2026/10/12
来源：《制冷》2026年6月 第三期 文章编号: ISSN1005 - 9180 (2026) 03 - 0061 – 04
刘斌1，2，李奕晗1，2，彭守仲1，2，程厚义1，2，张悦1，2
(1.北京航空航天大学合肥创新研究院，安徽合肥，230012;
2.北京航空航天大学集成电路科学与工程学院，北京，100191)
[摘要] 轻型旋转压缩机正加速迈向高速、变频、宽工况运行，主轴承润滑裕度已成为排量平台化扩展与能效提升的关键瓶颈。本文构建多体动力学-流体动力学强耦合模型，完整保留螺旋油槽、微米级型线及温度-黏度耦合效应，在-30C~120°C、10~50ce全域排量内实现瞬态润滑的高精度预测。重点揭示段差、型线与环形槽三参数的协同机制，提出L2≥5mm、L4≥10mm的段差设计域，构筑流体动力屏障，显著抑制高压油轴向泄漏;优化环形槽深度6mm≤F≤8mm、壁厚1.5 mm≤G≤2mm，兼顾供油充分与承载损失，使功耗降低，油膜安全裕度提高。研究确立了面向全排量机型的主轴承平台化设计窗口，为旋转压缩机高速变频可靠性提升与能效进阶提供理论依据和数据支撑。
[关键词] 压缩机;主轴承;型线;段差;环形槽
[中图分类号]TB535;TU112.59 [文献标志码] A doi: 10. 3969/J.ISSN.1005-9180.2026.03.0014
Lubrication Simulation Analysis of Main Bearings in Light-dutyRotary Refrigeration Compressors
LIU Bin1，2, LIYihan1，2, PENG Shouzhong1，2, CHENG Houyi1，2, ZHANG Yue1，2
(1. Hefei Innovation Research Institute of Beihang University, Hefei 230012;
2. Beihang University, Beijing 100191)
Abstract: Light-duty rotary compressors are rapidly moving towards high-speed, variable-frequency and wide-range operations. Lubrication margin of the main bearing has become the key bottleneck for platform-based displacement extension and energy-efficiency improvement. In this study, a strongly coupled multi-body-dynamics and fluid-dynamics model is established, fully preserving helical oil grooves, micron-level profile geometry and temperature viscosity coupling. Transient lubrication is predicted with high accuracy from -30 °C to 120°C and 10 cc to 50 cc displacement. The synergistic mechanism of three critical parameters-step profile, bore profile and circumferential groove-is revealed. A step design window of L2≥5 mm and L4≥10 mm is proposed to build a hydrodynamic barrier that markedly suppresses axial oil leakage from the high-pressure zone. The groove depth 6 mm ≤ F ≤ 8 mm and wall thickness 1.5 mm ≤ G ≤ 2 mm are optimised to balance adequate oil supply and load capacity,reducing power loss and increasing oil-film safety margin. The work establishes a platform-oriented design envelope formain bearings applicable to the full displacement range, providing theoretical and data support for reliability enhancement and energy-efficiency advancement of high-speed variable-frequency rotary compressors.
Key words: Compressor; Main Bearing; Bore Profile; Step Profile; Circumferential Groove
在“双碳”战略与绿色制冷剂迭代驱动下，轻型旋转式压缩机正向高速、变频、宽工况升级，主轴承作为曲轴系液体摩擦副，其润滑裕度直接决定整机噪声、功耗与可靠性，也成为排量平台化扩展的瓶颈[1-4]。排量由10cc递增至50cc时，轴承载荷梯度、微尺度加工误差及瞬态气体力、电磁拉力多源耦合，使传统稳态经验设计难以兼顾全系列最小油膜安全阈值，高速区边界润滑风险骤增，摩擦功耗占比攀升至25%以[5-6]。现有研究多停留在单排量、单温度点试上验，缺乏“结构-工况-性能”全域映射，段差位置、型线轮廓、环形槽深等关键尺寸上限不清、下限不明，严重制约平台化开发效率[7-8]。
为此，本文构建多体-流体强耦合模型，完整保留螺旋油槽、微米级型线、温-黏耦合等细节，在-30°C~120 °C、10 cc~50 ce(主轴承高度35 mm~65 mm，曲轴轴径12mm~25 mm)范围内实现瞬态润滑高精度预测。针对段差、型线与环形槽三大核心参数，模型首次量化其协同效应:段差作为轴向微阶梯，可形成流体动力屏障，抑制高压油轴向泄漏，优化后使油膜承载提升而摩擦功耗微升;环形槽系润滑“调度中心”，其深度F与壁厚G决定供油充分性与承载损失，仿真揭示mm≤F≤8mm、1.5 mm≤G≤2mm为最优窗口，可在全排量段将承载损失控制在低水平，同时实现均匀布油与高效散热。基于模态缩减的雷诺求解进一步给出段差上界限L2≥5 mm、下界限L4≥10mm的通用设计域，可使轴承功耗降低，最小油膜安全裕度提升，为旋转压缩机高速变频可靠性提升与能效进阶提供理论依据和数据支撑。
模型及仿真方法
1.1仿真模型
本文构建了一个用于研究轻型旋转式制冷压缩机主轴承润滑的多体动力学与流体动力学耦合仿真模型。该模型包含了曲轴、主轴承、副轴承、滚子、气缸、转子及定子等关键部件，如图1所示。其中，曲轴作为动力传递核心，其偏心部与滚子构成摩擦副;主、副轴承分别支撑曲轴两端，承受复杂载荷;气缸与滚子形成压缩腔，转子与定子通过电磁耦合驱动曲轴旋转，完成制冷剂的工作循环。为真实再现润滑行为，模型严格按实际尺寸构建，保留表面微观几何特征，并引人主轴承螺旋油槽与油孔、副轴承端面间隙与泄油通道、滚子与气缸间微米级油膜以及定转子气隙等细节。材料属性依据40Cr、灰铸铁、硅钢片等实测数据赋值，同时通过Arrhenius模型嵌入温度-黏度耦合效应，确保模型在-30°C至120°C全工况范围内的仿真可信度。
图1旋转式压缩机主要部件
该模型能够综合多种载荷作用，基于雷诺方程求解油膜压力与摩擦特性，实现对主轴承润滑性能的高精度分析，为压缩机可靠性提升与性能优化提供关键理论依据。
1.2仿真方法
基于软件内置的强耦合流固耦合迭代算法，对气体力作用下曲轴与主、副轴承接触区域的润滑行为进行高精度瞬态模拟。分析采用非线性多体动力学方法，能够自动计入系统运行中产生的惯性效应与时变载荷的影响。为兼顾计算精度与效率，在AVL仿真环境中采用了经过模态缩减的高效模型参与润滑计算。该缩减模型基于原始有限元模型，通过模态综合法进行模型降阶，确保缩减前后模型的前15阶模态特性(包括固有频率和振型)保持一致，并据此精确求解获得缩减系统的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵。轴承润滑仿真分析具体步骤如图2所示。
图2轴承润滑仿真分析步骤
2 仿真结果
2.1几何结构
为系统评估排量梯度对主轴承润滑特性的影响，本文将压缩机按10cc一档细分为10cc、20cc、30cc、40cc、50cc共五种型号，对应主轴承高度L随排量线性递增，在35mm至65mm区间内分布，以保证各机型轴系惯性力与轴承载荷匹配。图3集中给出了主轴承型线、段差及环形槽的关键控制尺寸:L为轴承总高;E为型线横向尺寸，表征油楔楔形度，设计域5um~15um;L1为型线纵向延伸长度，决定入口油楔长度，范围10mm~20mm;L2为型线端部至段差上端面的轴向间距;L3为段差本体宽度，直接影响摩擦副接触面积;L4为轴承下端面至段差下端面的悬伸距离;F为环形槽深度，调控供油节流;G为槽壁厚度，兼顾刚度与柔性。为排除型线变量对后续研究的干扰，本仿真模型将其参数锁定为E=5um、L1=10 mm，仅考察L、L2、L3、L4、F、G六尺寸对最小油膜厚度的耦合影响，从而为五种排量机型提供统一的横向对比基准。
图3主轴承关键尺寸
2.2 段差分析
图4给出了型线端部与段差上端面之间的轴向间距L2对主轴承最小油膜厚度的影响趋势。随着段差与型线间距的增大，主轴承最小油膜厚度承下降趋势。在满足实际工况润滑需求的情况下，综合10cc至50cc油膜厚度曲线，段差位置的上界限应取L2大于5mm，以兼顾型线布置与润滑可靠性。
图5进一步分析了主轴承下端面至段差下端面的间距L4的变化规律。随着段差与主轴承下端面间距的增加，主轴承最小油膜厚度随之变化。在满足实际工况润滑需求的情况下，综合10ce至50cc油膜厚度曲线，段差位置的下界限应取L4大于10mm，既保证最小油膜厚度高于安全值，又避免轴承过度悬伸。
图4段差上界限分析
图5段差下界限分析
对于不同排量导致的轴承高度差异，在型线约束下，段差上、下极限位置必须同时满足L2≥5 mm、L4≥10 mm;在此边界内，段差宽度L3应尽可能取大，以缩短摩擦副接触长度，降低搅油与剪切损失，从而提升整机机械效率，实现润滑性能与能耗的最佳平衡。
2.3 环形槽分析
图6系统揭示了环形槽深度F对主轴承最小油膜厚度的非线性耦合规律:当F=4mm时，浅槽使供油节流不足，10cc→50cc排量区间内在0.55um~0.95um之间剧烈震荡，极值差为0.4um，润滑可靠性显著降低;F=10mm的深槽则因油腔容积突增，油压衰减，导致曲线再次发散，极差回升至0.4um，润滑可靠性下降。只有当F落人6mm~8mm区间时，各排量最小油膜厚度才高度收敛，极差锐减至0.3um以内，且平均膜厚维持在1.05um以上，轴承始终处于全膜弹流状态，噪声与磨损同步降低。因此，推荐6mm≤F≤8mm为最佳深度区间，并建议公差带控制在±0.1mm，以抵消批量加工离散。
图6环形槽深度分析
图7环形槽壁厚分析
图7进一步指出，环形槽壁厚G对最小油膜厚度的影响特征:G=1mm的薄壁使槽区刚度骤降，轴颈倾斜加剧，最小油膜厚度随排量增大而离散，最大偏差0.45pm;G=2.5mm的厚壁则因局部热变形集中，同样诱发油膜波动。当G收紧至1.5mm~2mm时，结构柔度与热容达到平衡，数据簇标准差由0.2um降至0.05pm，润滑一致性显著提升。据此，设计宜取1.5mm≤G≤2mm，并与F区间耦合优化，可在全排量范围内将轴承功耗降低，同时提高最小油膜安全裕度，实现承载能力、润滑可靠性与机械效率的三重最佳平衡。
3 结论
本文构建的多体-流体强耦合模型在10cc~50cc、-30~120°C全域内实现主轴承瞬态润滑高精度预测，首次量化段差、型线与环形槽的协同效应。提出L2≥5mm、L4≥10mm的段差设计域，可构筑流体动力屏障，使油膜承载提升，摩擦功耗相当;优化环形槽深度6mm≤F≤8mm、壁厚1.5mm≤G≤2mm，兼顾供油与承载，轴承功耗降低，油膜安全裕度提升。研究确立了面向全排量机型的主轴承平台化设计窗口，为旋转压缩机高速变频可靠性提升与能效进阶提供了理论依据和数据支撑。
参考文献:
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