基于模態(tài)方法對(duì)C型分液器空載振動(dòng)問(wèn)題仿真分析

余少波 霍喜軍 韋衍

YU Shaobo HUO Xijun WEI Yan

珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司 廣東珠海 519110

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd. Zhuhai 519110

1 引言

空調(diào)用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)生產(chǎn)的一致性，往往采用空載振動(dòng)一致性進(jìn)行評(píng)判。對(duì)我司某款使用C型分液器結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)進(jìn)行空載振動(dòng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)波動(dòng)較大，此機(jī)型存在一定生產(chǎn)波動(dòng)。雖然對(duì)異?，F(xiàn)象采用振動(dòng)和模態(tài)測(cè)試組合實(shí)驗(yàn)方法，確認(rèn)該問(wèn)題由分液器共振造成[1-2]，但該方法始終只能在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)完成后才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如何通過(guò)理論分析，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段就能干預(yù)和避免振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生，是亟待解決的重大技術(shù)問(wèn)題。

本文擬以C型分液器吸氣管口空載振動(dòng)問(wèn)題為研究對(duì)象，采用有限元模態(tài)仿真方法，計(jì)算基于簡(jiǎn)化整機(jī)裝配模型的分液器固有頻率分布狀況，從理論上解析吸氣管口結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題。另外，通過(guò)調(diào)整分液器約束的思路，計(jì)算不同支架位置及支架類型對(duì)分液器固有頻率的影響，解決吸氣管口空載振動(dòng)問(wèn)題。

2 模態(tài)仿真計(jì)算

有限元模態(tài)仿真分析是獲取結(jié)構(gòu)理論固有頻率分布的有效方法，該方法可以在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段獲取結(jié)構(gòu)的理論固有頻率分布數(shù)據(jù)，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的調(diào)整，避免實(shí)際生產(chǎn)后出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題。

2.1 模態(tài)計(jì)算理論

無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程為：

其中：

2.2 分析模型及簡(jiǎn)化

分析前對(duì)我司C型分液器機(jī)型固有頻率進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試，獲取了分液器的固有頻率測(cè)試數(shù)據(jù)，因此選用該機(jī)型進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算。

我司某款機(jī)型整機(jī)質(zhì)量約為11.8kg，C旋壓分液器分液器為0.5kg，約占整機(jī)重量的4.2%。考慮到后續(xù)有限元網(wǎng)格劃分及計(jì)算效率，同時(shí)考慮對(duì)殼體組件進(jìn)行簡(jiǎn)化為等尺寸的實(shí)心圓柱體。分液器及分液器支架按圖紙尺寸進(jìn)行繪制及裝配，簡(jiǎn)化圖形如圖1所示。

2.3 模態(tài)仿真預(yù)處理

采用有限元分析軟件進(jìn)行仿真預(yù)處理，包括網(wǎng)格劃分，材料屬性設(shè)置和裝配體邊界條件約束等。

（1）模型輸入。利用三維模型繪制簡(jiǎn)化模型并導(dǎo)入有限元軟件中，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散處理如圖2所示。

（2）邊界約束。由于計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注的是分液器部分，分液器與殼體接觸部分（支架與吸氣管），不同結(jié)構(gòu)材料（銅和鋼），采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的方式簡(jiǎn)化處理。

（3）材料參數(shù)設(shè)置

模態(tài)分析需要的結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)主要有彈性模量E，泊松比P，材料密度D。分液器結(jié)構(gòu)模型完整材料參數(shù)可以采用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦值，但由于殼體部分經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，所以彈性模量需要根據(jù)實(shí)測(cè)模態(tài)進(jìn)行調(diào)整，見(jiàn)表1。

2.4 影響模態(tài)仿真計(jì)算因素分析

結(jié)合模型和有限元計(jì)算的特點(diǎn)，影響模態(tài)仿真計(jì)算的主要有結(jié)構(gòu)材料的彈性模量參數(shù)，網(wǎng)格大小設(shè)置。

（1）彈性模量E的影響

由于壓縮機(jī)組件（殼體）部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)材料密度根據(jù)實(shí)測(cè)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。彈性模量根據(jù)模態(tài)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，見(jiàn)表2、表3。

模態(tài)仿真計(jì)算得到的前5階振型如圖3所示。圖3（a）為1階振型，主要是分液器整體繞殼體圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其固有頻率與實(shí)測(cè)基本一致，且振動(dòng)方向與空載振動(dòng)測(cè)試方向一致，該結(jié)果從理論上解析了C型分液器空載振動(dòng)大（300Hz存在明顯單峰值）的問(wèn)題；圖3（b）和圖3（c）主要為分液器鋼管振動(dòng)，且振動(dòng)方向相互正交，與實(shí)測(cè)666Hz差距30～50Hz；差約5～7%；圖3（d）和圖3（e）主要是分液器整體以分液器支架為支點(diǎn)成正交方向擺動(dòng)，與實(shí)測(cè)值誤差分別為25%和5%。結(jié)合振型與計(jì)算誤差分析，并考慮殼體經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，本計(jì)算方案結(jié)果可以接受。殼體彈性模量的有限變化對(duì)結(jié)果影響不大。

（2）結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大小的影響

網(wǎng)格大小不僅影響計(jì)算速度，而且還會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。本節(jié)基于方案2的參數(shù)，討論對(duì)比網(wǎng)格大小計(jì)算方案對(duì)結(jié)果的影響，見(jiàn)表4、表5。

圖1 PRO/E整機(jī)簡(jiǎn)化模型

圖2整機(jī)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入

圖3 分液器振型圖

圖4 改進(jìn)方案簡(jiǎn)圖

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 彈性模量E影響分析參數(shù)

表3 彈性模量參數(shù)變化分析結(jié)果

表4 網(wǎng)格大小計(jì)算方案

表5 網(wǎng)格因素方案計(jì)算結(jié)果

表6 結(jié)果改進(jìn)方案

表7 改進(jìn)方案計(jì)算參數(shù)

表8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果

本案例中，網(wǎng)格大小對(duì)計(jì)算結(jié)果影響相對(duì)較小，考慮計(jì)算操作的簡(jiǎn)化，可以采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格。需要提出的是，由于本文采用基于壓縮機(jī)組件簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，因此壓縮機(jī)組件（殼體）部分參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3 改進(jìn)方案計(jì)算

根據(jù)理論方法得知影響固有頻率的因素有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度，對(duì)于壓縮機(jī)而言，而且考慮現(xiàn)有物料、零件通用化和工藝問(wèn)題，在不引起其他方案性能和可靠性問(wèn)題的前提下，本文僅考慮改變剛度方案并提出改進(jìn)方案，主要對(duì)與分液器結(jié)構(gòu)相配合的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，方案見(jiàn)表6～表8以及圖4。

從分析結(jié)果看，移動(dòng)原支架焊接高度方案將原分液器繞殼體圓周方向擺動(dòng)的300Hz固有頻率調(diào)開(kāi)效果明顯，最優(yōu)方案為加寬支架方案，且根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)也證明了加寬支架方案對(duì)改善C型分液器空載振動(dòng)共振現(xiàn)象的有效性。

4 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)C型分液器結(jié)構(gòu)機(jī)型模態(tài)仿真分析得到以下結(jié)論：

（1）提出的模態(tài)計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地仿真計(jì)算分液器固有頻率及其振型，為分液器振動(dòng)分析及改進(jìn)提供理論方案；

（2）考慮工藝和物料通用因素，結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案中加寬支架是改善C型分液器空載振動(dòng)共振現(xiàn)象的最優(yōu)方案。