重型裝備疲勞抑制技術在空調機組承重結構設計中的實踐

【關鍵詞】疲勞抑制技術；空調機組；承重結構設計；實踐應用

引言

由于空調機組大型、高性能化，機組的承重結構疲勞問題日漸嚴重。在受到壓縮機的振動載荷、風動載荷以及外部環境的腐蝕等各種載荷的影響下，傳統的結構設計很難保證可靠性。本文從最新的重型裝備抗疲勞問題的解決方案出發，對空調機組的工況進行探討，給出系統的解決方案，以期對增加空調機組的使用壽命、運行可靠性提供技術依據。

一、重型裝備疲勞抑制技術概述

疲勞破壞是重載機械部件在反復荷載作用下的主要破壞形式之一。它的破壞機理包含裂紋的形成和擴展兩個過程，在部件的應力集中位置，如表面、缺陷處等。裂紋先萌生，然后在交變荷載的作用下得到擴展，從而造成部件的破壞。其疲勞破壞過程與載荷、材料、環境密切相關，不同的載荷類型（交變荷載比靜荷載破壞性更大）、不同的材料（強度越大裂紋擴展的門檻值越高）、不同的環境（腐蝕性介質會導致裂紋擴展加劇）均會對疲勞破壞的機理造成影響[1]。

機械故障疲勞失效的抑制方法技術上有以下途徑：通過結構設計（改變零件幾何（使應力集中部位進行圓角、端角等結構漸變）、加強結構、配置加強筋結構優化設計以改變負荷分布）減少局部應力集中；通過選用具有良好韌性、抗脆性高的材料（如使用高韌的低合金高強度鋼、高性能的復合材料等）提高零件材料抵抗疲勞損壞的能力和材料組織性能；通過表面強化技術（噴丸技術可使表面形成殘余壓應力以減小疲勞裂紋開裂或激光強化技術產生深層壓應力）提高抗裂紋敏感度；通過振動抑制技術（設置消振裝置或主動控制振動等方式）進行振動抑制，防止結構構件因振動效應產生疲勞破壞。

二、空調機組承重結構的疲勞問題分析

空調機組結構在實際使用過程中會受到復雜的載荷條件的影響，其中靜載荷是指設備自身重量以及制冷劑充注的重量；動載荷是由于制冷系統壓縮機往復振動以及風機在旋轉過程中產生的偏心力所引起的；沖擊載荷是指空調設備啟停和運輸過程中產生的振動情況，這3種載荷共同作用，使結構始終處于變應力狀態，從而誘發疲勞破壞[2]。

導致結構部件產生損傷的薄弱位置集中分布在兩種位置：焊接接頭位置的熱影響區晶粒粗大和殘余應力疊加。疲勞安全系數一般為母材的60%～70%；螺栓連接處因螺栓預緊力松弛及微動磨損成為裂紋起源點，占結構部件失效的80%以上。

疲勞破壞宏觀特征表現形式是：裂紋最初發生在焊接熱影響區，并以毫米級的裂紋沿著晶界發展到目視可見的裂紋；發生在螺栓處的疲勞裂紋或者連接板孔周邊的放射形裂紋；承載的梁產生的彎曲變形、支架形成的塑性鉸等隱患性損傷在承載的極限臨界狀態顯現的。

究其原因主要包括三個方面：設計的載荷譜沒有充分考慮壓縮機工作過程中的變化帶來的動載因素，工作應力的應力幅值大于設計應力幅值；設計選用的材料比對靜態強度的要求滿足，考慮的疲勞要求不足；結構的設計有應力集中因素，比如直角過渡、一面加強等。上述原因綜合作用大大縮短了結構的實際壽命。

三、疲勞抑制技術在承重結構設計中的實踐應用

（一）承載結構的優化與有限元分析

空調機組的承載結構從傳統的經驗型設計模式向基于計算機輔助工程的優化設計發展，而有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是工程優化的關鍵技術之一。分析人員借助參數化三維模型來分析機組在不同工況下的受力狀況[3]，如一個知名品牌的商用空調機組，其早期的支撐框架在壓縮機工作頻率范圍內存在共振，模態分析得到23.5 Hz固有頻率與壓縮機激勵頻率相同，設計人員在框架結構的拓撲優化基礎上，增加了斜撐，并對斜撐的截面形狀進行變化，增加了斜撐的數量，使框架結構的固有頻率提高到28 Hz，即避開共振區域，利用FEA使結構的關鍵部位應力集中系數由3.2下降到1.8。

在大型空調機組支撐結構設計上，原來的支撐結構通常為等截面的支撐結構設計，結構重量大、不能承受復雜的載荷?；贔EADriven的形貌優化設計，采用仿生原理即骨骼材料在受力方向結構優化，優化后的支撐結構重量減少15%，最大變形量下降22%，特別是優化后的支撐結構可有效吸收沖擊載荷，對于運輸及安裝過程中的突發工況更具優勢。

（二）關鍵區疲勞壽命優化措施

疲勞壽命的優化關鍵在于細節上的改進。支撐框架與底座連接節點是應力集中的關鍵部位。傳統的直角對接焊設計在交變載荷作用下極易產生疲勞源。優化措施包括采用大半徑圓弧過渡的連接處理，并輔以該處增加厚度的設計手段，來減小應力集中，使應力峰值下降40%以上。進一步的改進措施是在連接部位進行變截面處理，通過調整剛度來緩和應力傳遞。經實測，優化后的節點的疲勞壽命可以達到200萬次循環，比50萬次的壽命提升了4倍。

優化結點需要兼顧實際工藝的可行性，例如，項目中曾提出一種結點理想形狀方案，該方案雖符合最佳結點優化的力學需求，但如果按照這種復雜形狀實施生產，成本較高。因此，改用一種更加簡單但能保證主受力路徑優化的結點形狀來制作結點模型，這恰恰體現了優化與生產結合的工程藝術。其疲勞試驗結果表明，該節點的服役時間是傳統形狀的2.3倍，能夠為批量化生產提供支持。

（三）材料與工藝改進

1.高強度材料的應用

空調器殼架部件及受力部件，以往多采用普通碳鋼，當前逐漸轉戰到高強度的低合金高強度鋼（如低合金高強度鋼Q690D）。其強度、韌性在合金化鋼材上均衡達到最佳平衡，而且疲勞強度極限較普通碳鋼提高了40%。某款商用空調，支架由Q690D代替普通碳鋼后，在相同工況下的疲勞裂紋生長周次可從80萬周提高到150萬周。此類鋼的疲勞裂紋擴展速率曲線平坦，即便發生裂紋，裂紋擴展速率也慢很多，可獲得更多的檢測及處理時間[4]。

復合材料的異質異形，還表現在特定結構的應用。型號上的一個屋頂式空調機的風機支架采用碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）制作比鋁合金減重60%，結果振動的振幅比之前降低了45%。這種降低的重量，也改善了整個支架系統的疲勞壽命，因為慣性力是降低的，帶來交變應力幅值的降低。同時，復合材料的異質異形的另一個后果是增加了設計的復雜性，設計者對于受載方向要做到心中有數，這一點對傳統的空調結構設計師是新的挑戰。

2.先進制造手段

采用改進的焊接工藝對改善疲勞壽命具有關鍵作用，普通手工電弧焊的熱影響區寬度一般為5～8 mm，采用激光-MIG復合焊接工藝后能夠控制熱影響區在2 mm以內，某壓縮機支架焊后接頭經此工藝處理后其疲勞壽命為傳統焊接的2.8倍，并且此工藝可以實現更好的焊縫成型，使其焊接缺陷率由3%降低至0.5%以下。

冷成型技術可以用于螺栓連接件，克服了傳統熱處理帶來的形變現象，在控制變形量的同時，進行后時效處理可以使得高強度螺栓既能在抗拉強度不降低的前提下提升疲勞極限25%，目前這一技術也用于某系列空調支架上的螺栓連接，將螺栓松動率從年8%降低到1%以下。

3D打印技術可以有效加工制造復雜承重結構。例如，選區激光熔化的Ti6Al4V支架疲勞強度遠大于鑄造件，因為選區激光熔化的細晶結構和可控的內孔隙率能有效控制在0.2%以下。例如某型特種空調的異形支撐件原來采用的組裝形式需要12個零件，3D打印可實現一體成形的復雜承重結構，消除了連接位置的應力集中，縮短制造周期從3周到3天。

（四）表面強化技術

1.噴丸強化處理

對于空調機組受力較為嚴重的部位應用噴丸強化技術，噴丸處理需選擇合理的參數。對于不同的材料和部件應采用直徑為0.1～0.4 mm的鑄鋼丸，以80～150 m/s的速度噴射，可在零件表面形成0.1～0.3 mm深的殘余壓應力層。壓縮機安裝法蘭采用噴丸處理后，107次疲勞循環的疲勞強度極限從±210 MPa提高到±290 MPa，提高了38%。需要注意的是，噴丸處理使裂紋源位置從表面處轉移到了亞表面，裂紋源生成期大大延長。

由于噴丸強化效果與工藝因素密切相關，因此正交試驗得到：Q345B鋼最佳噴丸工藝參數為彈丸粒徑0.3 mm，100%覆蓋率，0.4 mmA噴丸強度，此條件下試樣的疲勞壽命相當于未處理試樣的2.5倍，生產加工過程中可以設計專用夾具，處理關鍵部位（如焊接熱影響區），使處理后離散系數控制到5%以內。

2.表面先進涂層技術保護

多層復合涂層體系，具有良好的保護性能，應用在沿海的空調支架AlSi/聚氨酯復合涂層，經過鹽霧試驗4 000 h后完好無損。與普通鍍鋅層相比，復合涂層使得Q235鋼在3.5%的NaCl溶液中的疲勞壽命提高了4倍。涂層厚度80～120 μm時，獲得保護性涂層，又避免了由于過厚而引起的脆性開裂現象。

功能梯度涂層研發。開發出功能梯度涂層Ti/TiN，其硬質相由磁控濺射得到，涂層的硬度由基材端到表面端連續梯度變化，在結合強度不低于80 MPa的前提下，可將鋁合金支架的微動疲勞壽命提高3倍以上。其電化學測試結果表明涂層的腐蝕電流密度下降兩個數量級，即具有良好抗腐蝕疲勞性能。

智慧型涂層技術逐漸投入工程建設。某型自愈合涂層在涂層發生微小裂紋時，利用微膠囊化修復劑的恢復，在自愈合過程中將裂紋閉合，經加速試驗后驗證了在濕熱條件下，碳鋼構件的疲勞壽命保持在新構件壽命的85%以上水平，對于檢修難度較大的戶外安裝的機組非常適用，已小批量應用于高端機型。

（五）振動控制技術

1.用振動控制阻尼減振器

冷水機組的振動控制正在實現“由被動防護向主動控制”理念的飛躍，即通過磁流變阻尼技術，打破了傳統的振動控制方式，通過調節磁場的強弱，阻尼系數可以實現在0.05～0.5 N·s/mm任意變化，該智能阻尼器使某大型冷水機組壓縮機在開機和關機的瞬態振動控制在0.15 mm以內，相對于橡膠減振墊的控制能力提高了60%，運行耗能僅18 W，符合機組能效要求。

為有效改善各頻帶內的振動情況，設計調諧質量阻尼器與粘彈性阻尼片相結合的分級阻尼方案，粘彈性阻尼片適用于中高頻率（20～200 Hz），調諧質量阻尼器適用于低頻（5～20 Hz）。某屋頂式空調機的振動總級值在設置阻尼層后由4.5 mm/s下降至1.2 mm/s。其中調諧質量塊采用了鎢合金，更好地解決了調諧質量阻尼器空間有限的情況。

2.動態載荷的精準抑制

基于載荷識別的自適應控制技術取得重要進展，通過安裝在關鍵部位的微機電系統（MicroElectroMechanical System，MEMS）加速度傳感器陣列，系統可實時構建振動模態。當檢測到23 Hz附近的共振風險時，控制系統在50 ms內自動調整變頻壓縮機轉速，避開危險頻段[5]。某項目運行數據表明，該策略使支架焊縫處的應力幅值降低42%，預計壽命延長3倍。

根據軌道運營工況的特殊要求，設計可鎖緊阻尼。正常運營為可撓性連接，受沖擊載荷時可瞬時鎖緊成為剛性支承；經測試，在運行過程中可以降低由于軌道沖擊而產生的峰值載荷的70%，不影響正常運行的緩沖效果。

由于阻尼器中的壓電材料可以將部分振動動能轉化為電能，因而也可以在一定程度上回收利用，比如將壓電材料應用至阻尼器中。以樣機為例，典型工況下的振動回收功率在15 W左右，相當于給機組控制系統提供了15 W供電功率。阻尼器的壓電元件所產生的能量密度還比較低，轉化效率較低，僅為20%，但為今后阻尼器能夠達到控制系統的能量自洽提供了可能性。

結語

本文采用的一系列疲勞減振方法可有效提高空氣空調機組承載結構的可靠性和耐久性，對現有結構進行改善、采用優化材料工藝和表面強化措施與減振技術相結合的方法，可有效地控制產品整個壽命周期費用。在未來的研究中，應重點集中在智能化檢測方法與疲勞減振的綜合應用上，推出結構功能化、可感知及可調節的先進結構系統，采用新型復合材料和綠色制造方法為改進疲勞性能提供更廣闊的空間。

參考文獻：

[1] 李廣慧，劉婧，胡北.某核電廠主控室空調機組設計與驗證[J].制冷與空調，2023，23（06）：4954+91.

[2] 鞠盈子，張鵬騰，程顯耀，等.城軌車輛CO2空調機組研制[J].鐵道機車與動車，2022（09）：2223+45+6.

[3] 吳浩.地鐵車輛空調機組箱體的有限元分析及結構優化[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2023.

[4] 彭健.市域列車空調風道復合型聲學超材料設計與降噪特性研究[D].成都：西南交通大學，2022.

[5] 李源通.商業樓宇中央空調需求響應潛力評估[D].北京：北京交通大學，2023.