劉雪濤，宋忠義，楊慶勇，林高偉，彭崗舉，蔣占四，

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.珠海華星智能技術(shù)有限公司，廣東珠海 519000)

0 前言

在資源節(jié)約型和綠色發(fā)展的新時(shí)代背景下，對(duì)空調(diào)的低功耗、高效能要求越來(lái)越高，引發(fā)空調(diào)行業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈。家用空調(diào)器的重要、核心部件是換熱器。當(dāng)下市場(chǎng)上的家用空調(diào)器通常采用管翅式換熱器，由內(nèi)螺紋銅質(zhì)換熱管和親水鋁箔翅片組成。目前國(guó)內(nèi)主流生產(chǎn)加工設(shè)備是機(jī)械式脹管機(jī)或基于機(jī)械式脹管機(jī)改進(jìn)而來(lái)的微收縮脹管機(jī)。但機(jī)械脹管采用脹管芯軸硬力使內(nèi)螺紋銅管發(fā)生局部塑性變形，存在內(nèi)螺紋損傷、設(shè)備耗材、銅管浪費(fèi)等工藝性問(wèn)題。超高壓流體脹管技術(shù)可使銅管發(fā)生均勻塑性變形，性能穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)。液壓脹接技術(shù)采用高壓液體充入管子內(nèi)部，利用不同的液體壓力、液壓力加載路徑、保壓時(shí)間等方法對(duì)管子進(jìn)行均勻脹接，而氣壓脹接技術(shù)則是將高壓氣體充入銅管內(nèi)部，采用一定的加壓方式和保壓時(shí)間對(duì)管徑進(jìn)行脹接，2種高壓流體脹接技術(shù)均涉及到密封性問(wèn)題和密封圈拉脫力可靠性分析問(wèn)題，此為關(guān)鍵一環(huán)。顏惠庚和李培寧研究了軸向載荷對(duì)液壓脹接接頭殘余接觸壓力分布的影響，推導(dǎo)出接頭最大理論拉脫強(qiáng)度的表達(dá)式。段成紅和錢才富通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析研究了換熱器液壓脹接拉脫力大小和失效形式；研究表明:在拉力作用下，脹接接頭的破壞主要是管子與管板接觸面間的拉脫破壞。胡玉紅等進(jìn)行高溫下?lián)Q熱器管板脹接接頭的拉脫實(shí)驗(yàn)研究；當(dāng)溫度在100 ℃內(nèi),拉脫力隨溫度升高顯著增大、受脹管率影響較大。李文靜等設(shè)計(jì)了一種換熱器拉脫力檢測(cè)裝置并進(jìn)行仿真分析對(duì)比，經(jīng)過(guò)仿真研究分析檢測(cè)換熱器拉脫力是否處于合格范圍，為換熱器拉脫力仿真分析提供方法和思路。楊建強(qiáng)等對(duì)某轉(zhuǎn)向外拉桿極限拉脫力進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證仿真，結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向外拉桿的極限拉脫力滿足設(shè)計(jì)要求，外拉桿符合使用要求。類似地，管子與管板之間的拉脫力分析相關(guān)研究還包括李鶯歌等、倪鵬等人、盛國(guó)福等各位學(xué)者的研究，研究結(jié)論均能對(duì)后續(xù)業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)銅管與換熱器進(jìn)行拉脫力研究時(shí)提供文獻(xiàn)資料查詢和技術(shù)支持。

氣壓式脹管機(jī)主要采用30 MPa超高壓流體使銅管發(fā)生塑性變形，翅片發(fā)生彈性變形。當(dāng)工件泄壓后，銅管塑性變形不回彈，而翅片發(fā)生彈性變形回彈，從而使銅管和翅片發(fā)生過(guò)盈配合，保證在此過(guò)程中密封圈和銅管間的配合達(dá)到密封性、可靠性、穩(wěn)定性要求。以氣壓脹接技術(shù)中銅管與脹接氣嘴支架缸體間的接觸配合問(wèn)題為依據(jù)，通過(guò)理論研究、仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)地研究在管翅式換熱器氣壓脹管時(shí)，聚氨酯密封圈和TP2銅管之間的拉脫力大小，確保在氣脹過(guò)程中主要部件間的密封性、可靠性、穩(wěn)定性。

1 理論分析

1.1 問(wèn)題描述

空調(diào)換熱器內(nèi)螺紋銅管和鋁箔翅片氣壓式脹接技術(shù)涉及到高壓氣體的密封、銅管和脹管氣嘴接頭處的抱緊力(拉脫力)是否符合安全使用需求、高壓下密封圈的可靠性及使用壽命等問(wèn)題，是確保氣壓脹接工作正常進(jìn)行和提升效率的重要方面。在現(xiàn)有與企業(yè)合作的氣壓脹接設(shè)備中，該問(wèn)題雖然已經(jīng)通過(guò)工程師的經(jīng)驗(yàn)初步解決，但仍需要對(duì)拉脫力等問(wèn)題進(jìn)行理論分析、仿真研究及簡(jiǎn)化模型的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保后期氣脹機(jī)操作人員的安全和明確重要部件的可靠性。

簡(jiǎn)化模型如圖1所示，模型由3個(gè)零件組成：銅管(TP2紫銅)、密封圈(聚氨酯)和支架缸體(結(jié)構(gòu)鋼)；銅管和密封圈的接觸設(shè)置為有摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)定為0.2，銅管與支架缸體的接觸設(shè)置為無(wú)摩擦接觸，密封圈與缸體的接觸設(shè)置為有摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)定為0.2。給定密封圈一個(gè)壓力，大小在1 500～2 000 N之間，測(cè)量密封圈在不同壓縮量下，對(duì)應(yīng)的拉脫力值。

圖1 原理分析

1.2 理論分析

由圖1可知:銅管的密封拉力本質(zhì)上等同于銅管與密封圈的摩擦力。銅管與密封圈的接觸面存在摩擦關(guān)系，密封圈對(duì)銅管的抱緊力越大，銅管的密封拉力越大。密封圈上下2個(gè)端面及周圍外壁均有限制，其中一個(gè)端面受到壓力的作用，另一端面與套筒頂部接觸，密封圈受壓后被限制住，密封圈的周圍外壁同樣被套筒限制。因此對(duì)密封圈施加壓力越大，密封圈的壓縮量越大，其對(duì)銅管的抱緊力越大，所需的拉脫力也就越大。

試驗(yàn)狀態(tài)下：密封圈外圈端面面積：=π=3.14×5.5mm=94.985×10m；密封圈內(nèi)圈端面面積：=π=3.14×3.5mm=38.465×10m；密封圈受壓面積：=-=94.985-38.465=56.52mm。公式=,式中：為壓力；為施加力；為受壓面積。當(dāng)密封圈端面受到1 000、1 500、2 000 N的施加力時(shí)，轉(zhuǎn)換成密封圈的壓力分別為17.69、26.54、35.39 MPa。

2 仿真分析

2.1 有限元建模

SolidWorks軟件設(shè)計(jì)仿真模型并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，模型由3個(gè)零件組成:銅管(TP2紫銅)、密封圈(聚氨酯)和支架缸體(結(jié)構(gòu)鋼),簡(jiǎn)化模型2D圖的主要幾何尺寸和等軸側(cè)視圖如圖2所示，零件材料屬性參數(shù)如表1所示。

圖2 簡(jiǎn)化模型

表1 模型零件材料屬性

2.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

在固定密封圈施加力為1 500 N時(shí)，分別設(shè)置網(wǎng)格大小為1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 mm，查看網(wǎng)格劃分情況(以覆蓋兩層網(wǎng)格線為標(biāo)準(zhǔn)，施加1 500 N、密封圈0.5 mm網(wǎng)格云圖如圖3所示)，及查看對(duì)應(yīng)的銅管受到的最大力、密封圈的壓縮量等數(shù)據(jù)，如表2所示?？芍壕W(wǎng)格大小在1～0.4 mm之間對(duì)于密封圈壓縮量大小幾乎沒(méi)有影響，對(duì)于銅管受力的影響也不大，因此最終確定選用0.5 mm網(wǎng)格作為有限元仿真試驗(yàn)的網(wǎng)格單元大小，整體網(wǎng)格劃分如圖4所示。因模型簡(jiǎn)單，3個(gè)零件的單元類型全部設(shè)置為三維六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的全部單元節(jié)點(diǎn)為122 592，全部單元數(shù)為64 347，全部體單元數(shù)為47 392。

圖3 施加1 500 N密封圈0.5 mm網(wǎng)格云圖

表2 不同網(wǎng)格劃分對(duì)比

圖4 整體劃分0.5 mm網(wǎng)格單元

2.3 邊界條件及載荷分析

Frictionless用于模擬無(wú)摩擦的單邊接觸。所謂單邊接觸，一旦2個(gè)物體之間出現(xiàn)了分離，則法向力就為零。因此當(dāng)外力發(fā)生改變時(shí)，接觸面之間可能會(huì)分開(kāi)，也可能會(huì)閉合。這種情況下假設(shè)摩擦因數(shù)為零，即當(dāng)發(fā)生切向相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，沒(méi)有摩擦力。

Frictional：有摩擦的接觸。這是最實(shí)際的情況，2個(gè)接觸面之間既可以法向分離，也可以切向滑動(dòng)，當(dāng)切向外力大于最大靜摩擦力后，發(fā)生切向滑動(dòng)。一旦發(fā)生切向滑動(dòng)后，會(huì)在接觸面之間出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦力，該滑動(dòng)摩擦力要根據(jù)正壓力和摩擦因數(shù)來(lái)計(jì)算，此時(shí)需要用戶輸入摩擦因數(shù)。

此模型分析中，銅管和密封圈之間的接觸類型為Frictional，摩擦因數(shù)為0.2；銅管和支架缸體之間的接觸類型為Frictionless；密封圈和支架缸體之間的接觸類型為Frictional，摩擦因數(shù)為0.2。ANSYS有限元分析中，銅管和支架缸體的邊界條件設(shè)置為固定支承，對(duì)密封圈施加1 500～2 000 N的壓力，求銅管的固定支承產(chǎn)生的支座反力如圖5所示，數(shù)值大小如圖6所示，支座反力大小即為抱緊力的大小。

圖5 有限元分析支座反力

圖6 支座反力數(shù)值大小

2.4 有限元分析結(jié)果

有限元仿真分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示，可知：當(dāng)密封圈受力為1 500～2 000 N范圍時(shí)，網(wǎng)格大小統(tǒng)一設(shè)置為0.5 mm，隨著密封圈受到的壓力逐漸增加，銅管受到的最大力和密封圈的壓縮量也呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，仿真分析符合實(shí)際情況。

表3 有限元分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

在氣壓式空調(diào)換熱器銅管和翅片的實(shí)際脹接工況中，用于氣脹的高壓氣體氣路分為兩路:一路用來(lái)充入銅管內(nèi)部，使其產(chǎn)生的高壓流體對(duì)銅管進(jìn)行均勻脹管;另一路高壓氣體作用于推力桿上，產(chǎn)生使密封圈抱緊銅管的作用力。兩路氣體同時(shí)作用方可進(jìn)行氣壓脹接操作。套筒內(nèi)部和銅管處存在高壓氣體，密封圈受到高壓氣體產(chǎn)生的壓力對(duì)推力桿作用的推力。密封圈受壓時(shí)，銅管內(nèi)部有高壓氣體反作用于銅管內(nèi)壁抵抗密封圈對(duì)銅管的抱緊力，使得銅管不會(huì)發(fā)生破壞。

故在此簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，此次試?yàn)采用一個(gè)推力來(lái)模擬高壓氣體對(duì)密封圈產(chǎn)生的壓力。由于試驗(yàn)中銅管內(nèi)部沒(méi)有高壓氣體作用于銅管內(nèi)壁抵抗密封圈因受壓產(chǎn)生的抱緊力，若直接采用中空銅管進(jìn)行試驗(yàn)，銅管會(huì)產(chǎn)生受壓破壞失效，如圖7所示。因此采用一個(gè)直徑為7 mm的銅棒(材質(zhì)相同)，代替實(shí)際的7 mm銅管，為了盡可能還原實(shí)際工況，采用圖8所示的試驗(yàn)原理。推力桿對(duì)密封圈施加一個(gè)推力代替壓力，當(dāng)預(yù)設(shè)一個(gè)推力大小(由推力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量)并且達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，密封圈受到推力桿產(chǎn)生的推力受壓變形抱緊銅棒，此時(shí)產(chǎn)生密封圈對(duì)銅棒的抱緊力，再對(duì)銅棒施加一個(gè)用來(lái)拉脫銅棒與密封圈的拉力(由拉力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量)，隨著拉力的增大，當(dāng)大于等于密封圈與銅棒的最大靜摩擦力時(shí)，銅棒發(fā)生移動(dòng)，密封圈與銅棒的摩擦力由靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，隨著銅棒的移動(dòng)，銅棒與密封圈的接觸面積越來(lái)越小，拉力也越來(lái)越小。

圖7 銅管受壓破壞失效 圖8 試驗(yàn)原理

3.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖9所示的試驗(yàn)平臺(tái)。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)

圖9(a)為設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)的三維模型，圖9(b)為實(shí)際操作試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)中的推力和拉力分別用力傳感器測(cè)量大小，傳感器通過(guò)連接?xùn)|華測(cè)試儀，再運(yùn)用測(cè)試系統(tǒng)軟件對(duì)推力和拉力傳感器進(jìn)行力的信號(hào)采集，采集頻率為100 Hz。具體試驗(yàn)步驟：

(1)試驗(yàn)裝置臺(tái)的搭建。銅棒與密封圈、推力桿及套筒等按照三維模型搭建裝配好，力傳感器分別與東華測(cè)試儀通道1和通道9相連接。

(2)力的施加與采集。通過(guò)推力施加器(如千斤頂)施加推力給密封圈，的大小根據(jù)力傳感器確定，待達(dá)到目標(biāo)值大小后，對(duì)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。通過(guò)裝置上方的拉力施加器(如旋轉(zhuǎn)手輪)對(duì)銅棒施加一個(gè)拉力，當(dāng)銅棒完全脫離密封圈后，結(jié)束信號(hào)采集。

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。通過(guò)東華測(cè)試儀導(dǎo)出采集的推力和拉力信號(hào)，并用MATLAB顯示數(shù)據(jù)圖像信號(hào)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)步驟，做多組不同推力下的拉力試驗(yàn)。理論上，在密封拉力施力到銅棒被拉出的過(guò)程中，所采集到的密封拉力信號(hào)近似一個(gè)矩形脈沖信號(hào)。銅棒有一小段長(zhǎng)度是伸入密封圈里面，當(dāng)密封拉力達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，銅棒開(kāi)始移動(dòng)，此時(shí)銅棒與密封圈內(nèi)圈接觸面積不變，密封拉力一段時(shí)間保持不變;隨著銅棒的移動(dòng)距離增大，銅棒與密封圈內(nèi)圈接觸面積變小，密封圈與銅棒脫離的部分變形加劇，抵消掉一部分推力，所以推力逐漸變小，密封拉力隨著接觸面積的減小也逐漸變小。

重復(fù)共計(jì)近50組的推力拉力測(cè)試試驗(yàn)，圖10所示為其中4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)用MATLAB圖表顯示的推力拉力關(guān)系圖。可以看出：試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析較吻合，與仿真分析數(shù)據(jù)較匹配，仿真分析存在理想化誤差，試驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差，測(cè)試平臺(tái)多為人為操作，故存在人為因素誤差。但綜合考慮，此次自設(shè)平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果較為滿意。

圖10 推力拉力關(guān)系

4 結(jié)論

在空調(diào)管翅式換熱器氣壓脹接技術(shù)上，密封圈和銅管抱緊力的確定是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。采用此次研究的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真分析并通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而在理論和試驗(yàn)中確定了抱緊力的大小，為工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

試驗(yàn)平臺(tái)裝置較為簡(jiǎn)單，存在一些誤差是可以接受的，試驗(yàn)中推力和拉力的施加沒(méi)有采用勻速旋轉(zhuǎn)加力裝置，可改進(jìn)方面很多，但通過(guò)此試驗(yàn)平臺(tái)，仍完成了此次研究的試驗(yàn)分析。

在此基礎(chǔ)上，為了推進(jìn)換熱器氣脹技術(shù)的研發(fā)和工程應(yīng)用，還需對(duì)密封圈的性能問(wèn)題，如使用壽命等，作進(jìn)一步的研究，即使不采用此次研究的模型進(jìn)行氣脹機(jī)設(shè)計(jì)，目前研究熱門的小管徑高壓流體的均勻脹管仍避免不了密封相關(guān)問(wèn)題的分析。