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        空調管路系統(tǒng)動態(tài)特性研究

        2020-05-11 06:08:58戴隆翔侯凱澤羅良辰
        輕工機械 2020年2期
        關鍵詞:腳墊固有頻率管路

        蔣 鄒, 戴隆翔, 侯凱澤, 羅良辰, 李 彬

        (珠海格力電器股份有限公司 空調及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室, 廣東 珠海 519000)

        壓縮機管路作為連接壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器的重要部分,主要受壓縮機激勵和管內流體沖擊激勵[1],管路不可避免的發(fā)生振動,當管路的固有頻率與壓縮機工作頻率相近時,會產(chǎn)生強烈的共振,加速管路的疲勞破壞,減少使用壽命,降低空調的可靠性和質量。因此,研究管路的動態(tài)特性對于管路和管型的減振設計及修改,提高管路可靠性具有重大意義[2]。陳超宇等[3]通過模態(tài)仿真與諧響應分析,對管路進行改造。張旭等[4]對旋渦壓縮機配管進行模態(tài)仿真及測試,將吸氣管的第2彎向下延伸,避開了共振頻率,解決了該機組應變超標問題。郭亞娟[5]通過添加阻尼來對壓縮機配管振動進行衰減。赫家寬等[6]通過對管路進行模態(tài)分析并使用激振器來激勵管路從而測試管路模態(tài),并使用阻尼塊來降低管路模態(tài)薄弱處的振動。黃輝等[7]通過仿真模擬研究了不同管路折彎厚度對模態(tài)的影響。王宇華等[8]建立了壓縮機與管路的實體模型,并求解了系統(tǒng)的響應,預測響應較差的位置。薛瑋飛等[9]研究了僅包含配管系統(tǒng)的模態(tài),仿真與測試結果誤差較小。孔祥強等[10]對空調配管系統(tǒng)進行模態(tài)求解,并分析了管內氣柱壓力對管路的響應。

        課題組針對某款樣機測試階段的空調外機管路系統(tǒng)進行有限元仿真、模態(tài)測試和管路的應力測試,發(fā)現(xiàn)應力出現(xiàn)峰值所對應的頻率點出現(xiàn)在管路的固有頻率附近,為共振引起。在樣機開發(fā)階段,可通過有限元對結構進行仿真分析,以指導結構的優(yōu)化設計,避免樣機在運行過程中發(fā)生共振。

        1 模態(tài)分析基本理論

        固有頻率和振型為管路的固有特性,配管系統(tǒng)由多段不同厚度的銅管焊接在一起,還包含四通閥、消聲器等部件,其振動可看成一個多自由度的振動,運動微分方程[11]為

        (1)

        式中:[m],[c]和[k]分別為系統(tǒng)的質量、阻尼和剛度矩陣;{q}和{Q}分別為廣義位移列向量和廣義力列向量。

        考慮n自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動,其運動方程為

        (2)

        式(2)可展開為

        (3)

        qj=ujf。

        (4)

        式中:j=1,2,…,n,uj為一組常數(shù);f為時間相關的實函數(shù)。

        則有:

        (5)

        式中i,j=1,2,…,n。

        將式(4)代入式(3)可得:

        (6)

        式(6)左邊僅與時間相關,右邊僅與位移相關,要使等式兩邊成立,兩邊須等于1個常數(shù),假定λ使等式成立,則有:

        (7)

        式(7)的通解為f=Ccos (ωt-Ψ),式中λ=ω2,為簡諧運動的頻率的平方,C和Ψ任意常數(shù)。λ應使方程有非零解,即:

        [k]{u}-ω2[m]{u}=0。

        (8)

        式(8)有非零解的條件是行列式等于零,即:

        Δ(ω2)=|kij-ω2mij|=0。

        (9)

        對式(9)和式(8)求解,即可獲得系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)向量。

        2 空調管路有限元分析

        此次研究的樣機為變頻機,其工作頻率為16~90 Hz,故設分析的頻帶范圍的上限為100 Hz。

        將壓縮機管路系統(tǒng)的三維模型導入到有限元軟件中,對系統(tǒng)進行簡化,如圖1所示。壓縮機腳墊裝置用簡化的質量點模型簡化,在壓縮機質心處施加質量與慣性矩,橡膠腳墊用3個三向彈簧替代,質心與三向彈簧之間,質心與吸、排氣管口之間通過剛性梁連接。

        對管路系統(tǒng)抽中面,定義管路、四通閥為殼單元,賦予厚度與材料屬性。在四通閥處施加附加質量,使其質量與實際質量一致;管夾與管路做綁定約束;約束大閥門管口與冷凝管口的6個自由度。

        同時建立僅包含管路的模型Ⅱ,即去除壓縮機腳墊裝置,如圖2所示。模型Ⅱ的處理與屬性設置和模型Ⅰ一致,約束各個管口的6自由度。

        分別對2個模型進行有限元分析,求解其模態(tài),提取100 Hz以內的固有頻率,如表1所示。

        模型Ⅰ和模型Ⅱ的模態(tài)差異在低頻,由于管路約束了與壓縮機相連吸、排氣管口的自由度,故除去了壓縮機腳墊裝置的影響,低頻的剛體模態(tài)并未體現(xiàn),管路作為壓縮機管路系統(tǒng)的部分,因此其模態(tài)與壓縮機管路的模態(tài)基本吻合。

        表1 結構固有頻率

        3 模態(tài)與應力測試

        模態(tài)測試采用LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、力錘及三向加速度傳感器搭建測試系統(tǒng),如圖3所示。在管路的有限元模型中,選取模態(tài)測試的激勵點與響應點,激勵點與響應點應避開模態(tài)節(jié)點;并記錄其坐標,在LMS Test.Lab軟件中建立點線模型,如圖4所示。結合管路結構的特點以及為避免傳感器引起附加質量的影響,使用3個傳感器,進行單點激勵多點相應,在測試過程中移動傳感器,傳感器分布在不同的管路上。測試時力錘的錘擊方向盡量與參考坐標系的方向一致,盡量避免人為誤差。采用PolyMAX模塊選取頻率及計算振型,再通過Modal Validation模塊對選取的頻率進行驗證。

        測試的模態(tài)結果如表2所示。將測試的模態(tài)結果與仿真的結果進行對比,發(fā)現(xiàn)低頻第1、第5階時,模型Ⅰ的值和測試值相差較大。出現(xiàn)該種情況與腳墊的簡化和力學模型有關。空調實物上腳墊跟螺栓與機腳的約束方式為接觸,而文中簡化為三向彈簧,因此產(chǎn)生較大誤差。

        表2 結構測試固有頻率

        在管路的吸氣管的1彎側、2彎內,排氣管的1彎內、2彎內和四通閥的1彎內處粘貼三相應變片,如圖5所示。采集各個工況下各個頻率點穩(wěn)定運行10 s的應變數(shù)據(jù),依據(jù)測得應變計算出主應力,再合成等效應力。對測點處等效應力的時域數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,得到運行工況下的等效應力頻譜圖,如圖6所示。

        出現(xiàn)應力峰值點的頻率為24,28,41,45,56和76 Hz,基本出現(xiàn)在固有頻率點處。針對45 Hz應力峰值頻率點,通過在壓縮機壁面和吸、排氣管口、儲液罐上粘貼三向加速度傳感器,采集管路和壓縮機的振動數(shù)據(jù),如圖7所示。發(fā)現(xiàn)該頻率點主要由壓縮機引起,吸氣管口及儲液罐在45 Hz均出現(xiàn)振動峰值點,為壓縮機的強迫振動引起管路應力峰值。

        4 結論

        1) 建立的壓縮機管路簡化模型(模型Ⅰ)求解的模態(tài)與單管路(模型Ⅱ)模態(tài)結果基本吻合;與測試結果相比,在低頻時模型Ⅰ的模態(tài)誤差較大。該誤差主要由壓縮機橡膠腳墊的簡化造成的。若僅關注管路模態(tài),可直接用單管路(模型Ⅱ)進行有限元分析。

        2) 管路上發(fā)生應力過大的點基本在管路的固頻點附近,因此在設計前期可通過有限元分析來預測管路的模態(tài),從而在設計階段規(guī)避樣機的薄弱處或將其優(yōu)化,節(jié)省打樣時間與成本,提高效率。

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