压缩机常见故障分析--液击

1 ．引言 液态制冷剂和／或润滑油随气体吸入压缩机气缸时损坏吸气阀片的现象，以及进入气缸后没有在排气过程迅速排出，在活塞接近上止点时被压缩而产生的瞬间高液压的现象通常被称为液击。液击可以在很短时间内造成压缩受力件（如阀片、活塞、连杆、曲轴、活塞销等）的损坏，是往复式压缩机的致命杀手。减少或避免液体进入气缸就可以防止液击的发生，因此液击是完全可以避免的。 通常，液击现象可分为两个部分或过程。首先，当较多液态制冷剂、润滑油或者两者的混合物随吸气以较高速度进入压缩机气缸时，由于液体的冲击和不可压缩，会引起吸气阀片过度弯曲或断裂；其次，气缸中未及时蒸发和排出的液体受到活塞压缩时，瞬间内出现的巨大压力并造成受力件的变形和损坏。这些受力件包括吸排气阀片、阀板、阀板垫、活塞（顶部）、活塞销、连杆、曲轴、轴瓦等。 2 ．过程与现象 (1) 吸气阀片断裂 压缩机是压缩气体的机器。通常，活塞每分钟压缩气体 1450 次（半封压缩机）或 2900 次（全封压缩机），即完成一次吸气或排气过程的时间为 0.02 秒甚至更短。阀板上的吸排气孔径的大小以及吸排气阀片的弹性与强度均是按照气体流动而设计的。从阀片受力角度讲，气体流动时产生的冲击力是比较均匀的。 液体的密度是气体的数十甚至数百倍，因而液体流动时的动量比气体大得多的，产生的冲击力也大得多。吸气中夹杂较多液滴进入气缸时的流动属于两相流。两相流在吸气阀片上产生的冲击不仅强度大而且频率高，就好像台风夹杂着鹅卵石敲打在玻璃窗上，其破坏性是不言而喻的。吸气阀片断裂是液击的典型特征和过程之一。 (2) 连杆断裂 压缩行程的时间约 0.02 秒，而排气过程会更短暂。气缸中的液滴或液体必须在如此短的时间内从排气孔排出，速度和动量是很大的。排气阀片的情况与吸气阀片相同，不同之处在于排气阀片有限位板和弹簧片支撑，不容易折断。冲击严重时，限位板也会变形翘起。 如果液体没有及时蒸发和排出气缸，活塞接近上止点时会压缩液体，由于时间很短，这一压缩液体的过程好像是撞击，缸盖中也会传出金属敲击声。压缩液体是液击现象的另一部分或过程。 液击瞬间产生的高压具有很大的破环性，初人们熟悉的连杆弯曲甚至断裂外，其他压缩受力件（阀板、阀板垫、曲轴、活塞、活塞销等）也会有变形或损坏，但往往被忽视，或者与排汽压力过高混为一谈。检修压缩机时，人们会很容易发现弯曲或断裂的连杆，并给予替换，而忘记检查其他零件是否有变形或损坏，从而为以后的故障埋下祸根。 液击造成的连杆断裂不同于抱轴和活塞咬缸，是可以分辨出来的。首先，液击造成连杆弯曲或断裂是在短时间内发生的，连杆两端的活塞和曲轴运动自如，一般不会有严重磨损引起的抱轴或咬缸。尽管吸气阀片折断后，阀片碎屑偶尔也会引起活塞和气缸面严重划伤，但表面划伤与润滑失效引起磨损很不同。其次，液击引起的连杆断裂是由压力造成的，连杆和断茬有挤压特征。尽管活塞咬缸后的连杆断裂也有挤压可能，但前提是活塞必须卡死在气缸。抱轴后的连杆折断就更不同了，连杆大头和曲轴有严重磨损，造成折断的力属于剪切力，断茬也不一样。最后，抱轴和咬缸前，电机会超负荷运转，电机发热严重，热保护器会动作。 3. 原因分析 显然，能引起压缩机液击的液体不外乎如下几种来源： 1 ）回液，即从蒸发器中流回压缩机的液态制冷剂或润滑油； 2 ）带液启动时的泡沫； 3 ）压缩机内的润滑油太多。本文将对这几种原因逐一分析。 (1) 回液 通常，回液是指压缩机运行时蒸发器中的液态制冷剂通过吸气管路回到压缩机的现象或过程。 对于使用膨胀阀的制冷系统，回液与膨胀阀选型和使用不当密切相关。膨胀阀选型过大、过热度设定太小、感温包安装方法不正确或绝热包扎破损、膨胀阀失灵都可能造成回液。对于使用毛细管的小制冷系统而言，加液量过大会引起回液。 利用热气融霜的系统容易发生回液。无论采用四通阀进行热泵运行，还是采用热气旁通阀时的制冷运行，热气融霜后会在蒸发器内形成大量液体，这些液体在随后的制冷运行开始时既有可能回到压缩机。 此外，蒸发器结霜严重或风扇故障时传热变差，未蒸发的液体会引起回液。冷库温度频繁波动也会引起膨胀阀反应失灵而引起回液。 回液引起的液击事故大多发生在空气冷却型（简称风冷或空冷）半封闭压缩机和单机双级压缩机中，因为这些压缩机的气缸与回气管是直接相通的，一旦回液，就很容易引发液击事故。即使没有引起液击，回液进入汽缸将稀释或冲刷掉活塞及汽缸壁上的润滑油，加剧活塞磨损。 对于回气（制冷剂蒸汽）冷却型半封闭和全封闭压缩机，回液很少引起液击。但会稀释曲轴箱内的润滑油。含有大量液态制冷剂的润滑油粘度低，在摩擦面不能形成足够的油膜，导致运动件的快速磨损。另外，润滑油中的制冷剂在输送过程中遇热会沸腾，影响润滑油的正常输送。而距离油泵越远，问题就越明显越严重。如果电机端的轴承发生严重的磨损，曲轴可能向一侧沉降，容易导致定子扫堂及电机烧毁。 显然，回液不仅会引起液击，还会稀释润滑油造成磨损。磨损时电机的负荷和电流会大大增加，久而久之将引起电机故障。 对于回液较难避免的制冷系统，安装气液分离器和采用抽空停机控制可以有效阻止或降低回液的危害。 (2) 带液启动 回气冷却型压缩机在启动时，曲轴箱内的润滑油剧烈起泡的现象叫带液启动。带液启动时的起泡现象可以在油视镜上清楚地观察到。带液启动的根本原因是润滑油中溶解的以及沉在润滑油下面了大量的制冷剂，在压力突然降低时突然沸腾，并引起润滑油的起泡现象。这种现象很像日常生活中人们突然打开可乐瓶时的可乐起泡现象。起泡持续的时间长短与制冷剂的量有关，通常为几分钟或十几分钟。大量泡沫漂浮在油面上，甚至充满了曲轴箱。一旦通过进气道吸入气缸，泡沫会还原成液体（润滑油与制冷剂的混合物），很容易引起液击。显然，带液启动引起的液击只发生在启动过程。 与回液不同，引起带液启动的制冷剂是以 “ 制冷剂迁移 ” 的方式进入曲轴箱的。制冷剂迁移是指压缩机停止运行时，蒸发器中的制冷剂以气体形式，通过回气管路进入压缩机并被润滑油吸收，或在压缩机内冷凝后与润滑油混合的过程或现象。 压缩机停机后，温度会降低，而压力会升高。由于润滑油中的制冷剂蒸汽分压低，就会吸收油面上的制冷剂蒸气，造成曲轴箱气压低于蒸发器气压的现象。油温愈低，蒸汽压力越低，对制冷剂蒸汽的的吸收力就愈大。蒸发器中的蒸汽就会慢慢向曲轴箱 “ 迁移 ” 。此外，如果压缩机在室外，天气寒冷时或在夜晚，其温度往往比室内的蒸发器低，曲轴箱内的压力也就低，制冷剂迁移到压缩机后也容易被冷凝而进入润滑油。 制冷剂迁移是一个很缓慢的过程。压缩机停机时间越长，迁移到润滑油中的制冷剂就会越多。只要蒸发器中存在液态制冷剂，这一过程就会进行。由于溶解了制冷剂的润滑油较重，它会沉在曲轴箱的底部，而浮在上面的润滑油还可以吸收更多的制冷剂。 除容易引起液击外，制冷剂迁移还会稀释润滑油。很稀的润滑油被油泵送到各摩擦面后，可能冲涮掉原有油膜，引起严重磨损（这种现象常称为制冷剂冲刷）。过渡磨损会使配合间隙变大，引起漏油，从而影响较远部位的润滑，严重时会引起油压保护器动作。 由于结构原因，空冷压缩机启动时曲轴箱压力的降低会缓慢得多，起泡现象不很剧烈，泡沫也很难进入气缸，因此空冷压缩机不存在带液启动液击问题。 理论上讲，压缩机安装曲轴箱加热器（电热器）可以有效防止制冷剂迁移。短时间停机（比如在夜间）后，维持曲轴箱加热器通电，可以使润滑油温度略高于系统其它部位，制冷剂迁移不会发生。长时间停机不用（比如一个冬天）后，开机前先加热润滑油几个或十几个小时，可以蒸发掉润滑油中的大部分制冷剂，既可以大大减小带液启动时液击的可能性，也可以降低制冷剂冲刷造成的危害。但实际应用中，停机后维持加热器供电或者开机前十几小时先给加热器供电，是有难度的。因此，曲轴箱加热器的实际效果会大打折扣。 对于较大系统，停机前让压缩机抽干蒸发器中液态制冷剂（称为抽空停机），可以从根本上避免制冷剂迁移。而回气管路上安装气液分离器，可以增加制冷剂迁移的阻力，降低迁移量。 当然，通过改进压缩机结构，可以阻止制冷剂迁移，并减缓润滑油起泡程度。通过改进回气冷却型压缩机内的回油路径，在电机腔与曲轴箱迁移的通道上增加关卡（回油泵等），停机后即可切断通路，制冷剂无法进入曲轴腔；减小进气道与曲轴箱的通道截面可以减缓开机时曲轴箱压力下降速度，进而控制起泡的程度和泡沫进入气缸的量。 (3) 润滑油太多 半封闭压缩机通常都有油视镜，以便观察油位高低。油位高于油视镜范围，说明油太多了。油位太高，高速旋转的曲轴和连杆大头就可能频繁撞击油面，引起润滑油大量飞溅。飞溅的润滑油一旦窜入进气道，带入气缸，就可能引起液击。 大型制冷系统安装调试时，往往需要适当补充润滑油。但对于回油不好的系统，要认真寻找影响回油的根源，一味地补充润滑油是危险的。即使暂时油位不高，也要注意润滑油突然大量返回时（比如化霜后）可能造成的危险。润滑油引起的液击并不罕见。 4 ．结束语 液击是压缩机常见故障。发生液击，表明系统或维护中一定存在问题，需要加以纠正。认真观察分析系统的设计、施工和维护，不难找到引起液击的根源。不从根源上防止液击，而简单地将故障压缩机维修或更换一台新压缩机，只能使液击再次发生