各个密封角度对应的平均泄漏量随时间变化的趋势如图9所示。从图中可以看到，气体压力较小时，无法击穿径向间隙处的密封油膜，因而该处不存在泄漏。但是，随着压缩腔内的压力逐步增大，油膜被击穿，而在密封失效的瞬间，泄漏量急剧增加，然后趋于稳定。不难发现，相同条件下油膜密封角越大，从周期开始到油膜密封角被击穿所经历的时间就越长，并且对应于油膜密封角越大，趋于平稳后的总泄漏量就越小。

图9 不同油膜密封角αf下平均泄漏量与时间的关系

经处理得到不同油膜密封角下的平均总径向泄漏量如图10所示，由图10可知径向间隙泄漏量与油膜密封角呈现出较为明显的近乎线性的反比关系，其中当油膜密封角αf=19°时，平均泄漏量最大达到0.565×10-6kg，而当油膜密封角αf=31°时泄漏量仅为 0.052×10-6kg，可见油膜密封角对泄漏量有明显的影响，密封角越大，其抑制泄漏的效果越好。

图10 平均总泄漏量与油膜密封角的关系

3.2 润滑油黏度 μ的影响

设定压缩机主轴转速n=700 r/min，油膜密封角αf=25°，间隙值h=35 μm，测得径向间隙泄漏量随润滑油黏度 μ的变化如图11所示。相比于图9，图11中各条润滑油黏度对泄漏量的影响曲线之间更加难以区分，两者开始泄漏的时间、位置几乎一致，均大约在0.04 s和活塞转角接近θ=168°的位置。经处理得到各个润滑油黏度下的平均总泄漏量如图12所示，可知各个黏度下的平均总泄漏量相差不大，其极差值为0.053 04×10-6kg。在压缩机常用的润滑油黏度范围内，不同润滑油黏度所对应的平均总泄漏量相差不大，但依然可以看到随着黏度的增大，总泄漏量呈略微减少的趋势。

图11 不同润滑油黏度 μ下平均泄漏质量与时间的关系

图12 平均总泄漏量与润滑油黏度的关系曲线

3.3 主轴转速n的影响

设定润滑油黏度 μ=8.3 mPa·s，油膜密封角αf=25°，径向间隙值 h=35 μm，测得径向间隙泄漏量随主轴转速n的变化如图13所示。显然，随着转速的增高，运转周期内开始泄漏的时刻就越早，且整个泄漏周期也变得更短，使得总泄漏量减少。不同转速下平均总泄漏量如图14所示，当转速n=1 000 r/min 时，泄漏量最小，仅为 0.165×10-6kg。平均总泄漏量的总体趋势呈近乎线性的负相关，换句话说，压缩机的转速越高，径向间隙处的泄漏量越少。

图13 不同转速n下平均泄漏质量与时间的关系

图14 平均总泄漏量与转速n的关系曲线

3.4 径向间隙值h的影响

设定润滑油黏度 μ=8.3 mPa·s，油膜密封角αf=25°，转速n=700 r/min。得到径向间隙泄漏量随径向间隙值h的变化如图15所示。从图中可以看出，间隙值越大，泄漏开始得越早，并且泄漏量趋于平稳时的值越大。各个径向间隙值下的平均总泄漏量如图16所示，可知随着径向间隙的增加，泄漏量明显地呈接近线性地增大，特别是当径向间隙值从30 μm上升到35 μm时，其泄漏量提高了一倍，这也就意味着径向间隙值对泄漏量有非常显著的影响。

图15 不同间隙下气体泄漏质量与时间的关系

图16 平均总泄漏量与间隙关系曲线

4 结论

（1）对于压缩机的一个工作周期，在刚刚开始的一段时期内，不存在泄漏或者泄漏量微乎其微，直至压缩腔内的压力增大至足以击穿径向间隙处的密封油膜才发生泄漏现象，而在泄漏阶段开始时泄漏量急剧增加，最后伴随着压缩腔的压力接近稳定，径向间隙处的泄漏量亦趋于平稳。

（2）在滚动活塞压缩机中，油膜密封角、转速以及径向间隙值均对压缩机径向间隙处的气体泄漏产生有较大的影响，而润滑油粘度的影响则比较小。

（3）在试验研究的四个因素中，油膜密封角、转速对径向间隙气体泄漏的影响呈明显的负相关特性，而间隙值大小对径向间隙气体泄漏的影响则是呈正相关的关系，并且径向间隙值对泄漏量的影响最为显著，在压缩机结构优化设计时宜优先考虑径向间隙值的大小。