无油涡旋空气压缩机端面摩擦副材料研究.pdf

书书书应用与测试 年 期（总第 期）无油涡旋空气压缩机端面摩擦副材料研究丁晓龙，李建，何鸿斌，李聪敏（合肥波林新材料股份有限公司，安徽 合肥 ）摘要：主要介绍了无油涡旋空气压缩机端面摩擦副不同表面处理方式对摩擦磨损的影响，选取一种较好地摩擦副配偶形式，为动涡盘、静涡盘、支撑架 个零件所组成的两组摩擦副提供一种优异的解决方案，同时解决 对摩擦副的摩擦磨损问题。关键词：摩擦副；自润滑材料；表面喷涂；阳极氧化；摩擦磨损中图分类号：，文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：；引言涡旋压缩机具有体积小、容积效率高、运行过程噪声较低等优点越来越受到人们的青睐。随着新能源汽车的快速发展，新能源汽车空调压缩机普遍采用涡旋式制冷压缩机，有油润滑的新能源涡旋制冷压缩机呈现井喷式发展。而在无油涡旋空气压缩机方面，也开始逐步成为行业研究热点，尤其是在医疗器械、食品加工方面，对无油涡旋空气压缩机的需求较大 。但是，无油涡旋空气压缩机中各摩擦副之间为干摩擦润滑，相比有油润滑工况较为恶劣，摩擦磨损严重 。无油涡旋空气压缩机各摩擦副之间的摩擦磨损问题，是制约其发展的重要原因之一。目前，涡旋压缩机行业市场普遍采用 铝硅合金制造涡旋盘和支撑架零件，本文采用涡旋盘加工厂用同牌号的 铝硅合金制备端面摩擦磨损标准试样块和标准对磨件，研究不同摩擦副匹配形式下干摩擦的摩擦磨损性能。应用与测试 年 期（总第 期）无油涡旋空气压缩机摩擦副分析 动涡盘与静涡盘端面摩擦无油涡旋空气压缩机特殊的工况要求，使其不能像封闭式制冷涡旋压缩机在动涡盘与静涡盘齿顶端面形成油膜解决摩擦问题。为了保证无油涡旋空气压缩机的压缩效率，不能有较大地泄漏情况，这就要求动涡盘与静涡盘齿顶端面紧密接触，保障压缩过程的密封效果，此种情形下动涡盘与静涡盘齿顶齿底端面为干摩擦，磨损情况严重 。在动静涡盘表面进行表面处理，以期实现减摩耐磨的作用，目前行业内普遍做法是对动、静涡盘进行表面阳极氧化处理。研究动、静涡盘摩擦副的匹配，实现低摩擦、少磨损稳定可靠具有一定的市场应用价值。动涡盘与支持架端面摩擦无油涡旋空气压缩机的整体结构为开放式，动涡盘堆垛在支撑架上。在压缩运转过程中，动、静涡盘啮合产生的高压气体会作用在动涡盘上使其远离静涡盘，动涡盘所受气体力会传递作用在动涡盘背面与支撑架接触面，此处为端面摩擦磨损，一方面会增大整机的功耗，另一方面，动盘背部磨损严重后，会导致支撑架、动涡盘、静涡盘组成的尺寸链配合间隙增大，动涡盘与静涡盘齿顶端面不能实现良好的密封效果，产生气体泄漏降低涡旋压缩机的压缩效率 。动涡旋盘不仅与支撑架存在摩擦磨损，也和静涡旋盘之间存在摩擦磨损，研究 对摩擦副之间配副表面处理方式，同时解决 个摩擦磨损问题，具有一定的学术和商业应用价值。实验方法 试样的制备制备端面摩擦磨损试验所需的上试样和下试样。上试样为外径 内径 的环状试块，与电机轴连接进行旋转，下试样为 的长方体试块，底部进行受力加载。所用上、下试样的基体材料均为 铝硅合金。其中，铝硅合金为 热处理态，硬度为 。其主要化学成分如表 所示。所用上、下试样表面处理方式有阳极氧化处理和表面喷涂处理两种，其中，表面喷涂处理前需在表面进行喷砂处理，保证后序高分子固体自润滑涂层能够牢牢粘接在铝合金表面 。制备两种不同材料的喷涂材料，其中，黑色涂层主要成分为：环氧树脂 ，固化剂，聚四氟乙烯，二硫化钼；黄色涂料：氟碳树脂，对位芳酰胺纤维，聚四氟乙烯。材料的摩擦磨损性能测试使用 型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验。根据自润滑材料的性能特点及摩擦磨损的机理，一对摩擦副匹配形式一般避免同种材料对磨 。所设计摩擦副匹配顺序如表 所示。摩擦副 为 阳极氧化与 黑色涂层，摩擦副 为 阳极氧化与 黄色涂层，摩擦副为 黄色涂层与 黑色涂层。其中试验条件如下：润滑方式为干摩擦，摩擦线速度为 ，载荷固定为 。试验结束条件：试验时长 ，试样表面温度达到 ，摩擦力矩超过 ，或试验过程中出现摩擦力矩急剧增大、试样表面温度急剧升高、噪声明显时停止试验。摩擦磨损试验结束后使用光学显微镜（型）观察上下试样表面摩擦磨损形貌。结果与讨论 干摩擦下不同摩擦副匹配的摩擦系数比较图 所示为 对摩擦副在相同试验条件下的摩擦系数对比曲线，其中摩擦副组合试验 出现较刺耳的摩擦噪声而试验终止，结束时摩擦系数表 铝硅合金成分表组成元素 原子百分比 余量 表 上下试样匹配顺序摩擦副序号上试样下试样 表面阳极氧化 表面黑色涂层 表面阳极氧化 表面黄色涂层 表面黄色涂层 表面黑色涂层应用与测试 年 期（总第 期）；摩擦副组合 试验至 摩擦系数突然增大而试验终止，结束时摩擦系数 ，整个过程中，摩擦系数呈现不断增大的趋势；摩擦副组合摩擦系数较小，直至试验设定 终止时间时依然表现稳定，结束时摩擦系数 。图 所示为 对摩擦副在相同试验条件下的摩擦力矩对比曲线，其趋势情况与摩擦系数基本保持一致。图 所示为 对摩擦副在相同试验条件下的摩擦温升曲线，摩擦副组合 试验结束时表面温升 ，试验过程中摩擦温升急剧升高；摩擦副组合 试验结束时表面温升 ，有持续增大的趋势；摩擦副组合 在刚开始跑合阶段出现温升升高明显情况，不过在跑合结束后，摩擦表面温升基本维持在 ，表现出较好的稳定性。对比图 可以看出，在相同的线速度和载荷条件下，摩擦副组合 即 黄色涂层与 黑色涂层匹配形成的摩擦副，其耐久稳定寿命最好，连续运行 ，摩擦系数、摩擦力矩、表面温升没有明显变化，基本维持稳定。其摩擦系数为 ，表面温度维持在 ，相比于另外两种摩擦副匹配形式，表现出较低的摩擦系数和表面温升。图 摩擦副端面摩擦磨损摩擦系数曲线图 摩擦副端面摩擦磨损摩擦力矩曲线 端面摩擦后磨损形貌分析图（）和（）分别为摩擦副组合 的上、下试样在端面摩擦磨损后的形貌照片，从图（）中可以看出 阳极氧化上试样表面磨痕均匀，无明显的磨损破坏情况，而图（）中 黑色涂层摩擦后，表面磨痕较深并存在犁沟和涂层剥落情况，磨损较为严重，其摩擦系数是 种摩擦副匹配中最高的，摩擦系数较大，在运行过程中很快就发生磨损，导致摩擦副匹配形式失效。图（）和（）分别为摩擦副组合 的上、下试样在端面摩擦磨损后的形貌照片，从图（）中可以看出 阳极氧化上试样的磨痕较深，表面有犁沟形貌，而图（）中 黄色涂层磨痕较为均匀，无明显犁沟和磨损情况。结合图 端面摩擦图 摩擦副端面摩擦磨损温升曲线图 三种摩擦副匹配形式端面摩擦磨损形貌应用与测试 年 期（总第 期）曲线，在试验 后，表面温度、摩擦系数和摩擦力矩逐步增大，可能在此过程中，上试样磨损越来越严重，导致最终摩擦力矩超过设定值而终止试验。图（）和（）分别为摩擦副组合 的上、下试样在端面摩擦磨损后的形貌照片，从图（）中可以看出 黄色涂层上试样表面磨痕有犁沟和颜色较黑的涂层存在，且在图（）中表面磨痕均匀且表层物质比基底颜色较亮为对磨黄色涂层材料。说明 黄色涂层上试样与 黑色涂层下试样所组成的摩擦副在摩擦磨损过程中，二者发生涂层之间的相互转移，形成转移膜后起到自润滑的作用 。这种情况一般初期跑和时摩擦系数要比转移膜形成后的摩擦系数稍大，这与图 中数据曲线的趋势是一致的。在刚开始运行的 以内，摩擦系数和摩擦力矩是逐步增大的，但随着两者跑和完成，端面之间形成自润滑层，摩擦系数和摩擦力矩降低并趋于稳定，连续运行 未发生磨损破坏。结论研究分析涡旋空气压缩机中动、静涡旋盘齿顶端面所形成的摩擦副的摩擦情况，以及动涡旋盘背部与支撑架之间的端面所形成摩擦副的摩擦情况，对摩擦副的摩擦学机理均为端面摩擦磨损形式。行业内采用涡旋盘表面处理形式并不能适用于纯无油润滑的涡旋压缩机。以涡旋压缩机行业常用的 铝硅合金为基体材料，对比测试 阳极氧化 黑色涂层、阳极氧化 黄色涂层、黄色涂层 黑色涂层三种摩擦副匹配形式下的端面摩擦磨损情况，试验表明：黄色涂层与 黑色涂层匹配所形成的摩擦副表现出较为优异的摩擦学性能，在线速度 ，载荷条件下，可以连续稳定运行 ，其稳定阶段摩擦系数在 左右，结束试验时表面温度在 。根据三组摩擦副匹配的试验数据，可以为动、静涡旋盘齿顶端面所形成的摩擦副和动涡旋盘背部与支撑架之间的端面所形成摩擦副这两对摩擦副提供一种合适的解决方案，即在动涡旋盘各摩擦面上喷涂一种涂层材料，在静涡旋盘和支撑架摩擦面上喷涂另外一种涂层材料，在 个零件上采用 种不同喷涂材料匹配可以较好地同时解决 对摩擦副的摩擦磨损问题。参考文献：杜鑫，杨旭，屈宗长 无油涡旋压缩机的技术特点与研究现状 压缩机技术，（）：周英涛，张晓丹，刘忠赏 涡旋压缩机技术发展趋势 制冷与空调，（）：杜建平 无油润滑涡旋空压机分析 时代汽车，（）：陈彦康 无油涡旋压缩机几个关键技术难题分析 上海市制冷学会 年学术年会论文集 上海，彭斌，郝红梅，朱永军 无油涡旋压缩机的动力特性与摩擦损失分析 机械设计与制造工程，（）：王建吉，刘涛 无油涡旋压缩机涡旋齿齿顶密封结构的研究 制冷学报，（）：杜鑫，杨旭，屈宗长 无油涡旋压缩机的技术特点与研究现状 压缩机技术，（）：姜紫薇 摩擦副结构优化及其端面密封性能研究 吉林化工学院，沈小丽，邵中魁，黄建军，等 无油涡旋空压机涡旋盘应力应变场模拟分析 压缩机技术，（）：凌付平 铝合金阳极氧化表面处理工艺研究 化学工程与装备，（）：管焓宇 水性环氧树脂及其改性研究进展 广东建材，（）：杨璐璐，牛永平，栗洋，等 环氧树脂减摩耐磨研究进展 化工新型材料，（）：王卉昱 自润滑复合材料摩擦学特性及制备工艺研究 北京：北京化工大学，（）：，：，（）：王海 自润滑复合材料转移膜的演化机理研究 燕山大学，崔海超，邰同波，罗光华 自润滑材料摩擦磨损性能研究 科技与创新，（）：作者简介：丁晓龙（），男，助理工程师，硕士研究生，研究方向为摩擦副自润滑材料、高分子减摩耐磨材料、涡旋压缩机结构与摩擦研究。：