壓縮機常見故障分析(2)——液擊

屁屁猴淘淘 2010-10-22

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壓縮機常見故障分析(2)——液擊

1.引言
    液態(tài)制冷劑和／或潤滑油隨氣體吸入壓縮機氣缸時損壞吸氣閥片的現(xiàn)象，以及進入氣缸后沒有在排氣過程迅速排出，在活塞接近上止點時被壓縮而產(chǎn)生的瞬間高液壓的現(xiàn)象通常被稱為液擊。液擊可以在很短時間內(nèi)造成壓縮受力件（如閥片、活塞、連桿、曲軸、活塞銷等）的損壞，是往復(fù)式壓縮機的致命殺手。減少或避免液體進入氣缸就可以防止液擊的發(fā)生，因此液擊是完全可以避免的。

    通常，液擊現(xiàn)象可分為兩個部分或過程。首先，當較多液態(tài)制冷劑、潤滑油或者兩者的混合物隨吸氣以較高速度進入壓縮機氣缸時，由于液體的沖擊和不可壓縮，會引起吸氣閥片過度彎曲或斷裂；其次，氣缸中未及時蒸發(fā)和排出的液體受到活塞壓縮時，瞬間內(nèi)出現(xiàn)的巨大壓力并造成受力件的變形和損壞。這些受力件包括吸排氣閥片、閥板、閥板墊、活塞（頂部）、活塞銷、連桿、曲軸、軸瓦等。

2.過程與現(xiàn)象
    (1)吸氣閥片斷裂

    壓縮機是壓縮氣體的機器。通常，活塞每分鐘壓縮氣體1450次（半封壓縮機）或2900次（全封壓縮機），即完成一次吸氣或排氣過程的時間為0.02秒甚至更短。閥板上的吸排氣孔徑的大小以及吸排氣閥片的彈性與強度均是按照氣體流動而設(shè)計的。從閥片受力角度講，氣體流動時產(chǎn)生的沖擊力是比較均勻的。

    液體的密度是氣體的數(shù)十甚至數(shù)百倍，因而液體流動時的動量比氣體大得多的，產(chǎn)生的沖擊力也大得多。吸氣中夾雜較多液滴進入氣缸時的流動屬于兩相流。兩相流在吸氣閥片上產(chǎn)生的沖擊不僅強度大而且頻率高，就好像臺風夾雜著鵝卵石敲打在玻璃窗上，其破壞性是不言而喻的。吸氣閥片斷裂是液擊的典型特征和過程之一。

    (2)連桿斷裂

    壓縮行程的時間約0.02秒，而排氣過程會更短暫。氣缸中的液滴或液體必須在如此短的時間內(nèi)從排氣孔排出，速度和動量是很大的。排氣閥片的情況與吸氣閥片相同，不同之處在于排氣閥片有限位板和彈簧片支撐，不容易折斷。沖擊嚴重時，限位板也會變形翹起。

    如果液體沒有及時蒸發(fā)和排出氣缸，活塞接近上止點時會壓縮液體，由于時間很短，這一壓縮液體的過程好像是撞擊，缸蓋中也會傳出金屬敲擊聲。壓縮液體是液擊現(xiàn)象的另一部分或過程。

    液擊瞬間產(chǎn)生的高壓具有很大的破環(huán)性，初人們熟悉的連桿彎曲甚至斷裂外，其他壓縮受力件（閥板、閥板墊、曲軸、活塞、活塞銷等）也會有變形或損壞，但往往被忽視，或者與排汽壓力過高混為一談。檢修壓縮機時，人們會很容易發(fā)現(xiàn)彎曲或斷裂的連桿，并給予替換，而忘記檢查其他零件是否有變形或損壞，從而為以后的故障埋下禍根。

    液擊造成的連桿斷裂不同于抱軸和活塞咬缸，是可以分辨出來的。首先，液擊造成連桿彎曲或斷裂是在短時間內(nèi)發(fā)生的，連桿兩端的活塞和曲軸運動自如，一般不會有嚴重磨損引起的抱軸或咬缸。盡管吸氣閥片折斷后，閥片碎屑偶爾也會引起活塞和氣缸面嚴重劃傷，但表面劃傷與潤滑失效引起磨損很不同。其次，液擊引起的連桿斷裂是由壓力造成的，連桿和斷茬有擠壓特征。盡管活塞咬缸后的連桿斷裂也有擠壓可能，但前提是活塞必須卡死在氣缸。抱軸后的連桿折斷就更不同了，連桿大頭和曲軸有嚴重磨損，造成折斷的力屬于剪切力，斷茬也不一樣。最后，抱軸和咬缸前，電機會超負荷運轉(zhuǎn)，電機發(fā)熱嚴重，熱保護器會動作。

3.原因分析
    顯然，能引起壓縮機液擊的液體不外乎如下幾種來源：1）回液，即從蒸發(fā)器中流回壓縮機的液態(tài)制冷劑或潤滑油；2）帶液啟動時的泡沫；3）壓縮機內(nèi)的潤滑油太多。本文將對這幾種原因逐一分析。

    (1)回液

    通常，回液是指壓縮機運行時蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑通過吸氣管路回到壓縮機的現(xiàn)象或過程。

    對于使用膨脹閥的制冷系統(tǒng)，回液與膨脹閥選型和使用不當密切相關(guān)。膨脹閥選型過大、過熱度設(shè)定太小、感溫包安裝方法不正確或絕熱包扎破損、膨脹閥失靈都可能造成回液。對于使用毛細管的小制冷系統(tǒng)而言，加液量過大會引起回液。

    利用熱氣融霜的系統(tǒng)容易發(fā)生回液。無論采用四通閥進行熱泵運行，還是采用熱氣旁通閥時的制冷運行，熱氣融霜后會在蒸發(fā)器內(nèi)形成大量液體，這些液體在隨后的制冷運行開始時既有可能回到壓縮機。

    此外，蒸發(fā)器結(jié)霜嚴重或風扇故障時傳熱變差，未蒸發(fā)的液體會引起回液。冷庫溫度頻繁波動也會引起膨脹閥反應(yīng)失靈而引起回液。

    回液引起的液擊事故大多發(fā)生在空氣冷卻型（簡稱風冷或空冷）半封閉壓縮機和單機雙級壓縮機中，因為這些壓縮機的氣缸與回氣管是直接相通的，一旦回液，就很容易引發(fā)液擊事故。即使沒有引起液擊，回液進入汽缸將稀釋或沖刷掉活塞及汽缸壁上的潤滑油，加劇活塞磨損。

    對于回氣（制冷劑蒸汽）冷卻型半封閉和全封閉壓縮機，回液很少引起液擊。但會稀釋曲軸箱內(nèi)的潤滑油。含有大量液態(tài)制冷劑的潤滑油粘度低，在摩擦面不能形成足夠的油膜，導(dǎo)致運動件的快速磨損。另外，潤滑油中的制冷劑在輸送過程中遇熱會沸騰，影響潤滑油的正常輸送。而距離油泵越遠，問題就越明顯越嚴重。如果電機端的軸承發(fā)生嚴重的磨損，曲軸可能向一側(cè)沉降，容易導(dǎo)致定子掃堂及電機燒毀。

    顯然，回液不僅會引起液擊，還會稀釋潤滑油造成磨損。磨損時電機的負荷和電流會大大增加，久而久之將引起電機故障。

    對于回液較難避免的制冷系統(tǒng)，安裝氣液分離器和采用抽空停機控制可以有效阻止或降低回液的危害。

    （2）帶液啟動

    回氣冷卻型壓縮機在啟動時，曲軸箱內(nèi)的潤滑油劇烈起泡的現(xiàn)象叫帶液啟動。帶液啟動時的起泡現(xiàn)象可以在油視鏡上清楚地觀察到。帶液啟動的根本原因是潤滑油中溶解的以及沉在潤滑油下面了大量的制冷劑，在壓力突然降低時突然沸騰，并引起潤滑油的起泡現(xiàn)象。這種現(xiàn)象很像日常生活中人們突然打開可樂瓶時的可樂起泡現(xiàn)象。起泡持續(xù)的時間長短與制冷劑的量有關(guān)，通常為幾分鐘或十幾分鐘。大量泡沫漂浮在油面上，甚至充滿了曲軸箱。一旦通過進氣道吸入氣缸，泡沫會還原成液體（潤滑油與制冷劑的混合物），很容易引起液擊。顯然，帶液啟動引起的液擊只發(fā)生在啟動過程。

    與回液不同，引起帶液啟動的制冷劑是以“制冷劑遷移”的方式進入曲軸箱的。制冷劑遷移是指壓縮機停止運行時，蒸發(fā)器中的制冷劑以氣體形式，通過回氣管路進入壓縮機并被潤滑油吸收，或在壓縮機內(nèi)冷凝后與潤滑油混合的過程或現(xiàn)象。

    壓縮機停機后，溫度會降低，而壓力會升高。由于潤滑油中的制冷劑蒸汽分壓低，就會吸收油面上的制冷劑蒸氣，造成曲軸箱氣壓低于蒸發(fā)器氣壓的現(xiàn)象。油溫愈低，蒸汽壓力越低，對制冷劑蒸汽的的吸收力就愈大。蒸發(fā)器中的蒸汽就會慢慢向曲軸箱“遷移”。此外，如果壓縮機在室外，天氣寒冷時或在夜晚，其溫度往往比室內(nèi)的蒸發(fā)器低，曲軸箱內(nèi)的壓力也就低，制冷劑遷移到壓縮機后也容易被冷凝而進入潤滑油。

    制冷劑遷移是一個很緩慢的過程。壓縮機停機時間越長，遷移到潤滑油中的制冷劑就會越多。只要蒸發(fā)器中存在液態(tài)制冷劑，這一過程就會進行。由于溶解了制冷劑的潤滑油較重，它會沉在曲軸箱的底部，而浮在上面的潤滑油還可以吸收更多的制冷劑。

    除容易引起液擊外，制冷劑遷移還會稀釋潤滑油。很稀的潤滑油被油泵送到各摩擦面后，可能沖涮掉原有油膜，引起嚴重磨損（這種現(xiàn)象常稱為制冷劑沖刷）。過渡磨損會使配合間隙變大，引起漏油，從而影響較遠部位的潤滑，嚴重時會引起油壓保護器動作。

    由于結(jié)構(gòu)原因，空冷壓縮機啟動時曲軸箱壓力的降低會緩慢得多，起泡現(xiàn)象不很劇烈，泡沫也很難進入氣缸，因此空冷壓縮機不存在帶液啟動液擊問題。

    理論上講，壓縮機安裝曲軸箱加熱器（電熱器）可以有效防止制冷劑遷移。短時間停機（比如在夜間）后，維持曲軸箱加熱器通電，可以使?jié)櫥蜏囟嚷愿哂谙到y(tǒng)其它部位，制冷劑遷移不會發(fā)生。長時間停機不用（比如一個冬天）后，開機前先加熱潤滑油幾個或十幾個小時，可以蒸發(fā)掉潤滑油中的大部分制冷劑，既可以大大減小帶液啟動時液擊的可能性，也可以降低制冷劑沖刷造成的危害。但實際應(yīng)用中，停機后維持加熱器供電或者開機前十幾小時先給加熱器供電，是有難度的。因此，曲軸箱加熱器的實際效果會大打折扣。

    對于較大系統(tǒng)，停機前讓壓縮機抽干蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑（稱為抽空停機），可以從根本上避免制冷劑遷移。而回氣管路上安裝氣液分離器，可以增加制冷劑遷移的阻力，降低遷移量。

    當然，通過改進壓縮機結(jié)構(gòu)，可以阻止制冷劑遷移，并減緩潤滑油起泡程度。通過改進回氣冷卻型壓縮機內(nèi)的回油路徑，在電機腔與曲軸箱遷移的通道上增加關(guān)卡（回油泵等），停機后即可切斷通路，制冷劑無法進入曲軸腔；減小進氣道與曲軸箱的通道截面可以減緩開機時曲軸箱壓力下降速度，進而控制起泡的程度和泡沫進入氣缸的量。

    (3)潤滑油太多

    半封閉壓縮機通常都有油視鏡，以便觀察油位高低。油位高于油視鏡范圍，說明油太多了。油位太高，高速旋轉(zhuǎn)的曲軸和連桿大頭就可能頻繁撞擊油面，引起潤滑油大量飛濺。飛濺的潤滑油一旦竄入進氣道，帶入氣缸，就可能引起液擊。

    大型制冷系統(tǒng)安裝調(diào)試時，往往需要適當補充潤滑油。但對于回油不好的系統(tǒng)，要認真尋找影響回油的根源，一味地補充潤滑油是危險的。即使暫時油位不高，也要注意潤滑油突然大量返回時（比如化霜后）可能造成的危險。潤滑油引起的液擊并不罕見。

4.結(jié)束語
    液擊是壓縮機常見故障。發(fā)生液擊，表明系統(tǒng)或維護中一定存在問題，需要加以糾正。認真觀察分析系統(tǒng)的設(shè)計、施工和維護，不難找到引起液擊的根源。不從根源上防止液擊，而簡單地將故障壓縮機維修或更換一臺新壓縮機，只能使液擊再次發(fā)生。