淺談軍用空調(diào)制冷系統(tǒng)管路抗振動(dòng)、抗沖擊工藝措施

方 偉 郭立芝

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和武器裝備的發(fā)展，許多通信設(shè)備普遍采用集成電路、CPU控制、液晶顯示等高新技術(shù)，這些設(shè)備對(duì)其工作環(huán)境，特別是溫度要求比較苛刻，而裝車后通信車及其車載設(shè)備必須滿足《軍用通信車通用規(guī)范》的要求，即通信車應(yīng)能在（-40～+55）℃的環(huán)境條件下正常工作，應(yīng)能在（-50～+70）℃的環(huán)境條件下貯存。這樣車載通信設(shè)備的溫度敏感性與通信車的環(huán)境適應(yīng)性就產(chǎn)生了矛盾，為解決上述問(wèn)題，軍用空調(diào)由此誕生了。

軍用空調(diào)技術(shù)是從民用空調(diào)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。所以早期軍用空調(diào)設(shè)備基本上是由民用空調(diào)器改制而成，只是從抗振角度出發(fā)，將民用空調(diào)的自攻螺釘改成了螺栓連接；為適應(yīng)車載方式，壓縮機(jī)采用了機(jī)械限位措施；為增加空調(diào)設(shè)備耐高溫性能，加大了冷凝面積和冷凝風(fēng)量，為適應(yīng)低溫要求，取消熱泵制熱方式而采用簡(jiǎn)單的電加熱方式。

以上幾項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，基本奠定了軍用空調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)以上技術(shù)處理后的民用空調(diào)也就基本具有軍用空調(diào)設(shè)備的幾大特征，即抗振、抗沖擊，耐高溫、低溫等。這是軍用空調(diào)技術(shù)發(fā)展的第一階段，即改型軍用空調(diào)技術(shù)階段。此階段還局限于方艙用軍用空調(diào)領(lǐng)域。

自1992年開(kāi)展根據(jù)用戶需要而專門設(shè)計(jì)匹配，軍用空調(diào)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入到第二階段。為進(jìn)一步消除壓縮機(jī)的過(guò)振動(dòng)對(duì)進(jìn)出口管的影響，避震金屬軟管得到了廣泛的運(yùn)用，壓縮機(jī)限位機(jī)構(gòu)由金屬板卡箍改為柔性的鋼絲繩結(jié)構(gòu)。

自1998年初開(kāi)展某型號(hào)配套軍用空調(diào)設(shè)備開(kāi)始，軍用空調(diào)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入到第三個(gè)階段，即全面發(fā)展階段。某型號(hào)項(xiàng)目成功后，標(biāo)志軍用空調(diào)技術(shù)由單一的方艙空調(diào)技術(shù)向裝甲空調(diào)技術(shù)轉(zhuǎn)化成功。到2000年底，通過(guò)持續(xù)12年的技術(shù)探索和創(chuàng)新，已掌握了方艙、裝甲、坦克、汽車等多種軍用空調(diào)研制技術(shù)以及在抗沖擊、抗振動(dòng)方面的經(jīng)驗(yàn)，為公司后續(xù)的快速發(fā)展積累了寶貴的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文針對(duì)軍用空調(diào)系統(tǒng)管路出現(xiàn)的常見(jiàn)管路斷裂問(wèn)題進(jìn)行了原因分析，結(jié)合軍用空調(diào)在抗沖擊、抗振動(dòng)方面的實(shí)踐和摸索，相應(yīng)提出解決該問(wèn)題的有效工藝措施。

1 制冷系統(tǒng)管路存在的常見(jiàn)管路斷裂問(wèn)題

1.1 剛性連接引起的管路斷裂問(wèn)題

系統(tǒng)管路因剛性連接方式受到振動(dòng)而導(dǎo)致蒸發(fā)器管路根部斷裂的典型事例（圖1）。軍用空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量中心偏離轉(zhuǎn)軸中心而產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)以彈性波形式傳給與其連接的制冷系統(tǒng)管路，從而導(dǎo)致系統(tǒng)管路中的排氣管或回汽管（壓縮機(jī)出管與進(jìn)管名稱）長(zhǎng)時(shí)間受力振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到系統(tǒng)管路疲勞極限時(shí)，排氣管或回汽管就會(huì)出現(xiàn)斷裂，從而引起制冷劑泄漏而無(wú)法正常工作。

圖1 某型號(hào)軍用空調(diào)換熱器管路根部斷裂位置示意圖

1.2 制冷元件未固定引起的管路斷裂問(wèn)題

制冷元件未固定導(dǎo)致制冷元件根部斷裂的典型事例（圖2）。車輛在行駛過(guò)程中，因路況惡劣，軍用空調(diào)會(huì)受到車輛傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的間歇式振動(dòng)或沖擊，當(dāng)沖擊振動(dòng)幅度超過(guò)管路允許的變形極限時(shí)，系統(tǒng)管路薄弱環(huán)節(jié)就會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致制冷劑泄漏而無(wú)法正常工作。

圖2 某型號(hào)軍用空調(diào)視鏡紫銅管焊接處斷裂位置示意圖

1.3 設(shè)計(jì)缺陷引起的管路斷裂問(wèn)題

排氣管走向設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致排氣管斷裂的典型事例（圖3）。軍用空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，制冷系統(tǒng)管路受到來(lái)自壓縮機(jī)的振動(dòng)，制冷系統(tǒng)管路在壓縮機(jī)工作時(shí)一直處于受力狀態(tài)。如果制冷系統(tǒng)管路走向設(shè)計(jì)不合理或管路折彎半徑設(shè)計(jì)過(guò)小時(shí)，在制冷系統(tǒng)管路與壓縮機(jī)或其它制冷元件的焊接處為薄弱處，受力大增，會(huì)較快達(dá)到疲勞極限而出現(xiàn)管路斷裂或撕裂現(xiàn)象。

圖3 某型號(hào)軍用空調(diào)排氣管根部斷裂位置示意圖

2 解決管路斷裂的工藝措施

2.1 解決壓縮機(jī)振動(dòng)引起的排氣管或回汽管斷裂的工藝措施

振源產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)介質(zhì)傳至受振對(duì)象，從而引起管路震裂。因此，減弱壓縮機(jī)傳給支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及限制壓縮機(jī)振幅是解決該問(wèn)題最直接、最有效的工藝措施。

2.1.1 壓縮機(jī)傳給支撐結(jié)構(gòu)的控制

圖4為軍用空調(diào)壓縮機(jī)和管路由剛性連接調(diào)整為彈性連接的典型結(jié)構(gòu)。為減弱壓縮機(jī)傳給支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，可以在壓縮機(jī)與支撐結(jié)構(gòu)之間安裝彈性構(gòu)件，如彈簧、橡膠墊等，軍用空調(diào)壓縮機(jī)安裝時(shí)采用橡膠減震塊，且效果最佳。當(dāng)壓縮機(jī)安裝橡膠減震塊后，壓縮機(jī)本身的振動(dòng)會(huì)顯著增強(qiáng)，這對(duì)具有剛性連接的系統(tǒng)管路和壓縮機(jī)本身非常不利，可能導(dǎo)致系統(tǒng)管路或壓縮機(jī)損壞，因此適當(dāng)限制橡膠減震塊的振幅，以及在壓縮機(jī)進(jìn)出口處采用安裝金屬軟管或減震環(huán)等工藝措施來(lái)解決壓縮機(jī)振動(dòng)引起管路斷裂的問(wèn)題。如圖4，圖中壓縮機(jī)安裝橡膠減震墊后，采用限位銷控制壓縮機(jī)振幅，再采用鎖緊螺母防松，此結(jié)構(gòu)基本解決了壓縮機(jī)傳給支撐結(jié)構(gòu)引起的沖擊振動(dòng)；在壓縮機(jī)進(jìn)、出口處安裝金屬軟管，此結(jié)構(gòu)將排氣管、回汽管與壓縮機(jī)剛性連接變更為彈性連接，進(jìn)而從根本上解決了壓縮機(jī)自身振動(dòng)引起排氣管或回汽管因剛性連接產(chǎn)生的斷裂。

圖4 某型號(hào)軍用空調(diào)壓縮機(jī)和管路彈性連接結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 壓縮機(jī)振幅的控制

壓縮機(jī)為細(xì)長(zhǎng)型部件，其在振動(dòng)過(guò)程中和隨車行駛過(guò)程中，壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定的擺動(dòng)，因此必須控制壓縮機(jī)擺動(dòng)的幅度。如圖5，圖中壓縮機(jī)限位卡組件、鋼絲繩與壓縮機(jī)間隙均調(diào)整為3～5 mm（鋼絲繩通過(guò)鎖緊螺母固定在壓機(jī)限位卡組件上），從而有效控制了壓縮機(jī)擺幅。

圖5 某型號(hào)軍用空調(diào)控制壓縮機(jī)擺幅結(jié)構(gòu)示意圖

按GJB 1913A-2006《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》中的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，上述工藝結(jié)構(gòu)有效解決了因壓縮機(jī)振動(dòng)而造成排汽管或回汽管被震裂的問(wèn)題。

2.2 解決系統(tǒng)管路薄弱環(huán)節(jié)因受到?jīng)_擊而斷裂的工藝措施

車輛在行駛過(guò)程中，軍用空調(diào)系統(tǒng)管路會(huì)受到嚴(yán)重的沖擊。長(zhǎng)期下去，當(dāng)系統(tǒng)管路（基本為紫銅管）達(dá)到其疲勞極限時(shí)，在管路焊接處就會(huì)很容易被震裂或被震變形。為解決該問(wèn)題，本文提出了3項(xiàng)解決工藝措施：

1）加大系統(tǒng)管路壁厚。根據(jù)大量實(shí)踐，制冷系統(tǒng)管路壁厚一般采用1 mm（民用空調(diào)一般0.75 mm），以此增加系統(tǒng)管路的強(qiáng)度與剛度，提高系統(tǒng)管路抗振動(dòng)、抗沖擊的能力。

2）在系統(tǒng)管路薄弱環(huán)節(jié)加裝管夾。軍用空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器沿用民用空調(diào)的蒸發(fā)器、冷凝器結(jié)構(gòu)，其壁厚較薄，只有0.35 mm，是整個(gè)制冷系統(tǒng)較薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)近幾年沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)表明，試驗(yàn)失敗十之八九是蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出管根部斷裂。為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)采取蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出管固定方式，即將進(jìn)出管路固定到框架或者蒸發(fā)器、冷凝器管板上，避免管路在沖擊振動(dòng)中發(fā)生位移，導(dǎo)致進(jìn)出管根部斷裂，從而有效解決了蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出管根部斷裂問(wèn)題。

3）系統(tǒng)管路跨度過(guò)大或管路之間互相接觸摩擦。管路之間跨度過(guò)大，在沖擊振動(dòng)過(guò)程中，管路擺動(dòng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致管路容易震裂。一般在管路最容易擺動(dòng)的位置加管路支架，用管卡將管路固定到支架上，限制管路在沖擊、振動(dòng)過(guò)程中的擺動(dòng)幅度。對(duì)管路與管路之間的摩擦問(wèn)題，一般采用橡塑泡沫管隔振，以此防止管路之間、管路與接觸零件之間發(fā)生摩擦而導(dǎo)致管路破裂或變形等質(zhì)量問(wèn)題。

根據(jù)以上分析，圖1、圖2的管路斷裂問(wèn)題就迎刃而解了。

2.2.1 軍用空調(diào)換熱器管路根部斷裂原因分析

該型號(hào)軍用空調(diào)室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器使用的銅管為Φ7X0.27+0.15的紫銅管，管壁厚為0.27 mm；與換熱器焊接的紫銅管壁厚為1 mm，考慮到換熱器與空調(diào)框架采取剛性連接，在振動(dòng)、沖擊過(guò)程中，換熱器與框架之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，與換熱器焊接的紫銅管由于受振動(dòng)、沖擊作用會(huì)與換熱器本身產(chǎn)生微小的位移，換熱器上的紫銅管因受力產(chǎn)生微小變形，而換熱器上紫銅管因其兩邊的邊板固定，焊接點(diǎn)與邊板的距離非常近，應(yīng)力集中在邊板與換熱器紫銅管接觸處，因此導(dǎo)致?lián)Q熱器紫銅管容易在根部出去斷裂。

2.2.2 軍用空調(diào)換熱器管路根部斷裂問(wèn)題工藝優(yōu)化措施

在換熱器焊接處增加固定塊，固定塊與換熱器采取剛性連接，再將與換熱器焊接的紫銅管與固定塊焊接，使換熱器紫銅管在振動(dòng)、沖擊中不受力，讓應(yīng)力傳遞到與換熱器焊接的紫銅管，由于與換熱器焊接的紫銅管壁厚為1 mm，且該管相對(duì)較長(zhǎng)，承受應(yīng)力時(shí)比較分散，改進(jìn)后的軍用空調(diào)設(shè)備按GJB 1913A-2006《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》中的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，沒(méi)有再次發(fā)生管路斷裂現(xiàn)象（如圖6）。

圖6 換熱器端部出管固定示意圖

2.2.3 軍用空調(diào)視鏡紫銅管焊接處斷裂原因分析

視鏡處管路因視鏡懸空且視鏡較重，故該處管路為管路薄弱環(huán)節(jié)。該處管路在受到較大沖擊時(shí)，視鏡振幅大于兩端管路振幅，視鏡兩端管路焊接處會(huì)受到較大應(yīng)力，待應(yīng)力集中達(dá)到紫銅管疲勞極限時(shí)，視鏡兩端焊接處即會(huì)出現(xiàn)斷裂。

2.2.4 軍用空調(diào)視鏡紫銅管焊接處斷裂問(wèn)題工藝優(yōu)化措施

在視鏡下方添加視鏡架，將視鏡架固定在框架上，再用視鏡卡將視鏡固定在視鏡架上，使該處管路隨軍用空調(diào)框架一起振動(dòng)，消除局部應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損傷。按GJB 1913A-2006《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》中的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的軍用空調(diào)設(shè)備沒(méi)有再次發(fā)生管路斷裂現(xiàn)在（如圖7）。

2.3 解決系統(tǒng)管路因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而斷裂的工藝措施

系統(tǒng)管路走向設(shè)計(jì)不合理，往往容易發(fā)生管路斷裂。因此，在系統(tǒng)管路與壓縮機(jī)、氣液分離器或其它制冷元件連接時(shí)，不能直接連接，應(yīng)增加“減震彎”，以此增加管路撓度及增強(qiáng)管路吸震能力。因此，圖3排氣管發(fā)生斷裂就不難理解了。

2.3.1 軍用空調(diào)排氣管根部斷裂原因分析

在軍用空調(diào)設(shè)備隨車振動(dòng)過(guò)程中，壓縮機(jī)隨之振動(dòng)，為保護(hù)壓縮機(jī)內(nèi)部零件如電機(jī)、閥片等不被震壞，在壓縮機(jī)與空調(diào)底盤連接處設(shè)置減震橡膠墊，通過(guò)壓縮機(jī)外部的位移來(lái)減少壓縮機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)。此位移與振動(dòng)將傳遞到壓縮機(jī)剛性連接的排氣管上。排氣管因設(shè)計(jì)考慮不周，沒(méi)有預(yù)留“減震彎”，且管路長(zhǎng)度過(guò)短，折彎半徑過(guò)小，缺少圓弧彎曲等增加管路撓度的措施；另外，排氣管根部距排氣管被固定卡卡死處不足200 mm，位移基本被限制。所以排氣管吸收振動(dòng)能力差。當(dāng)振動(dòng)的壓縮機(jī)與基本沒(méi)有位移且撓度差的排氣管剛性連接在一起時(shí)，管路連接處必然斷裂。

2.3.2 軍用空調(diào)排氣管根部斷裂問(wèn)題工藝優(yōu)化措施

首先，增加排氣管折彎處的折彎半徑，在排氣管上設(shè)置圓弧彎曲，即“減震彎”，以提高管路撓度，增加管路吸震能力；其次，加長(zhǎng)排氣管根部至排氣管固定卡處管路長(zhǎng)度，使排氣管可以承受一定程度的位移。根據(jù)上述工藝措施重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)排氣管，按GJB 1913A-2006《軍用方艙空調(diào)設(shè)備通用規(guī)范》中的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的排氣管沒(méi)有再次發(fā)生斷裂現(xiàn)象（如圖8）。

圖8 新排氣管示意圖

3 結(jié)論

通過(guò)以上事例分析，軍用空調(diào)一般常用的解決管路斷裂的工藝措施總結(jié)如下：在冷凝器或蒸發(fā)器進(jìn)管與出管端添加管卡；在毛細(xì)管上加減振阻尼塊；在過(guò)濾器、膨脹閥或其他制冷元件處均添加支架和管卡；管路增加減震彎等，以此加強(qiáng)該薄弱處管路抗振動(dòng)、抗沖擊的能力。通過(guò)以上改進(jìn)的工藝措施，軍用空調(diào)系統(tǒng)管路出現(xiàn)的常見(jiàn)管路斷裂問(wèn)題已得到有效解決。