冷水機(jī)配管的動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化

李芳溪 胡 濤 汪 峰 鄒惠芬 厲 虹

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.杭州三花微通道換熱器有限公司，浙江 杭州 310018；3.三花新能源熱管理科技（杭州）有限公司，浙江 杭州 310018）

對(duì)制冷空調(diào)設(shè)備來(lái)說(shuō)，振動(dòng)和噪聲是關(guān)系到設(shè)備性能的兩個(gè)主要因素。設(shè)備的振動(dòng)主要來(lái)源是壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)因其振幅較大，且與換熱器間通過(guò)管路連接，除了由振動(dòng)引發(fā)噪聲以外，還可能由于振動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生過(guò)大的、管路無(wú)法長(zhǎng)期承受的應(yīng)力和位移，導(dǎo)致管路泄漏和斷裂，從而造成設(shè)備停機(jī)，引發(fā)更嚴(yán)重的后果，如何解決這一隱患成為行業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員需要面對(duì)的問(wèn)題。通常在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員會(huì)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)完成對(duì)管路走向、彎曲半徑、彎曲位置等布置，并在樣機(jī)組裝完成后由測(cè)試人員根據(jù)設(shè)備工況進(jìn)行壓縮機(jī)管路振動(dòng)應(yīng)力等型式試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。上述設(shè)計(jì)流程對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)水平要求極高，一旦發(fā)生疏漏，便成為產(chǎn)品快速開發(fā)的阻礙，也會(huì)增加相關(guān)成本。

楊靖[1]使用ANSYS對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)壓縮機(jī)和管路整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析，完成了對(duì)空調(diào)外機(jī)壓縮機(jī)管路的設(shè)計(jì)優(yōu)化。盧劍偉等[2]比較有限元分析和單體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，得知了壓縮機(jī)的振動(dòng)特性，通過(guò)假定的壓縮機(jī)激勵(lì)完成了整體有限元分析和管路優(yōu)化。金濤等[3]開發(fā)了順序?yàn)槿S設(shè)計(jì)、多種有限元分析、管路優(yōu)化、樣機(jī)測(cè)試、管路再優(yōu)化的管路設(shè)計(jì)流程。楊元濤[4]綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析結(jié)果，使用VC++開發(fā)了綜合多個(gè)軟件的壓縮機(jī)管路振動(dòng)分析程序。劉曉明等[5]通過(guò)管路應(yīng)力測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析用于管路振動(dòng)優(yōu)化的有效性。孔祥強(qiáng)等[6]對(duì)管道內(nèi)部氣柱模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，驗(yàn)證了管路長(zhǎng)度和支撐數(shù)目對(duì)優(yōu)化的影響。雷朋飛等[7]使用Solidworks作為有限元分析軟件，在熱泵系統(tǒng)中完成了振動(dòng)測(cè)試布點(diǎn)的優(yōu)化。李政等[8]結(jié)合ODS測(cè)試與諧響應(yīng)分析，優(yōu)化了壓縮機(jī)單體設(shè)計(jì)，同時(shí)得出了該系列滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)殼體表面的振動(dòng)分布規(guī)律。

本研究以雙系統(tǒng)冷水機(jī)作為優(yōu)化對(duì)象，使用Solidworks和ANSYS完成了壓縮機(jī)吸、排氣管路振動(dòng)的仿真、分析和優(yōu)化。

1 壓縮機(jī)吸排氣管路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)步驟

壓縮機(jī)吸排氣管路產(chǎn)生振動(dòng)有兩個(gè)主要原因，一是管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，二是壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)傳遞到管路上。

小型制冷設(shè)備中一般使用渦旋式壓縮機(jī)或滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，制冷劑在管路中以氣態(tài)或氣液混合狀態(tài)存在，且液態(tài)所占比例較小，故而由介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力不作為主要因素，在實(shí)際分析中可以忽略。作為本文分析對(duì)象的設(shè)備中使用了帶有氣液分離器的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)具有一定規(guī)律。

綜合對(duì)比：切向振動(dòng)＞徑向振動(dòng)＞軸向振動(dòng)。

切向振動(dòng)：有距離氣液分離器越遠(yuǎn)，切向振動(dòng)越劇烈的趨勢(shì)；相位相近的點(diǎn)在壓縮機(jī)振動(dòng)中會(huì)幾乎同時(shí)達(dá)到最大振幅。

徑向振動(dòng)：上端振動(dòng)＞下端振動(dòng)＞中間振動(dòng)。

壓縮機(jī)管路振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)管路振動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

對(duì)壓縮機(jī)管路按照?qǐng)D1的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化：用三維建模軟件建立壓縮機(jī)及吸排氣管路的裝配體模型；用仿真分析軟件分別對(duì)進(jìn)氣、排氣管路進(jìn)行模態(tài)分析；將管路模態(tài)頻率與壓縮機(jī)工作頻率對(duì)比，判斷是否優(yōu)化管路并重新進(jìn)行模態(tài)分析；將壓縮機(jī)與吸排氣管路整體進(jìn)行諧響應(yīng)分析；判斷最大應(yīng)力是否可接受，根據(jù)是否優(yōu)化管路并重新進(jìn)行模態(tài)分析；按流程重復(fù)優(yōu)化和分析過(guò)程直到獲得滿意結(jié)果。

2 壓縮機(jī)吸排氣管路優(yōu)化

2.1 管路初步設(shè)計(jì)建模和有限元分析前處理

為簡(jiǎn)化設(shè)備的管路設(shè)計(jì)和裝配制造過(guò)程，建模中暫不考慮配重塊和減振膠的應(yīng)用。

對(duì)壓縮機(jī)吸排氣管路根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用Solidworks連接。為提高有限元分析計(jì)算速度，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，包括將壓縮機(jī)頂部凸起、壓縮機(jī)自帶的氣液分離器、壓縮機(jī)上的附件等進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除管路上的傳感器等零件。

壓縮機(jī)管路的初始設(shè)計(jì)模型及簡(jiǎn)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)管路初始設(shè)計(jì)模型及簡(jiǎn)化結(jié)果

2.2 管路模態(tài)分析及優(yōu)化

進(jìn)行模態(tài)分析的目的主要是排除共振的風(fēng)險(xiǎn)，模態(tài)分析是進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析的前提[9]。分析前將吸氣管路、排氣管路分別創(chuàng)建成組件形式便于選擇分組。將管路設(shè)置為管道單元，兩端和支架處進(jìn)行約束，得出分析結(jié)果。其中，兩個(gè)系統(tǒng)的吸氣管路為對(duì)稱關(guān)系，僅取一組分析。

管路模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1 管路模態(tài)分析結(jié)果 單位：Hz

在排氣管2第一次模態(tài)分析中，第5階和第6階模態(tài)的頻率接近壓縮機(jī)的工作頻率60 Hz，故考慮在管路中增加支架。經(jīng)過(guò)多次嘗試，在冷凝器端的倒數(shù)第二個(gè)直段上增加支架，可以改善模態(tài)分析的結(jié)果，且支架在該位置便于利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝。

2.3 諧響應(yīng)分析的邊界條件和激勵(lì)參數(shù)

在本研究的雙系統(tǒng)冷水機(jī)中，兩個(gè)系統(tǒng)的吸氣管共用一個(gè)板式換熱器作為蒸發(fā)器，板式換熱器與設(shè)備底座連接，兩個(gè)系統(tǒng)各自連接一套冷凝器，冷凝器與設(shè)備框架連接。將管路設(shè)置為流道，壓縮機(jī)設(shè)置為殼單元，橡膠底腳設(shè)置為實(shí)體單元。壓縮機(jī)管路系統(tǒng)中連接冷凝器、蒸發(fā)器、設(shè)備框架和底座的單元，即吸、排氣管末端、橡膠底腳底部、支架位置設(shè)置為固定約束，橡膠底腳側(cè)面設(shè)置為只有垂直方向自由。

壓縮機(jī)管路振動(dòng)分析通常涉及3種材質(zhì)，即鋼、銅和橡膠，材料振動(dòng)分析主要參數(shù)如表2所示。

表2 材料振動(dòng)分析主要參數(shù)

需要提前確定壓縮機(jī)激勵(lì)。該品牌壓縮機(jī)廠商提供了壓縮機(jī)工作頻率60 Hz、吸排氣溫度都接近實(shí)際工況的狀態(tài)下，壓縮機(jī)上兩點(diǎn)的振動(dòng)加速度和振幅情況。根據(jù)壓縮機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以用簡(jiǎn)化模型反推出一個(gè)合適的假定值作為壓縮機(jī)激勵(lì)，該假定值只對(duì)當(dāng)前模型有效。

2.4 壓縮機(jī)組件的諧響應(yīng)分析及優(yōu)化

具備以上條件后，可以開始?jí)嚎s機(jī)組件的諧響應(yīng)分析。輸入反推出的壓縮機(jī)激勵(lì)假定值，結(jié)果中將等效應(yīng)力作為判斷設(shè)計(jì)是否合格的主要依據(jù)，總變形作為參考依據(jù)判斷是否出現(xiàn)干涉、由振動(dòng)導(dǎo)致接觸噪聲等其他影響。

系統(tǒng)1的等效應(yīng)力最大值8.15 MPa遠(yuǎn)小于銅管屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，總變形最大值0.32 mm對(duì)設(shè)備無(wú)其他影響，故認(rèn)為系統(tǒng)1設(shè)計(jì)合格；系統(tǒng)2的等效應(yīng)力23.67 MPa遠(yuǎn)小于銅管屈服強(qiáng)度，是疲勞強(qiáng)度的55%，總變形最大值0.87 mm不確定影響，但應(yīng)力與變形相比系統(tǒng)1均較大，故認(rèn)為存在優(yōu)化空間。

根據(jù)出現(xiàn)最大值的位置，對(duì)系統(tǒng)2吸氣管的折彎進(jìn)行調(diào)整，遠(yuǎn)離管路兩端的固定約束位置。再次進(jìn)行模態(tài)分析，前6階均未發(fā)現(xiàn)異常，繼續(xù)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，等效應(yīng)力最大值為15.91 MPa，降低了32.8%，總變形最大值0.56 mm，降低了35.6%，可以認(rèn)為該優(yōu)化有效。

3 結(jié)語(yǔ)

將優(yōu)化后的管路設(shè)計(jì)應(yīng)用到樣機(jī)搭建中，并在焓差實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行壓縮機(jī)的過(guò)程中貼片測(cè)試，應(yīng)力結(jié)果雖然與諧響應(yīng)分析結(jié)果存在最大36%的誤差，但管路各位置的應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，考慮到試驗(yàn)設(shè)備誤差、模型簡(jiǎn)化誤差、假設(shè)激勵(lì)誤差等因素，認(rèn)為使用該優(yōu)化方案可行。