活塞并聯(lián)壓縮機(jī)振動(dòng)有限元分析的探討
活塞并聯(lián)式壓縮機(jī)組在在商用制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，多機(jī)并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)負(fù)荷的良好匹配。由于前期缺乏對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)定性判斷，并聯(lián)機(jī)組在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)銅管斷裂等問題，該問題將導(dǎo)致大量制冷劑氣體泄漏，從而導(dǎo)致環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)損失等情況。針對該問題，希望可以通過有限元理論分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段將問題解決。有限元數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)組的振動(dòng)情況定性分析，有限元數(shù)值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。
1、前言
制冷系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組在商用制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并聯(lián)機(jī)組由多臺活塞式壓縮機(jī)并聯(lián)組成，多臺并聯(lián)壓縮機(jī)共用吸、排氣集管及機(jī)組配件，其機(jī)組配件如油分離器、汽液分離器、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)液罐等。并聯(lián)機(jī)組可以根據(jù)蒸發(fā)器負(fù)荷變化情況來進(jìn)行靈活啟停，實(shí)現(xiàn)制冷量的多級能量調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
由于前期缺乏對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)定性判斷，并聯(lián)機(jī)組在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)銅管斷裂等問題。針對該問題，首先從機(jī)組的振動(dòng)方面入手，分析壓縮機(jī)的工作對整體結(jié)構(gòu)特性的影響。機(jī)組振動(dòng)的理論分析可以通過有限元數(shù)值模擬的方法來實(shí)現(xiàn)，有限元數(shù)值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。本文采用CATIA V5 軟件對典型的機(jī)組產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析。
2、并聯(lián)機(jī)組建模
選取典型并聯(lián)機(jī)組產(chǎn)品進(jìn)行幾何模型組建，如圖1 所示，系統(tǒng)所受到的激勵(lì)主要是由壓縮機(jī)產(chǎn)生的。目前我公司的并聯(lián)機(jī)組產(chǎn)品多采用旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機(jī)，不平衡質(zhì)量高速回轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力和慣性力矩產(chǎn)生較強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)。有限元分析的基本思想是將被分析對象分割為有限個(gè)微小單元，假定力只在有限元節(jié)點(diǎn)之間傳遞，從而將微分方程簡化為對應(yīng)的聯(lián)立方程組，從而實(shí)現(xiàn)工程問題的近似求解。真空技術(shù)網(wǎng)(genius-power.com)認(rèn)為有限元分析為計(jì)算機(jī)的復(fù)雜計(jì)算過程，對計(jì)算機(jī)的硬件要求極高，為使計(jì)算機(jī)可以滿足分析計(jì)算，需要在適當(dāng)簡化的情況下進(jìn)行三維建模。CATIA V5 軟件可自動(dòng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，越微小的結(jié)構(gòu)其網(wǎng)格劃分越細(xì)致�；诖�，在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要物理參量，如材料，尺寸，密度等準(zhǔn)確的前提下，為了方便建模，減少工作量，對系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)影響不大的細(xì)微結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>
圖1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型
3、有限元計(jì)算及結(jié)果整理
應(yīng)用有限元分析方法，將并聯(lián)機(jī)組的產(chǎn)品的銅管間施加剛性連接特性，將銅管與固定吊架之間施加柔性連接特性，將并聯(lián)機(jī)組的減震膠皮與并聯(lián)機(jī)組間施加柔性連接特性，將所有部品間定義完全后進(jìn)行有限元計(jì)算與分析。運(yùn)用有限元分析中限制狀態(tài)下固有頻率分析來對機(jī)組幾何模型進(jìn)行計(jì)算分析。其第一階模態(tài)振型圖之米塞斯等效應(yīng)力云圖如圖2 所示。
圖2 整體機(jī)組結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型
由此依次可得出并聯(lián)機(jī)組結(jié)構(gòu)前15 階的米塞斯等效應(yīng)力云圖，通過該圖我們可以得出并聯(lián)機(jī)組模型的整體固有頻率的理論數(shù)值，整體機(jī)組前15 階模態(tài)振型結(jié)果如表1。
表1 整體機(jī)組前15 階固有頻率
并聯(lián)機(jī)組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率( 激發(fā)頻率) 計(jì)算式:
f = nm/60 (1)
式中n———壓縮機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速
m———激發(fā)諧量分析階數(shù)，本機(jī)組m = 1
計(jì)算得f = 24Hz。工程上，把( 0. 8 ～ 1. 2) f 的頻率范圍作為激發(fā)頻率共振區(qū)。理論上當(dāng)管系機(jī)械固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)內(nèi)或倍頻內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)可以看出: 制冷壓縮機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的第1、2 階模態(tài)頻率低于10Hz，與激勵(lì)頻率相差較大，不會(huì)產(chǎn)生共振，影響較小; 第4 階頻率在共振區(qū)內(nèi)。第7 ～ 10 階在倍頻范圍內(nèi)。
4、現(xiàn)場實(shí)際校核及結(jié)論
為驗(yàn)證理論分析結(jié)果，采用振動(dòng)分析儀、配管振動(dòng)儀等相關(guān)設(shè)備對模型分析的產(chǎn)品進(jìn)行了現(xiàn)場測量，在壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，針對易出現(xiàn)問題的位置進(jìn)行振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作，結(jié)果如表2所示。從表2 可以看到， 24，48 以及96Hz 時(shí)振動(dòng)分析儀會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)峰值，該振動(dòng)峰值位置與有限元分析的共振區(qū)位置數(shù)值吻合，說明了有限元理論分析的合理性。通過測量數(shù)據(jù)的記錄分析，峰值數(shù)據(jù)均較小，說明在多階模態(tài)中即使有共振區(qū)的存在，但共振狀態(tài)下對機(jī)組整體振動(dòng)影響不大。
從理論分析和實(shí)際測量結(jié)果的對比可以得出并聯(lián)機(jī)組產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還算合理，無強(qiáng)烈共振區(qū)。產(chǎn)品出現(xiàn)的相關(guān)銅管斷裂及冷媒泄漏的問題，并非由于整體的共振而引起的，可以將原因歸結(jié)于局部固定不合理，部品結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中等其他問題。
表2 振動(dòng)分析儀的測量數(shù)據(jù)
