郭金露 馬海林

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引言

空調(diào)管路不僅事關(guān)空調(diào)可靠性，還會(huì)影響空調(diào)的噪音品質(zhì)[1]。管路設(shè)計(jì)是空調(diào)研發(fā)過程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)楣苈吩O(shè)計(jì)不合理造成斷管、異響、冷媒泄露、生產(chǎn)停線等事情時(shí)有發(fā)生，不僅影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率，也無法對(duì)產(chǎn)品的售后質(zhì)量提供可靠的保障。

當(dāng)前絕大多數(shù)廠商管路設(shè)計(jì)的方式是：“管路設(shè)計(jì)→裝機(jī)測(cè)試→方案整改→裝機(jī)再測(cè)試”，需反復(fù)多次才能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，并且當(dāng)機(jī)子需要優(yōu)化整改時(shí)，也常常因?yàn)槿狈Ψ较蛐灾笇?dǎo)而存在較大的盲目性[2]。

為了提高管路的設(shè)計(jì)效率，部分工程師展開了管路的仿真分析研究，但是多集中在管路的模態(tài)分析，從避開共振頻率入手[3]，但是管路設(shè)計(jì)是否符合要求，最終是依據(jù)管路應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試來判定，對(duì)管路應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可以得到更直觀判斷。圖1是管路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和基于仿真的設(shè)計(jì)方法對(duì)比，后者進(jìn)行有效次數(shù)的裝機(jī)測(cè)試就可以完成管路設(shè)計(jì)。

圖1 管路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和基于仿真設(shè)計(jì)方法對(duì)比

由于壓縮機(jī)振動(dòng)具有周期性，因此空調(diào)配管可以進(jìn)行諧響應(yīng)分析，對(duì)管路不同頻率下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行模擬分析。相比于模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析結(jié)果可與應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行直接對(duì)比，可以直接判斷管路的優(yōu)劣。

某機(jī)型空調(diào)設(shè)計(jì)了多套管路，應(yīng)力測(cè)試不合格，為了減少裝機(jī)測(cè)試次數(shù)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源和提高效率，展開管路的諧響應(yīng)分析研究，探索一套行之有效的管路高效設(shè)計(jì)方法。

1 基于諧響應(yīng)分析的管路設(shè)計(jì)流程

基于諧響應(yīng)分析的管路設(shè)計(jì)流程如下：①測(cè)試壓縮機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，作為后面管路應(yīng)力仿真的輸入載荷；②根據(jù)管路設(shè)計(jì)的工藝要求、壓縮機(jī)的振動(dòng)特點(diǎn)、產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合管路設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同方案的管路；③對(duì)不同的管路方案進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化；④選擇較優(yōu)方案進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試。如圖2所示。

圖2 基于仿真的管路設(shè)計(jì)流程

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

采集吸排氣管口振動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，其目的是為后面做諧響應(yīng)時(shí)計(jì)算輸入載荷，確定吸排氣管口的出口方向，同時(shí)也可以判斷壓縮機(jī)是否存在異常。測(cè)試時(shí)布點(diǎn)位置如圖3，為保證振動(dòng)方向與圖中標(biāo)示一致，測(cè)試時(shí)探頭最好能夠與壓縮機(jī)切線垂直，且注意記錄激勵(lì)頻率。將振動(dòng)探頭布置在圖3所示的A、B兩點(diǎn)，測(cè)試該兩點(diǎn)的振動(dòng)位移，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 管口振動(dòng)測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 管口振動(dòng)測(cè)試布點(diǎn)位置

3 管路三維設(shè)計(jì)

3.1 管路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）管路的設(shè)計(jì)管尺寸和管路內(nèi)部的直管長(zhǎng)度至少要比管路設(shè)計(jì)規(guī)范的要求的管端直管尺寸和夾模尺寸長(zhǎng)（3～5）mm，因?yàn)椴煌哪＞吆蜋C(jī)床存在差異。

2）焊點(diǎn)的選擇要注意，要事先評(píng)估是否能夠焊接，無法確定時(shí)最好進(jìn)行實(shí)際焊接驗(yàn)證。

3.2 管路設(shè)計(jì)基本原則

1）管路應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)布置，這樣可以減小管路的力臂，在壓縮機(jī)振動(dòng)時(shí)可以減小管路的慣性載荷，從而減小管路應(yīng)力。

2）吸排氣管口的第一彎應(yīng)力通常較大，直線段和折彎半徑盡可能大一些，彎位彎曲角度應(yīng)大于90 °，在空間允許條件下，吸排氣管的直角折彎可以采用由兩個(gè)互余角度設(shè)計(jì)，以減小冷媒壓力脈動(dòng)形成的沖擊。

3）第一段應(yīng)力較大時(shí)，可以考慮使用管徑較大的管，但是管長(zhǎng)盡量縮短，以免振動(dòng)傳遞到管路遠(yuǎn)端，也可以考慮使用V彎或者Z型管解決第一彎應(yīng)力大問題。

4）吸氣管遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心擺幅較大，排氣管靠近旋轉(zhuǎn)中心擺幅小，所以吸氣管至少要設(shè)置一個(gè)以上U彎減振，排氣管一般設(shè)置一個(gè)就可以了，如果排氣管口不在缸體中心，擺幅會(huì)變大，這個(gè)時(shí)候就要考慮是否要增加U彎。在俯視的時(shí)候，吸氣管至少要有幾個(gè)彎位置，切向振動(dòng)比較厲害，在垂直于切線方向至少要有兩個(gè)彎位置。

5）吸排氣管的出管方向盡量靠近位移合成方向，這樣可以在管路最大振動(dòng)的方向上進(jìn)行應(yīng)力衰減。

3.3 三維設(shè)計(jì)

原機(jī)管路如圖4所示，表2為原機(jī)管路應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出較大的點(diǎn)主要集中在吸氣管上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在蒸發(fā)器出管內(nèi)軸，應(yīng)力為90 με，不符合企標(biāo)≤80 με的要求，另外吸氣管1彎、吸氣管3彎應(yīng)力也偏大，需要優(yōu)化整改。排氣管除了排2應(yīng)力稍大外，其余各點(diǎn)應(yīng)力較小。

圖4 原機(jī)管路

對(duì)原機(jī)管路進(jìn)行優(yōu)化，考慮吸氣管前幾個(gè)彎應(yīng)力偏大，可以采用大V彎對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分散；吸氣管跨度過小，管路過于集中，需要增加管路長(zhǎng)度進(jìn)行應(yīng)力分散；同時(shí)加長(zhǎng)管路優(yōu)化排氣管彎2應(yīng)力。圖5是根據(jù)以上思路優(yōu)化的方案，其中優(yōu)化方案1和方案2排氣管一樣，方案1比方案2吸氣管上多一個(gè)U彎。

圖5 優(yōu)化方案

4 仿真分析

對(duì)原機(jī)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，采用諧響應(yīng)分析模塊進(jìn)行，諧響應(yīng)分析需要輸入壓縮機(jī)激勵(lì)，壓縮機(jī)的振動(dòng)載荷非常復(fù)雜，但是可通過測(cè)量吸排氣管口的振動(dòng)，將激勵(lì)簡(jiǎn)化為扭矩和徑向力進(jìn)行近似計(jì)算[4]，此方法已經(jīng)得到了多次驗(yàn)證。

扭矩的計(jì)算公式如下：

式中：

I—壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

θ—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。

徑向力的計(jì)算公式如下：

式中：

m—壓縮機(jī)的質(zhì)量；

a—壓縮機(jī)徑向加速度。

根據(jù)表1的管口振動(dòng)數(shù)據(jù)并結(jié)合壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算出壓縮機(jī)的扭矩和徑向力，并將其施加到壓縮機(jī)缸體上（如圖6所示）。

圖6 扭矩及徑向力施加載荷

圖7為原機(jī)方案應(yīng)力云圖，從圖7可以看出，應(yīng)力較大的地方主要集中在吸氣管上，吸1彎、吸2彎、吸3彎、吸4彎和蒸發(fā)器出管應(yīng)力較大，與表2的原機(jī)管路應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致。圖8、圖9為優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出優(yōu)化后的方案應(yīng)力有了較大幅度的降低，最大應(yīng)力由19.4 MPa分別下降到3.8 MPa和2.5 MPa，考慮到原機(jī)最大應(yīng)力為90 με（原機(jī)管路應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)見表2），離企標(biāo)≤80 με相差不遠(yuǎn)，從仿真可以判定兩個(gè)方案都滿足要求。

表2 原機(jī)管路應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 原機(jī)方案應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化方案1應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化方案2應(yīng)力云圖

5 測(cè)試驗(yàn)證

仿真優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2應(yīng)力相差不多，但是優(yōu)化方案2吸氣管較短，可以節(jié)約成本，所以選擇優(yōu)化方案2進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試。

表3為優(yōu)化方案2管路應(yīng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，吸氣管管路應(yīng)力從80 με下降到53 με，排氣管最大應(yīng)力從50 με下降到42 με，整套管路所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均小于80 με，符合企業(yè)關(guān)于管路應(yīng)力應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)。從管路最大應(yīng)力角度分析，仿真趨勢(shì)與實(shí)測(cè)較為一致。另外看到具體的應(yīng)力分布，圖9顯示管路最大應(yīng)力在排氣管上，實(shí)際測(cè)試應(yīng)力最大出現(xiàn)在吸氣管上，因此在應(yīng)力的具體分布上，仿真還存在一定誤差。最后看到具體的應(yīng)力值，仿真顯示應(yīng)力會(huì)大幅下降，但是實(shí)測(cè)應(yīng)力值下降幅度沒有仿真的大。造成以上結(jié)果的主要原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是仿真建模與實(shí)際之間的區(qū)別，包括管路加工過程中的變形，以及模型簡(jiǎn)化兩方面。另外一個(gè)重要的原因就是輸入載荷與實(shí)際載荷不一致，直接添加徑向力和扭矩過于簡(jiǎn)單，仿真誤差大。雖然在應(yīng)力分布和具體數(shù)值方面存在較大誤差，但是可以滿足不同方案優(yōu)劣判斷的需求，可以高效的對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行初步篩選。

表3 優(yōu)化方案1管路應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

針對(duì)某機(jī)型管路多次整改不合格，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和管路設(shè)計(jì)基本原則設(shè)計(jì)優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2，并采用諧響應(yīng)分析對(duì)原機(jī)方案和優(yōu)化方案管路應(yīng)力進(jìn)行模擬，并挑選優(yōu)化方案2進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試，結(jié)果表明：

1）方案2管路最大應(yīng)力小于企標(biāo)80 με，管路應(yīng)力測(cè)試合格。

2）基于諧響應(yīng)的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)趨勢(shì)基本一致，該模擬方法能夠?qū)︻A(yù)測(cè)管路的應(yīng)力進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，可以運(yùn)用于管路的設(shè)計(jì)開發(fā)中，提高管路的設(shè)計(jì)效率。