楊 猛，徐新喜，白 松，劉孝輝，譚樹(shù)林

（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津市 300161）

現(xiàn)代渦旋壓縮機(jī)，朝著高速、大功率、輕型緊湊化的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)剛度不斷減小，導(dǎo)致振動(dòng)噪聲問(wèn)題日益突出，促使人們從動(dòng)態(tài)的角度來(lái)考慮產(chǎn)品的性能。因此，產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能已成為人們的重要追求目標(biāo)。

通過(guò)現(xiàn)代有限元分析軟件，可以快速計(jì)算出結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、振型等模態(tài)參數(shù)，建立起結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，使人們比較直觀地了解結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振動(dòng)的規(guī)律，并從中找出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)的不合理性，從而為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。

本文以某型渦旋壓縮機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)曲軸模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者誤差在允許范圍之內(nèi)。再通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)渦旋壓縮機(jī)其他各主要零部件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，獲得前6階固有頻率和振型，為渦旋壓縮機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 渦旋壓縮機(jī)曲軸模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)方法搞清楚結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特征，即可預(yù)知結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

1.1 LMS模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)分析軟件采用LMS公司的Test Lab 5A軟件，該系統(tǒng)是比利時(shí)LMS公司開(kāi)發(fā)的針對(duì)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)與工程的集成解決方案。它具有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的扭振分析、結(jié)構(gòu)與聲學(xué)試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等功能，集數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告生成和數(shù)據(jù)共享于一體，易于使用，測(cè)量精度高。主要由傳感器、信號(hào)調(diào)制、信號(hào)處理和顯示設(shè)備構(gòu)成。圖1是LMS模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。

圖1 LMS模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.2 曲軸模態(tài)試驗(yàn)

曲軸是連接電機(jī)和動(dòng)渦盤的重要部件，其動(dòng)態(tài)特性的好壞將直接關(guān)系到動(dòng)靜渦旋盤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的保證，因此，有必要對(duì)曲軸進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

曲軸模態(tài)試驗(yàn)時(shí)用裝有力傳感器的力錘敲擊曲軸上預(yù)先選好的某一點(diǎn)，試件會(huì)隨著敲擊而振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，安裝在力錘上的力傳感器拾取激勵(lì)力的信號(hào)，安裝在曲軸某測(cè)點(diǎn)上的加速度傳感器拾取響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電荷放大器放大后輸入信號(hào)采集分析系統(tǒng)，從而得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而識(shí)別出試件的固有頻率和模態(tài)振型。

使用多參考最小二乘復(fù)頻域法對(duì)曲軸的x、y、z三個(gè)方向綜合進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模態(tài)試驗(yàn)頻率(f/Hz)

1.3 模態(tài)試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)ANSYS模態(tài)分析計(jì)算得出曲軸前三階固有頻率，表2為模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

表2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果對(duì)比(f/Hz)

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果基本一致，固有頻率最大誤差在8.6%左右，最小誤差僅為2.4%，誤差在允許范圍之內(nèi)。圖2為模態(tài)試驗(yàn)與有限元計(jì)算各階振型對(duì)比。

2 渦旋壓縮機(jī)有限元模態(tài)分析

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)于主軸、動(dòng)渦盤、十字滑塊分別計(jì)算自由約束和工作約束(兩端固定)下的模態(tài)，對(duì)于裝配件，計(jì)算裝配體在約束下的模態(tài)結(jié)果。其中主軸的約束是對(duì)下端面加All DOF約束，上下軸承面加徑向約束；動(dòng)渦盤的約束是對(duì)動(dòng)渦盤與支撐架加All DOF約束，在十字滑塊與動(dòng)渦盤接觸處加垂直于接觸面的約束；裝配體的約束是對(duì)四個(gè)支撐腳下平面加All DOF約束[3]。表3為渦旋壓縮機(jī)主要零部件的前6階固有頻率。

圖2 模態(tài)試驗(yàn)與有限元計(jì)算固有振型對(duì)比

表3 渦旋壓縮機(jī)主要零部件的前6階固有頻率(f/Hz)

3 結(jié)果分析

渦旋壓縮機(jī)最外層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)危害最大，也是產(chǎn)生噪聲的主要來(lái)源。因此本文主要討論渦旋壓縮機(jī)最外層結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。渦旋壓縮機(jī)最外層結(jié)構(gòu)包括上頂蓋、殼體和裝配體。

圖3 上頂蓋固有振型

（1）上頂蓋約束狀態(tài)下1階固有頻率為2 445 Hz，各階振型主要是上頂蓋圓弧部分上下振動(dòng)，這說(shuō)明上頂蓋圓弧部分易變形，剛度較小，而且在實(shí)際工況下，上頂蓋圓弧部分無(wú)約束，是振動(dòng)易發(fā)區(qū)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)予以加強(qiáng)[4]。

（2）殼體1階固有頻率為336.56 Hz，遠(yuǎn)高于電機(jī)激振頻率25 Hz，但動(dòng)靜渦旋盤之間的摩擦與電機(jī)激振力相互疊加，必然構(gòu)成十分復(fù)雜的激振力，包含豐富的高頻成分，其對(duì)殼體的影響不容忽略。

觀察殼體振型可以發(fā)現(xiàn)：1階和2階振型以左右擺動(dòng)為主，且擺動(dòng)方向垂直，變形部位是地腳；3階振型以殼體上下振動(dòng)為主，變形部位是地腳；4階振型主要是殼體中間部位的左右擺動(dòng)變形，變形部位是殼體本身；5階振型主要是殼體中間部位的擠壓變表明，相同跌落高度條件下，適當(dāng)?shù)臏p小系統(tǒng)的懸掛角度，可降低系統(tǒng)無(wú)量綱加速度最大值，但無(wú)量綱位移最大值增加。研究結(jié)論可為懸掛式彈簧系統(tǒng)緩沖設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖4 殼體各階振型

圖5 系統(tǒng)無(wú)量綱加速度峰值隨無(wú)量綱跌落沖擊速度的變化Fig.5 The change of the peak value of dimensionless acceleration along with system dimensionless dropping shock velocity

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