活塞并聯(lián)壓縮機振動(dòng)有限元分析的探討

　　活塞并聯(lián)式壓縮機組在在商用制冷領(lǐng)域應用廣泛，多機并聯(lián)可實(shí)現制冷系統負荷的良好匹配。由于前期缺乏對產(chǎn)品結構的動(dòng)力學(xué)響應定性判斷，并聯(lián)機組在實(shí)際使用中會(huì )出現銅管斷裂等問(wèn)題，該問(wèn)題將導致大量制冷劑氣體泄漏，從而導致環(huán)境污染，經(jīng)濟損失等情況。針對該問(wèn)題，希望可以通過(guò)有限元理論分析在產(chǎn)品設計階段將問(wèn)題解決。有限元數值模擬可實(shí)現對并聯(lián)機組的振動(dòng)情況定性分析，有限元數值模擬分析法是分析解決工程問(wèn)題快速、行之有效的方法。

1、前言

　　制冷系統并聯(lián)機組在商用制冷領(lǐng)域應用廣泛。并聯(lián)機組由多臺活塞式壓縮機并聯(lián)組成，多臺并聯(lián)壓縮機共用吸、排氣集管及機組配件，其機組配件如油分離器、汽液分離器、控制系統、儲液罐等。并聯(lián)機組可以根據蒸發(fā)器負荷變化情況來(lái)進(jìn)行靈活啟停，實(shí)現制冷量的多級能量調節，可實(shí)現系統的節能運轉。

　　由于前期缺乏對產(chǎn)品結構的動(dòng)力學(xué)響應定性判斷，并聯(lián)機組在實(shí)際使用中會(huì )出現銅管斷裂等問(wèn)題。針對該問(wèn)題，首先從機組的振動(dòng)方面入手，分析壓縮機的工作對整體結構特性的影響。機組振動(dòng)的理論分析可以通過(guò)有限元數值模擬的方法來(lái)實(shí)現，有限元數值模擬分析法是分析解決工程問(wèn)題快速、行之有效的方法。本文采用CATIA V5 軟件對典型的機組產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析。

2、并聯(lián)機組建模

　　選取典型并聯(lián)機組產(chǎn)品進(jìn)行幾何模型組建，如圖1 所示，系統所受到的激勵主要是由壓縮機產(chǎn)生的。目前我公司的并聯(lián)機組產(chǎn)品多采用旋轉活塞壓縮機，不平衡質(zhì)量高速回轉時(shí)的慣性力和慣性力矩產(chǎn)生較強烈的機械振動(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點(diǎn)之間傳遞，從而將微分方程簡(jiǎn)化為對應的聯(lián)立方程組，從而實(shí)現工程問(wèn)題的近似求解。真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)認為有限元分析為計算機的復雜計算過(guò)程，對計算機的硬件要求極高，為使計算機可以滿(mǎn)足分析計算，需要在適當簡(jiǎn)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，越微小的結構其網(wǎng)格劃分越細致�；�于此，在保證系統結構主要物理參量，如材料，尺寸，密度等準確的前提下，為了方便建模，減少工作量，對系統的動(dòng)力學(xué)響應影響不大的細微結構做適當的簡(jiǎn)化處理。

圖1 整體結構有限元模型

3、有限元計算及結果整理

　　應用有限元分析方法，將并聯(lián)機組的產(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)機組的減震膠皮與并聯(lián)機組間施加柔性連接特性，將所有部品間定義完全后進(jìn)行有限元計算與分析。運用有限元分析中限制狀態(tài)下固有頻率分析來(lái)對機組幾何模型進(jìn)行計算分析。其第一階模態(tài)振型圖之米塞斯等效應力云圖如圖2 所示。

圖2 整體機組結構第一階模態(tài)振型

　　由此依次可得出并聯(lián)機組結構前15 階的米塞斯等效應力云圖，通過(guò)該圖我們可以得出并聯(lián)機組模型的整體固有頻率的理論數值，整體機組前15 階模態(tài)振型結果如表1。

表1 整體機組前15 階固有頻率

　　并聯(lián)機組的往復運動(dòng)頻率( 激發(fā)頻率) 計算式:

f = nm/60 (1)

　　式中n———壓縮機的主軸轉速

　　m———激發(fā)諧量分析階數，本機組m = 1

　　計算得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。理論上當管系機械固有頻率落在激發(fā)頻率共振區內或倍頻內時(shí)，會(huì )發(fā)生結構共振。根據表1 的數據可以看出: 制冷壓縮機組整體結構的第1、2 階模態(tài)頻率低于10Hz，與激勵頻率相差較大，不會(huì )產(chǎn)生共振，影響較小; 第4 階頻率在共振區內。第7 ～ 10 階在倍頻范圍內。

4、現場(chǎng)實(shí)際校核及結論

　　為驗證理論分析結果，采用振動(dòng)分析儀、配管振動(dòng)儀等相關(guān)設備對模型分析的產(chǎn)品進(jìn)行了現場(chǎng)測量，在壓縮機啟動(dòng)運轉過(guò)程中，針對易出現問(wèn)題的位置進(jìn)行振動(dòng)相關(guān)數據采集工作，結果如表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 )出現振動(dòng)峰值，該振動(dòng)峰值位置與有限元分析的共振區位置數值吻合，說(shuō)明了有限元理論分析的合理性。通過(guò)測量數據的記錄分析，峰值數據均較小，說(shuō)明在多階模態(tài)中即使有共振區的存在，但共振狀態(tài)下對機組整體振動(dòng)影響不大。

　　從理論分析和實(shí)際測量結果的對比可以得出并聯(lián)機組產(chǎn)品的整體結構設計還算合理，無(wú)強烈共振區。產(chǎn)品出現的相關(guān)銅管斷裂及冷媒泄漏的問(wèn)題，并非由于整體的共振而引起的，可以將原因歸結于局部固定不合理，部品結構存在應力集中等其他問(wèn)題。

表2 振動(dòng)分析儀的測量數據