重型裝備疲勞抑制技術(shù)在空調(diào)機組承重結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐

【關(guān)鍵詞】疲勞抑制技術(shù)；空調(diào)機組；承重結(jié)構(gòu)設(shè)計；實踐應(yīng)用

引言

由于空調(diào)機組大型、高性能化，機組的承重結(jié)構(gòu)疲勞問題日漸嚴重。在受到壓縮機的振動載荷、風(fēng)動載荷以及外部環(huán)境的腐蝕等各種載荷的影響下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)，對空調(diào)機組的工況進行探討，給出系統(tǒng)的解決方案，以期對增加空調(diào)機組的使用壽命、運行可靠性提供技術(shù)依據(jù)。

一、重型裝備疲勞抑制技術(shù)概述

疲勞破壞是重載機械部件在反復(fù)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(yīng)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(huán)境密切相關(guān)，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(huán)境（腐蝕性介質(zhì)會導(dǎo)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(shù)上有以下途徑：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計（改變零件幾何（使應(yīng)力集中部位進行圓角、端角等結(jié)構(gòu)漸變）、加強結(jié)構(gòu)、配置加強筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以改變負荷分布）減少局部應(yīng)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(fù)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(shù)（噴丸技術(shù)可使表面形成殘余壓應(yīng)力以減小疲勞裂紋開裂或激光強化技術(shù)產(chǎn)生深層壓應(yīng)力）提高抗裂紋敏感度；通過振動抑制技術(shù)（設(shè)置消振裝置或主動控制振動等方式）進行振動抑制，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件因振動效應(yīng)產(chǎn)生疲勞破壞。

二、空調(diào)機組承重結(jié)構(gòu)的疲勞問題分析

空調(diào)機組結(jié)構(gòu)在實際使用過程中會受到復(fù)雜的載荷條件的影響，其中靜載荷是指設(shè)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(tǒng)壓縮機往復(fù)振動以及風(fēng)機在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的偏心力所引起的；沖擊載荷是指空調(diào)設(shè)備啟停和運輸過程中產(chǎn)生的振動情況，這3種載荷共同作用，使結(jié)構(gòu)始終處于變應(yīng)力狀態(tài)，從而誘發(fā)疲勞破壞[2]。

導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)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(qū)晶粒粗大和殘余應(yīng)力疊加。疲勞安全系數(shù)一般為母材的60%～70%；螺栓連接處因螺栓預(yù)緊力松弛及微動磨損成為裂紋起源點，占結(jié)構(gòu)部件失效的80%以上。

疲勞破壞宏觀特征表現(xiàn)形式是：裂紋最初發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，并以毫米級的裂紋沿著晶界發(fā)展到目視可見的裂紋；發(fā)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(chǎn)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(tài)顯現(xiàn)的。

究其原因主要包括三個方面：設(shè)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(yīng)力的應(yīng)力幅值大于設(shè)計應(yīng)力幅值；設(shè)計選用的材料比對靜態(tài)強度的要求滿足，考慮的疲勞要求不足；結(jié)構(gòu)的設(shè)計有應(yīng)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(jié)構(gòu)的實際壽命。

三、疲勞抑制技術(shù)在承重結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐應(yīng)用

（一）承載結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與有限元分析

空調(diào)機組的承載結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗型設(shè)計模式向基于計算機輔助工程的優(yōu)化設(shè)計發(fā)展，而有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是工程優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。分析人員借助參數(shù)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(diào)機組，其早期的支撐框架在壓縮機工作頻率范圍內(nèi)存在共振，模態(tài)分析得到23.5 Hz固有頻率與壓縮機激勵頻率相同，設(shè)計人員在框架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化基礎(chǔ)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(shù)量，使框架結(jié)構(gòu)的固有頻率提高到28 Hz，即避開共振區(qū)域，利用FEA使結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位應(yīng)力集中系數(shù)由3.2下降到1.8。

在大型空調(diào)機組支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計上，原來的支撐結(jié)構(gòu)通常為等截面的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)重量大、不能承受復(fù)雜的載荷。基于FEADriven的形貌優(yōu)化設(shè)計，采用仿生原理即骨骼材料在受力方向結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)重量減少15%，最大變形量下降22%，特別是優(yōu)化后的支撐結(jié)構(gòu)可有效吸收沖擊載荷，對于運輸及安裝過程中的突發(fā)工況更具優(yōu)勢。

（二）關(guān)鍵區(qū)疲勞壽命優(yōu)化措施

疲勞壽命的優(yōu)化關(guān)鍵在于細節(jié)上的改進。支撐框架與底座連接節(jié)點是應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位。傳統(tǒng)的直角對接焊設(shè)計在交變載荷作用下極易產(chǎn)生疲勞源。優(yōu)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(shè)計手段，來減小應(yīng)力集中，使應(yīng)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(diào)整剛度來緩和應(yīng)力傳遞。經(jīng)實測，優(yōu)化后的節(jié)點的疲勞壽命可以達到200萬次循環(huán)，比50萬次的壽命提升了4倍。

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

（三）材料與工藝改進

1.高強度材料的應(yīng)用

空調(diào)器殼架部件及受力部件，以往多采用普通碳鋼，當前逐漸轉(zhuǎn)戰(zhàn)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(diào)，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(fā)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(fù)合材料的異質(zhì)異形，還表現(xiàn)在特定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。型號上的一個屋頂式空調(diào)機的風(fēng)機支架采用碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）制作比鋁合金減重60%，結(jié)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(tǒng)的疲勞壽命，因為慣性力是降低的，帶來交變應(yīng)力幅值的降低。同時，復(fù)合材料的異質(zhì)異形的另一個后果是增加了設(shè)計的復(fù)雜性，設(shè)計者對于受載方向要做到心中有數(shù)，這一點對傳統(tǒng)的空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計師是新的挑戰(zhàn)。

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(guān)鍵作用，普通手工電弧焊的熱影響區(qū)寬度一般為5～8 mm，采用激光-MIG復(fù)合焊接工藝后能夠控制熱影響區(qū)在2 mm以內(nèi)，某壓縮機支架焊后接頭經(jīng)此工藝處理后其疲勞壽命為傳統(tǒng)焊接的2.8倍，并且此工藝可以實現(xiàn)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(shù)可以用于螺栓連接件，克服了傳統(tǒng)熱處理帶來的形變現(xiàn)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(shù)也用于某系列空調(diào)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(shù)可以有效加工制造復(fù)雜承重結(jié)構(gòu)。例如，選區(qū)激光熔化的Ti6Al4V支架疲勞強度遠大于鑄造件，因為選區(qū)激光熔化的細晶結(jié)構(gòu)和可控的內(nèi)孔隙率能有效控制在0.2%以下。例如某型特種空調(diào)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(xiàn)一體成形的復(fù)雜承重結(jié)構(gòu)，消除了連接位置的應(yīng)力集中，縮短制造周期從3周到3天。

（四）表面強化技術(shù)

1.噴丸強化處理

對于空調(diào)機組受力較為嚴重的部位應(yīng)用噴丸強化技術(shù)，噴丸處理需選擇合理的參數(shù)。對于不同的材料和部件應(yīng)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(yīng)力層。壓縮機安裝法蘭采用噴丸處理后，107次疲勞循環(huán)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(zhuǎn)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(guān)，因此正交試驗得到：Q345B鋼最佳噴丸工藝參數(shù)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(chǎn)加工過程中可以設(shè)計專用夾具，處理關(guān)鍵部位（如焊接熱影響區(qū)），使處理后離散系數(shù)控制到5%以內(nèi)。

2.表面先進涂層技術(shù)保護

多層復(fù)合涂層體系，具有良好的保護性能，應(yīng)用在沿海的空調(diào)支架AlSi/聚氨酯復(fù)合涂層，經(jīng)過鹽霧試驗4 000 h后完好無損。與普通鍍鋅層相比，復(fù)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(xiàn)象。

功能梯度涂層研發(fā)。開發(fā)出功能梯度涂層Ti/TiN，其硬質(zhì)相由磁控濺射得到，涂層的硬度由基材端到表面端連續(xù)梯度變化，在結(jié)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(xué)測試結(jié)果表明涂層的腐蝕電流密度下降兩個數(shù)量級，即具有良好抗腐蝕疲勞性能。

智慧型涂層技術(shù)逐漸投入工程建設(shè)。某型自愈合涂層在涂層發(fā)生微小裂紋時，利用微膠囊化修復(fù)劑的恢復(fù)，在自愈合過程中將裂紋閉合，經(jīng)加速試驗后驗證了在濕熱條件下，碳鋼構(gòu)件的疲勞壽命保持在新構(gòu)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(yīng)用于高端機型。

（五）振動控制技術(shù)

1.用振動控制阻尼減振器

冷水機組的振動控制正在實現(xiàn)“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(shù)，打破了傳統(tǒng)的振動控制方式，通過調(diào)節(jié)磁場的強弱，阻尼系數(shù)可以實現(xiàn)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(guān)機的瞬態(tài)振動控制在0.15 mm以內(nèi)，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(nèi)的振動情況，設(shè)計調(diào)諧質(zhì)量阻尼器與粘彈性阻尼片相結(jié)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(diào)諧質(zhì)量阻尼器適用于低頻（5～20 Hz）。某屋頂式空調(diào)機的振動總級值在設(shè)置阻尼層后由4.5 mm/s下降至1.2 mm/s。其中調(diào)諧質(zhì)量塊采用了鎢合金，更好地解決了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器空間有限的情況。

2.動態(tài)載荷的精準抑制

基于載荷識別的自適應(yīng)控制技術(shù)取得重要進展，通過安裝在關(guān)鍵部位的微機電系統(tǒng)（MicroElectroMechanical System，MEMS）加速度傳感器陣列，系統(tǒng)可實時構(gòu)建振動模態(tài)。當檢測到23 Hz附近的共振風(fēng)險時，控制系統(tǒng)在50 ms內(nèi)自動調(diào)整變頻壓縮機轉(zhuǎn)速，避開危險頻段[5]。某項目運行數(shù)據(jù)表明，該策略使支架焊縫處的應(yīng)力幅值降低42%，預(yù)計壽命延長3倍。

根據(jù)軌道運營工況的特殊要求，設(shè)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(jīng)測試，在運行過程中可以降低由于軌道沖擊而產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)提供了15 W供電功率。阻尼器的壓電元件所產(chǎn)生的能量密度還比較低，轉(zhuǎn)化效率較低，僅為20%，但為今后阻尼器能夠達到控制系統(tǒng)的能量自洽提供了可能性。

結(jié)語

本文采用的一系列疲勞減振方法可有效提高空氣空調(diào)機組承載結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改善、采用優(yōu)化材料工藝和表面強化措施與減振技術(shù)相結(jié)合的方法，可有效地控制產(chǎn)品整個壽命周期費用。在未來的研究中，應(yīng)重點集中在智能化檢測方法與疲勞減振的綜合應(yīng)用上，推出結(jié)構(gòu)功能化、可感知及可調(diào)節(jié)的先進結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用新型復(fù)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：

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