摘要：冰箱压缩机在使用中因曲轴润滑不良出现拉伤磨损问题较突出，而压缩机润滑系统的动力来自于曲轴，因此对曲轴的优化设计非常重要。通过研究影响某款压缩机曲轴的上油量的几何因素，计算螺旋粘性泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋粘性泵壁面的距离这一参数对曲轴上油量的影响。计算

论文价值的评定意见：

本文模拟分析了螺旋泵上出油口和分配泵的交点距离螺旋泵壁面距离对曲轴上油量的影响，对冰箱压缩机油路系统设计有一定的参考意义。

滕建文 唐学强 钱建忠 陈仙铜

合肥华凌股份有限公司

摘要

Abstract

冰箱压缩机在使用中因曲轴润滑不良出现拉伤磨损问题较突出，而压缩机润滑系统的动力来自于曲轴，因此对曲轴的优化设计非常重要。通过研究影响某款压缩机曲轴的上油量的几何因素，计算螺旋粘性泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋粘性泵壁面的距离这一参数对曲轴上油量的影响。计算结果表明，这一距离越小，曲轴的上油量越高。对计算结果做了实验验证，计算结果和实验结果保持了很好的一致性，为曲轴的上油能力分析和优化提供了指导和借鉴。

关键词

Keywords

冰箱压缩机；曲轴；螺旋粘性泵；油孔壁厚；上油量；体积流量

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2024.04.015

0 引言

曲轴润滑是压缩机的一个重要研究课题，它和压缩机的机械摩擦损耗、稳定性等密切相关。对于曲轴的泵油过程一般有两个要求：一是曲轴要有足够的上油量，能够有充分的油量向主轴承以及活塞等运动部件提供润滑；二是润滑油从压缩机壳体底部运动到曲轴顶端的时间要短，能够在压缩机启动后的很短时间内，向压缩机的运转部件供油，以防压缩机机械部件运行中发生干摩擦。曲轴上油通道的设计要使曲轴能满足上述两个条件的要求。

目前，针对流体机械曲轴上油的研究主要有三种手段：实验研究、理论分析和数值计算。对曲轴螺旋粘性泵的实验研究一般来说周期长、成本高，而且不能了解到曲轴内部油的分布情况。理论计算分析能有助于充分理解物理规律，但对复杂问题建立理论模型是很困难的[1]。随着近些年来CFD的应用和发展，通过数值计算的方法来模拟曲轴的上油过程越来越便捷，王春林等[2]利用商用软件对迷宫螺旋泵的内部流动进行了数值模拟，PoschStefan等[3]对离心泵油系统进行了大量的仿真研究，吴永恒等[4]也基于CFX软件对曲轴泵油进行了优化研究。洪嘉华等[5]用VOF模型可以准确追踪多相流的界面发展过程，广泛应用于曲轴的上油计算。高振勋[6]等人利用数值模拟技术对压缩机粘性泵进行了研究分析，CFD技术在优化冰箱压缩机曲轴的上油通道上也有了很大的发展[7]。

本文利用实验和计算相结合的方法，对某款冰箱制冷压缩机曲轴的上油能力进行了数值计算和试验测试，为新型高效压缩机的优化提供了技术支持。

1 数值仿真模型

随着曲轴的旋转，润滑油沿着吸油管逐渐上升，润滑油的上升过程是油、气两相的混合过程。本文采用VOF模型来模拟油、气两相液面的变化过程。

本文研究的曲轴为一款应用在R600a工质的新型高能效冰箱压缩机上的曲轴，使用的是10#润滑油。受加工工艺和加工精度的影响，曲轴螺旋粘性泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋泵壁面的距离，在加工制作曲轴油孔中有出现油孔壁厚偏差。考虑曲轴加工中尺寸公差偏差，为了避免出现与退刀槽间产生打通现象，上油孔和分配泵的交点与曲轴外壁面的距离范围在1.5 mm～2.5 mm间，如图1所示的H值。

图1 螺旋粘性泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋粘性泵的壁面的距离

本文选取案例1中上出油孔和分配泵的交点与曲轴外壁面的距离为1.6 mm，案例2中上出油孔和分离泵的交点与曲轴外壁面的距离为1.8 mm，案例3中上出油孔和分离泵的交点与曲轴外壁面的距离为2.4 mm。

如图2所示，给出了油的流动通道图，为了验证这三种曲轴的优劣，将对这三款曲轴的性能做出对比分析。

图2 曲轴上油流动通道及不同油孔偏移量

曲轴的内部通道可以分为三个部分：下段带叶片的吸油管是离心泵，通过叶片搅动润滑油，使润滑油在离心力的作用下沿着吸油管的壁面攀升；中段为螺旋粘性泵，在粘性力的作用下润滑油向上端运动，在此过程中为轴承和法兰提供润滑；上段为分配泵，分配泵为活塞、连杆和活塞销等运动部件提供润滑。此次研究的是由粘性泵转到上段分配泵间出现的交叉位置对曲轴上油量及内部油压的影响，这个曲轴螺旋粘性泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋粘性泵壁面的距离，是靠油压将输送到粘性泵内的油反离心力挤入到上段的分配泵中的。

2 模型简化

因为曲轴上油的计算模型很复杂，对此模型的几何和计算做了如下的简化和假设：

1）润滑油中不含有制冷剂，油池上方含气相制冷剂；

2）流动为等温流动；

3）润滑油和制冷剂的物性恒定，不随温度、压力等的变化而变化；

4）电机启动时的加速度无限大；

5）中段的粘性泵的外表面与压缩机的转子配合形成一段厚度为0.2 mm的圆筒形间隙，在计算的过程中考虑这段间隙的影响；

6）不考虑曲轴和转子之间的过盈量的影响。

图3 计算的边界条件设置

3 计算以及结果分析

采用滑移网格来模拟曲轴的旋转运动，曲轴的运动采用运动参考系（MRF）来实现。在本次的计算中，转速设置为3000 r/min，吸油管插进润滑油池中，插入深度设置为12 mm；油池的上表面为压力进口，油的体积分数设置为1；曲轴最上端的出油口和出气口均为压力出口，油的回流体积分数设置为0；整个曲轴部分的内部区域和壁面均设置为旋转网格；因为无滑移壁面的假定，主轴承部分设置为静止壁面。

使用冰箱压缩机普遍使用的10#润滑油，同时为理论计算、实验验证及实际使用进行统一。10#润滑油的密度ρ=875 kg/m3，动力粘度由经验公式计算得来，润滑油粘性系数µ=0.0034 Pa·s，表面张力0.2 N/m。图4为计算模型液相润滑油与气相制冷剂设定，以及曲轴插入油面深度的设定状态。

图4 计算的初始润滑油、制冷剂与曲轴状态

图5给出了不同模型的计算结果，图5 a)给出的是进、出口油的体积流量实时变化过程；图5 b)给出的是计算稳定之后，曲轴出口的体积流量细节图。

图5 模型计算结果

对比稳定后这三个曲轴上油量的平均值，偏移2.4 mm的曲轴上油量为9.72 L/h，偏移1.8 mm的曲轴上油量为9.80 L/h，偏移1.6 mm的曲轴上油量为9.97 L/h，偏移1.6 mm的曲轴的上油量更大。图5 b)中可以看出偏移2.4 mm的曲轴的上油量波动明显要比1.6 mm的大，2.4 mm的相对1.6 mm曲轴明显更不稳定，最低上油量低于8 L/h，产生供油不足影响曲轴润滑风险。

图6中给出了油的体积分布图，从图中可以看出偏移2.4 mm的曲轴明显不如偏移1.6 mm的曲轴，偏移1.6 mm的曲轴的螺旋形槽道被油充满，偏移2.4 mm的曲轴槽道中混有气体。特别是对于变频压缩机，在压缩机的高速或低速运行中，如曲轴槽道中混有气体，会影响曲轴上油过程的稳定性、破坏油膜，使得曲轴主轴与曲轴箱轴孔、曲轴副轴与连杆大孔或活塞销与连杆小孔间的润滑状态由流体动压润滑向边界润滑转换。

甚至可能产生的气蚀现象，导致曲轴产生表面拉伤磨损。气蚀现象是磨损现象中的一种十分重要的形式,即当水、矿物油及其他流体流经金属材料的表面时，由于局部几何形状的改变而导致流速变化，进而使液体内部压力发生改变。如果局部压力变得低于该液体的汽化压力时，将使液体产生沸腾现象，迅速产生蒸汽泡，并在较高压力区迅速破裂，这样的过程将会使得金属表面承受反复不断的冲击力作用，进而产生气蚀现象[8]。

图6 油的体积分布图（红色为液相冷冻油、蓝色为气相制冷剂、其他为油气混合。）

无论从曲轴的上油量，还是曲轴上油的体积分布来看，偏移1.6 mm的曲轴要比偏移2.4 mm的曲轴更优。

4 实验验证

4.1 曲轴单品上油量实验测试

选取螺旋泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋泵的壁面的距离分别为1.6 mm、1.8 mm和2.4 mm的曲轴，并对其进行曲轴上油量的测试。实验中的装置，可以精确控制油温、曲轴转速和曲轴的浸入深度，此实验设备是将需要测试的曲轴装入轴套中，调节油池内润滑油面高低，按设定的曲轴吸油管插入深度，通过伺服电机带动固定在带轮上的曲轴旋转，以设定的转速和运转时间收集曲轴曲柄油孔中甩出的油量，计算出不同实验曲轴的上油量。在实验测试中，这些参数的设置均和计算保持一致。图7即为进行曲轴上油量测试的泵油实验台。表1给出了曲轴上油量实验值和数值计算值的对比。

图7 曲轴泵油实验台

表1 实验值和计算值的对比

因为模型的简化和假设等原因，计算值和实验值之间还是有一定差距的，但从趋势上来看，数值计算和实验保持了一致。实验也证明了随着油孔偏移量的增加，曲轴上油量减少。

4.2 压缩机整机可靠性验证

另将两种状态的曲轴装成压缩机验证，其他零部件完全相同，安装到美的BCD—546冰箱上进行整机可靠性长运测试，试验后对压缩机进行解剖分析，通过观察和检测，发现曲轴上油口附近的磨损情况具有差异，如图8所示是经过冰箱长运后两种曲轴表面磨损对比。

图8 冰箱整机长运后曲轴磨损实物对比

从表2可以看出上油口偏移壁厚2.4 mm的曲轴要比偏移1.6 mm的曲轴磨损等级、粗糙度与圆度都要差。

表2 整机长运后不同油孔偏移量曲轴的精度对比

5 结论

本文针对冰箱压缩机曲轴的上油量进行了数值计算和实验测试，对曲轴上油量计算模型得到了验证，为曲轴上油能力分析和优化提供了定量评估的方法。基于仿真和实验表明，螺旋泵的上出油口和分配泵的交点距离螺旋粘性泵壁面的距离，这一参数是影响曲轴上油量的重要参数，在生产加工过程中要严格控制这一偏移数值。

1）建立了曲轴的计算模型，基于Fluent进行了数值模拟，研究了曲轴几何设计参数对进出口体积流量的影响规律。

2）利用理论模型及实验测试验证分析发现，曲轴螺旋泵的上出油口和分配泵的交点距离旋转中心越远，越能充分利用离心力的影响来增加上油量，上油量也因此越高，即曲轴上油孔偏移量越小，曲轴上油量和供油越稳定，对于压缩机曲轴润滑、降低磨损量和产品可靠性都有很好的提升。

参考文献

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[2] 王春林, 马庆勇, 邢岩, 等. 梯形迷宫螺旋泵内部流动数值计算及性能预测[J]. 江苏大 学学报(自然科学版), 2008, 29(02): 138-142.

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[7] 宋雪娜，崔宇，王毅. CFD在往复式压缩机曲轴上油通道设计优化中的应用[A]// 2012年中国家用电器技术大会论文集[C], 2012: 445-449.

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作者简介：

滕建文，男，学士学位。

研究方向：制冷器具研究、产品可靠性研究等。

地址：安徽省合肥市经济技术开发区锦绣大道176号。

E-mail: tjw@midea.com。

通讯作者：

陈仙铜。

文章引用 (GB/T 7714—2015格式引文):

[1] 滕建文, 唐学强, 钱建忠, 陈仙铜. 冰箱压缩机曲轴油孔壁厚对上油能力分析[J]. 家电科技, 2024(04): 94-98.

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