基于有限元分析的風(fēng)冷冷水機(jī)組減振墊選型計(jì)算

任超，岳建軍

（特靈科技亞太研發(fā)中心，江蘇 太倉(cāng) 215400）

0 引言

風(fēng)冷冷水機(jī)組是大型商用中央空調(diào)中常見(jiàn)的一類(lèi)產(chǎn)品，較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)使其廣受市場(chǎng)青睞。由于采用的是和空氣進(jìn)行熱交換的方式，所以風(fēng)冷冷水機(jī)組通常會(huì)被放置在屋頂、陽(yáng)臺(tái)等處。壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振源頻率比較豐富，它們的組合能使幾噸重的設(shè)備發(fā)生振動(dòng)，從而使樓層下的室內(nèi)環(huán)境噪聲嚴(yán)重增加[1]，影響使用者的舒適度。通過(guò)在機(jī)組底部增加橡膠減振墊可有效阻隔振動(dòng)的傳遞，這種減振方法通常稱之為主動(dòng)減振法。橡膠材料在受到?jīng)_擊時(shí)能將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，因而具有良好的減振和降噪性能[2]。所以在實(shí)際使用中，通常建議客戶安裝減振墊來(lái)降低機(jī)組振動(dòng)對(duì)屋頂?shù)孛娴挠绊憽?/p>

圖1所示為某型號(hào)風(fēng)冷冷水機(jī)組，其底面框架安裝有數(shù)個(gè)減振墊。該機(jī)組的減振墊為氯丁橡膠材料，在其變形時(shí)能有效吸收機(jī)械能，有特別好的耐大氣老化性、耐熱老化性，適用于長(zhǎng)年累月暴露在室外的地方[3]。

圖1 風(fēng)冷冷水機(jī)組及其減振墊

1 現(xiàn)場(chǎng)失效問(wèn)題描述

根據(jù)售后維修人員反饋的信息，客戶現(xiàn)場(chǎng)某風(fēng)冷冷水機(jī)組在安裝好減振墊后發(fā)現(xiàn)機(jī)組的水平度較差，較差的水平度會(huì)引起蒸發(fā)器內(nèi)液位不平，從而影響制冷系統(tǒng)正常工作。在排除地面水平度的影響之后，初步判定是因?yàn)闇p振墊的變形量不均勻，導(dǎo)致機(jī)組底盤(pán)橫梁在長(zhǎng)度方向上有高度差，從而造成機(jī)組水平度變差。該機(jī)組主要包括位于底盤(pán)上的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、油分及其連接管路、安裝于框架上部的冷凝器。機(jī)組的簡(jiǎn)化三維模型及減振墊的分布如圖2所示，其中底盤(pán)橫梁下面的方塊代表減振墊。該機(jī)組使用8個(gè)減振墊，對(duì)稱分布于機(jī)組寬度方向上。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)失效機(jī)組及減振墊分布

圖3所示為客戶現(xiàn)場(chǎng)照片，左圖中減振墊的壓縮量較大，而右圖中減振墊的壓縮量較小。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)，機(jī)組底盤(pán)橫梁在長(zhǎng)度方向上的高度差為5 mm，已大于產(chǎn)品安裝手冊(cè)中所允許的最大值。

圖3 客戶現(xiàn)場(chǎng)的減振墊變形

2 失效原因分析

風(fēng)冷冷水機(jī)組水平度較差主要是由減振墊的變形不均引起的，減振墊的變形量與其型號(hào)及所承受的重力有直接關(guān)系。從機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面看，主要有以下幾點(diǎn)原因造成了上述問(wèn)題：1）機(jī)組質(zhì)量分布不均勻。該機(jī)組長(zhǎng)度約為6.1 m，質(zhì)量約為5000 kg。從圖2中可看出，冷凝器部分質(zhì)量分布較均勻。但由于壓縮機(jī)和蒸發(fā)器的質(zhì)量較大，約占整體質(zhì)量的45%，導(dǎo)致機(jī)組底部的質(zhì)量主要集中在該區(qū)域，即1～6號(hào)減振墊所在區(qū)域，而最右側(cè)的7號(hào)和8號(hào)減振墊承擔(dān)的質(zhì)量較小。2）減振墊位置分布不合理。當(dāng)前的減振墊位置分布并不是最優(yōu)的方案（需兼顧其它采用同樣底盤(pán)設(shè)計(jì)的機(jī)組），這就造成了各個(gè)位置的減振墊受力不均勻。3）減振墊的型號(hào)單一。出于成本及現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷考慮，對(duì)同一個(gè)機(jī)組選取同一種型號(hào)的減振墊，容易導(dǎo)致各個(gè)減振墊變形不均。

以上原因中，機(jī)組的結(jié)構(gòu)布局需要考慮同系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，質(zhì)量分布不便于調(diào)整。減振墊的位置和型號(hào)可通過(guò)有限元仿真計(jì)算來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

3 有限元模型的創(chuàng)建

3.1 簡(jiǎn)化機(jī)組模型

利用ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)風(fēng)冷冷水機(jī)組的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將幾何模型轉(zhuǎn)化為仿真分析所需的有限元模型。去除質(zhì)量較輕的管路、閥等零部件，保留質(zhì)量較重的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等。簡(jiǎn)化后的空調(diào)機(jī)組有限元模型由實(shí)體單元和殼單元組成。壓縮機(jī)采用實(shí)體單元；蒸發(fā)器的管板采用實(shí)體單元，筒體采用殼單元；冷凝器的盤(pán)管采用實(shí)體單元，鈑金件采用殼單元；機(jī)組的底盤(pán)、立柱等框架部分均是鈑金件，采用殼單元。調(diào)整各主要部件的質(zhì)量，使其和實(shí)際質(zhì)量相同。

3.2 創(chuàng)建接觸

機(jī)組的框架結(jié)構(gòu)多為鈑金件，鈑金之間為自攻釘連接，吸排氣管路之間等多為焊接，均可采用ANSYS Workbench軟件中的“Bonded”接觸來(lái)模擬。該接觸不允許面或線間有相對(duì)滑動(dòng)或分離。分別創(chuàng)建壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等部件的接觸，將其連接在機(jī)組框架上。對(duì)于自攻釘連接，設(shè)置為“孔對(duì)孔”的接觸方式；對(duì)于管路焊接，設(shè)置為“面對(duì)面”的接觸方式。創(chuàng)建好接觸后，各個(gè)零部件之間相互連接，模型中不應(yīng)該有未約束的零件。

3.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到有限元模型求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性，過(guò)于精細(xì)的網(wǎng)格可以提高結(jié)果的精確度，但同時(shí)會(huì)耗用較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。對(duì)于風(fēng)冷機(jī)組減振墊的仿真計(jì)算，主要目的是得到減振墊上的變形量及支反力，并不關(guān)心結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，因此在保證有限元模型能正確求解的前提下，網(wǎng)格質(zhì)量要求可稍作降低。劃分完網(wǎng)格的機(jī)組模型如圖4所示。

圖4 帶網(wǎng)格的機(jī)組有限元模型

3.4 設(shè)置載荷及邊界條件

風(fēng)冷冷水機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，只承受重力載荷，取重力加速度為9.81 N/kg，在有限元模型中，僅有機(jī)組底部的彈簧是被地面約束，即機(jī)組僅在垂直方向上有約束而在水平方向上是自由的，因此需要添加額外的約束來(lái)避免結(jié)構(gòu)在水平方向上產(chǎn)生剛體位移。

4 減振墊變形量計(jì)算

4.1 當(dāng)前減振墊計(jì)算

某風(fēng)冷冷水機(jī)組橡膠減振墊型號(hào)如表1所示。從表1中可看出，3種型號(hào)的減振墊所允許的最大承重不同，但在最大承重下的壓縮變形量相同（均為12.7 mm）。在仿真計(jì)算中將其假設(shè)為線性材料，則不同型號(hào)的減振墊對(duì)應(yīng)的剛度也不同。當(dāng)前機(jī)組選用的是B型減振墊。

表1 減振墊型號(hào)

在ANSYS Workbench軟件中創(chuàng)建“Body-Ground”彈簧單元來(lái)模擬減振墊[4]。彈簧長(zhǎng)度即為減振墊的高度，彈簧剛度即為B型減振墊剛度80 kg/mm。

計(jì)算風(fēng)冷機(jī)組在重力作用下的響應(yīng)，是一個(gè)線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，力學(xué)方程為

式中：K為機(jī)組的剛度矩陣；X為機(jī)組的位移矩陣；F為載荷矩陣。

ANSYS Workbench軟件中采用直接求解法或迭代求解法得到位移矩陣解。本例中有8個(gè)減振墊，計(jì)算其承重（或其上的支反力，共8個(gè)未知量）是一個(gè)典型的超靜定問(wèn)題，解決這類(lèi)超靜定問(wèn)題就需要考慮底盤(pán)的變形協(xié)調(diào)因素，而減振墊剛度的改變會(huì)影響變形協(xié)調(diào)方程，從而影響支反力的重新分布[5-6]。在ANSYS Workbench軟件計(jì)算時(shí)已考慮變形協(xié)調(diào)，不再贅述。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，提取各彈簧的支反力及變形，即各位置減振墊的承重及變形，如表2所示。

表2 當(dāng)前減振墊承重及變形

從結(jié)果可看出，該機(jī)組的減振墊最大承重為777 kg，小于B型減振墊所允許的最大值（1020 kg）。最大變形在1號(hào)減振墊位置，最小變形在7號(hào)減振墊位置，兩者相差4.1 mm。機(jī)組底盤(pán)橫梁在豎直方向上的位移如圖5所示，豎直方向最大位移為10.6 mm，最小位移為5.0 mm。水平度差值為5.6 mm，和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組失效情況吻合。

圖5 當(dāng)前機(jī)組底盤(pán)橫梁豎直位移

4.2 改進(jìn)減振墊計(jì)算

為了減小各個(gè)減振墊之間變形的差異，保持機(jī)組底盤(pán)橫梁的水平度，可以從以下兩方面進(jìn)行改善：1）調(diào)整減振墊位置。利用有限元分析迭代計(jì)算出減振墊分布的最優(yōu)位置，盡可能使每個(gè)位置受力均勻。2）調(diào)整減振墊型號(hào)。根據(jù)有限元分析計(jì)算得到每個(gè)減振墊位置的實(shí)際承載情況，使用不同型號(hào)（剛度）的減振墊。

由于本次屬于客戶現(xiàn)場(chǎng)已發(fā)生的問(wèn)題，調(diào)整安裝位置需要重新配打安裝孔，工作量較大，且現(xiàn)場(chǎng)操作不方便，故采用第二種改善措施。

從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，5～8號(hào)減振墊的實(shí)際承載質(zhì)量較輕，小于A型減振墊的最大承載（680 kg），故可將其型號(hào)換為剛度更小的A型。更換型號(hào)后，仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)減振墊承重及變形

更改減振墊型號(hào)后，各個(gè)點(diǎn)的承重發(fā)生了一定的變化。從計(jì)算結(jié)果可以看出，最大變形的減振墊在6點(diǎn)，最小在2點(diǎn)，其差值僅有1.2 mm。機(jī)組底盤(pán)橫梁在豎直方向上的位移如圖6所示，豎直方向最大位移為10.2 mm, 最小位移為8.8 mm。水平度差值為1.4 mm。相比于當(dāng)前設(shè)計(jì)，機(jī)組水平度改善了75%。

圖6 改進(jìn)后機(jī)組底盤(pán)橫梁豎直位移

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于風(fēng)冷冷水中央空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)，減振墊的選型和分布是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，會(huì)影響到客戶的安裝及使用效果。本文針對(duì)客戶現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的機(jī)組水平度問(wèn)題，通過(guò)有限元仿真計(jì)算，確定該問(wèn)題是由于個(gè)別位置減振墊選型不當(dāng)造成的。通過(guò)更換減振墊型號(hào)可以有效解決這一現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。為了保證機(jī)組安裝后的水平度，建議從以下兩方面來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)：1）合理布置減振墊的位置。可采用有限元方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各個(gè)位置的減振墊受力均勻，從而確保機(jī)組的水平；2）針對(duì)不同位置減振墊受力差異較大的情況，可選擇不同的型號(hào)（剛度）的減振墊，使各個(gè)位置的減振墊壓縮變形均勻，從而確保機(jī)組的水平。