汪翔,儲杰,尤永貴,陳韜

(1.黃山三佳誼華精密機械有限公司,安徽 黃山,245400;2.休寧縣公共就業(yè)和人才服務中心,安徽 黃山,245400)

分體式空調以及空氣冷凝機組、熱泵機組等設備換熱器裝置中,翅片管式換熱器最常見[1]。在制造工藝流程中,翅片管式換熱器一般經(jīng)過換熱管U型彎管,翅片沖壓成形、換熱管-翅片脹管成形、彎曲成形、清洗烘干、焊接等過程[2]。脹管機是換熱管-翅片脹管成形環(huán)節(jié)的重要設備,通過脹大管徑將高速沖床成形好的翅片和換熱管緊密貼合在一起,保證翅片和換熱管緊密接觸,增強換熱效率。根據(jù)脹管機理,脹管機可分為液壓式、機械式、氣壓式、爆炸式等[3]。姜靖宇等[4-7]等研究了液壓脹接技術。目前,在制冷空調行業(yè)最常用的是機械式脹管,即通過伺服電機系統(tǒng)驅動脹棒在換熱管中前進來脹大管徑。李大永等[8-9]利用顯式算法有限元仿真模擬脹頭在銅管脹接過程,發(fā)現(xiàn)模擬和試驗結果相符合,得出脹管驅動力在峰值位置基本保持恒定,退回過程驅動力是前進時的1/3左右。唐鼎等[10]研究了脹接成形過程管翅接觸狀態(tài),發(fā)現(xiàn)脹管率與平均接觸壓力不呈相關關系,通過優(yōu)化成形工藝參數(shù),改善接觸均勻性,提高熱導率。夏琴香等[11]借助模擬手段,研究翅片脹接過程翹曲變形原因,發(fā)現(xiàn)翅片孔徑和脹球軸徑對翹曲變形程度影響最顯著。梁衛(wèi)平[12]優(yōu)化Φ7 mm換熱器脹接工藝參數(shù),得出光管最優(yōu)參數(shù)組合和內螺紋管最優(yōu)參數(shù)組合。王相兵等[13]發(fā)現(xiàn)脹接接觸壓力與脹頭過盈量呈線性關系,與脹管率及接觸系數(shù)成正比。儲杰等[14]對脹管機擴口座進行結構力學分析并優(yōu)化,減小了擴口座變形,提高了翅片管式換熱器二三次擴口工藝質量。脹管機夾爪夾緊裝置是脹管成形工藝重要的工作元件,對換熱管的收縮量起決定性作用。方豪等[15]對脹管機夾爪結構進行有限元分析和正交優(yōu)化試驗,提高了夾爪壽命和夾爪穩(wěn)定夾持換熱管的能力。

管-翅式換熱器加工成形屬于整體式成形,利用一臺脹管機完成數(shù)列翅片和換熱管脹接成形,局部變形和彎曲會影響整體換熱器質量。因此,脹管機每個工作元件的結構強度、精度均要嚴格滿足。為了減小換熱器在脹接過程發(fā)生的變形,提高脹管機生產(chǎn)合格率,本文以脹管機固定換熱管U部的接收器固定座為研究對象,進行有限元分析及多變量響應面優(yōu)化分析。

1 研究對象

以黃山三佳誼華精密機械有限公司研發(fā)制造的全自動大型立式旋轉臺雙工位脹管機為研究對象。通過可編程控制器控制伺服電機系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)等,用電機作為動力驅動脹桿、脹頭在換熱管中前進脹大換熱管直徑以實現(xiàn)換熱管和翅片的緊密貼合,從而減小換熱管和翅片接觸熱阻,提高翅片管式換熱器的換熱效率。在脹管結束后,通過旋轉臺旋轉至擴口工位以完成換熱管的二三次擴口翻邊,便于后續(xù)焊接。脹管機設備結構主要由機架、脹桿動力座、無收縮夾緊裝置、門-接收器固定裝置、擴口裝置以及電氣控制裝置組成,如圖1(a)所示?？照{翅片管式換熱器待脹管樣品通過門板、接收器進行固定,接收器安裝于接收器固定板上,固定板安裝于固定座上,通過固定座上的氣缸啟閉來夾緊和松開接收器,如圖1(b)所示。作為脹管機的關鍵部分,對樣品的對齊度、垂直度要求較高,因此,對門板、接收器尺寸公差要求較高。同時,由于換熱管脹管力較大,對接收器座強度提出一定要求。

1—門-接收器固定裝置;2—接收器固定座;3—翅片換熱管固定門;4—氣缸;5—接收器;6—擴口裝置;7—無收縮夾緊裝置;8—脹桿動力座;9—機架;10—電氣控制裝置圖1 立式脹管機結構圖Fig.1 Structural diagram for vertical tube expander

2 有限元模型建立

選取接收器固定座為模擬仿真對象,研究其在脹管驅動力和擴口驅動力受力變形情況。利用ANSYS Workbench建立接收器固定座的幾何模型,并劃分網(wǎng)格,選取靜力學Static Structual計算模塊,固定座材料為Q235,其力學性能見表1。

表1 接收器固定座材料性能

網(wǎng)格選用四面體自動劃分方法,網(wǎng)格質量隨著單元尺寸減小而不斷提高,仿真結果越精準。當網(wǎng)格精細到一定程度,仿真結果變化率趨近于0,而此時模型的仿真結果達到網(wǎng)格無關性。將網(wǎng)格尺寸從10.0 mm減小至2.0 mm,模型最大變形的變化率從2.3%下降至0.1%,并趨于0,見表2。這表明當網(wǎng)格尺寸為2.0 mm時,仿真結果已經(jīng)比較精準了,如果繼續(xù)減小網(wǎng)格尺寸,仿真結果趨于一致,與網(wǎng)格數(shù)量無關。因此,采用網(wǎng)格尺寸2.0 mm劃分模型,單元數(shù)量為867 454個。

表2 網(wǎng)格無關性分析

接收器固定座用內六角螺絲固定在旋轉臺上,整體承受數(shù)根換熱管的脹管力和擴口力。按脹管機滿載工況下,即計算設計的所有換熱管同時脹管工藝和擴口工藝,脹管力約8 t,擴口力約24 t,因此,選擇模擬固定座在擴口力作用下的變形和應力。簡化后的模型載荷和約束示意圖見圖2。

圖2 載荷和約束設置示意圖Fig.2 Setting diagram of load and constraint

3 仿真結果

脹管機空調翅片換熱管接收器固定座變形和應力分布見圖3。變形最大位置出現(xiàn)在安裝氣缸的槽孔。由于槽孔鏤空缺少中邊板支撐,此處變形量比其他位置大,變形為0.095 737 mm。此處安裝的氣缸通過氣動電磁閥啟閉,控制接收器夾緊和松開換熱管。換熱管的夾緊量和垂直度會影響換熱管脹管工藝整體水平,比如換熱管收縮量、翅片平整、換熱管彎曲、每個換熱管長度等,而此處的變形量會影響接收器的夾緊量和垂直度。應力最大位置出現(xiàn)在槽孔邊和頂面接觸處,應力為236.21 MPa,超過了Q235屈服強度,可見此處會產(chǎn)生永久變形。隨著生產(chǎn)周期增加,變形越來越大,對翅片換熱管脹管質量產(chǎn)生巨大影響。

圖3 接收器固定座變形應力云圖Fig.3 Cloud image of deformation and stress forthe receiver fixed base

4 優(yōu)化分析

由靜力學仿真分析結果可知,接收器固定座在氣缸安裝槽孔處變形量和應力較大,會影響翅片管換熱器整體脹管質量,需要對相關參數(shù)進行優(yōu)化,減小此處變形量和應力。選取可能影響槽孔處受力的參數(shù)進行結構優(yōu)化,示意圖見圖4。采用Workbench中多變量響應曲面優(yōu)化分析工具(response surface optimization),以最大變形為目標,進行多變量優(yōu)化分析。優(yōu)化前,接收器固定座結構參數(shù)P7為10 mm,P8為15 mm,P10為10 mm,P11為50 mm,P12為20 mm。表3中參數(shù)變化范圍在Workbench中設定后,計算機根據(jù)參數(shù)取值分別進行靜力學模塊分析。計算結束后,將各參數(shù)對最大變形量的影響情況進行分析。

表3 優(yōu)化參數(shù)變化范圍

為了分析各參數(shù)對固定座結構最大變形量的影響,將5組參數(shù)變化量轉化為變化率,最大變形量P5作為Y軸,繪制成曲線圖,見圖5(a)。頂面厚P12對結構變形量影響最大,隨著厚度增加,變形量減小;其次影響較大的是中邊厚P7,呈負相關關系;縱邊厚P8、加強筋厚P10、筋-槽距離P11對變形量影響不大。同時,Workbench中各優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析也可反映各參數(shù)對結構變形量的影響程度,為優(yōu)化參數(shù)提供參考,靈敏度分析結果見圖5(b)。分析結果與圖5(a)中參數(shù)對變形量影響曲線關系是一致的。頂面厚P12靈敏度最高,為-0.153 34,影響最大,負號表示負相關關系;其次是中邊厚P7靈敏度為-0.987 7;P8、P10、P11靈敏度接近于0,表明這3個參數(shù)對變形量影響不大。

P7、P12、P5響應曲面圖見圖6。P7、P12參數(shù)最大取值處,最大變形量P5最小。響應曲面也可以反映P7、P12對P5呈線性負相關關系。

圖6 P7、P12、P5響應曲面圖Fig.6 Response surface plot of P7、P12、P5

通過多變量響應曲面優(yōu)化,獲取最優(yōu)解如下:P7為12 mm,P8為14.397 mm,P10為12 mm,P11為45 mm,P12為25 mm時,固定座最大變形量P5最小,為0.060 739 mm。分析結果表明,P8、P10、P11對P5影響較小,同時,考慮到增加厚度會增加固定座質量和成本,決定對P8、P10、P113個參數(shù)采用現(xiàn)有值。所以,優(yōu)化后的接收器固定座結構尺寸參數(shù)變化如下:P7為12 mm,P8為15 mm,P10為10 mm,P11為50 mm,P12為25 mm。優(yōu)化后的模型受力變形和應力分布見圖7,變形位置和優(yōu)化前結構保持一致,最大變形量為0.062 162 mm,下降了35.07%。最大應力位置位于頂板與氣缸槽孔邊接觸點,和優(yōu)化前結構一致,應力減小為165.1 MPa,下降了30.1%。最大應力小于Q235屈服強度,優(yōu)化后接收器固定座在強度上得到增加。

圖7 結構優(yōu)化后變形應力云圖Fig.7 Cloud image of deformation and stress after structural optimization

5 結論

1)安裝夾緊換熱管小U氣缸的槽孔位置,變形量和應力最大,其變形情況將影響氣缸鎖緊小U夾緊量和垂直度,可作為分析空調翅片換熱器脹管質量的原因之一。

2)固定座頂面板厚P12、中邊板厚P7對結構變形影響最大,隨著厚度增加,變形量減小。

3)優(yōu)化前,最大變形量為0.095 737 mm,最大應力為236.21 MPa;優(yōu)化后,最大變形量為0.062 162 mm,減小了35.07%,最大應力為165.1 MPa,減小了30.1%;優(yōu)化后,氣缸安裝處結構強度有所增加。