碳纖維復(fù)合材料小型壓縮機閥片性能試驗研究

章國江，鄭傳祥，劉遠(yuǎn)峰，朱谷昌，吳嘉懿

（1. 杭州錢江壓縮機有限公司，杭州 310013；2. 浙江大學(xué)，杭州 310027）

碳纖維復(fù)合材料小型壓縮機閥片性能試驗研究

章國江1，鄭傳祥2，劉遠(yuǎn)峰1，朱谷昌1，吳嘉懿2

（1. 杭州錢江壓縮機有限公司，杭州 310013；2. 浙江大學(xué)，杭州 310027）

針對目前小型壓縮機噪聲大、閥片抗疲勞性能低等問題，優(yōu)化設(shè)計并試制出碳纖維復(fù)合材料閥片以替代傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)閥片。研究結(jié)果表明，這種先進(jìn)復(fù)合材料閥片可使壓縮機噪聲有較大幅度的下降，抗疲勞壽命有所提高。最后通過試驗加以驗證。

碳纖維復(fù)合材料；壓縮機閥片；噪聲；抗疲勞；試制；測試

0 引言

1 壓縮機閥片受力分析

我國冰箱、空調(diào)制冷壓縮機市場十分巨大，發(fā)展速度很快，壓縮機作為制冷系統(tǒng)的核心部件之一，其可靠性和工作效率直接影響著整個制冷系統(tǒng)的工作，所以一直以來為各個家電制造業(yè)巨頭所重視。小型壓縮機目前存在噪聲大，閥片抗疲勞性能低等問題[1～4]，試驗采用碳纖維復(fù)合材料閥片替代傳統(tǒng)的金屬閥片，使壓縮機的噪聲有較大幅度的下降，閥片抗疲勞壽命有所提高，最后通過試驗加以驗證。

1.1 壓縮機排氣閥片靜應(yīng)力分析

閥片在實際工作中的受力情況是一個流固耦合問題[5]，而在靜強度分析中，只需分析閥片所承受的最大的載荷。因此，如圖1所示僅需對閥片施加位移邊界條件，使閥片達(dá)到最大的位移位置，從而得到其所承受的最大應(yīng)力強度[6]?？紤]到閥片厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于長度方向上的尺寸，為便于計算，將模型采用殼屬性。通用商業(yè)軟件Abaqus被用于計算四邊形網(wǎng)格用于閥片的劃分，節(jié)點數(shù)13 651，單元數(shù)13 563，如圖2所示。

厚度為0.152 mm的排氣閥片在上述邊界條件下的應(yīng)力強度云圖如圖3所示?？梢缘玫介y片上的最大壓力強度是265.3 MPa。

根據(jù)以上分析，可以看出最大應(yīng)力位于閥片根部，因此可以看成是一個受到彎矩作用的閥片，經(jīng)過計算，當(dāng)閥片上作用4.192 3 N.mm的彎矩的時候，其最大應(yīng)力與閥片應(yīng)力相同，根據(jù)這個載荷，可以對閥片進(jìn)行復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計。

1.2 碳纖維復(fù)合材料閥片的優(yōu)化設(shè)計

由于閥片的受力近似于平板受到彎矩的作用，因此將以上彎矩作為設(shè)計載荷，對閥片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時考慮到閥片的厚度不能與原來閥片厚度相差很大，因此選擇（0°±φ）s的復(fù)合方式，每一層的厚度為0.07 mm，對材料為T300、T700碳纖維預(yù)浸樹脂單向纖維，分別進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的纖維分布角度和層數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，可以得出圖4～5所示的隨角φ變化的度安全設(shè)計曲線，其中R＞1的角度是均為安全可選用的角度。T300碳纖維只有很小角度（＜10°）的情況下才是可選用的；選用T700碳纖維可以滿足任意角度φ，考慮到市場上材料的可獲得性，因此選用（0°±45°）s作為閥片的纖維敷設(shè)角度，層數(shù)為6層[7～10]。

圖1 閥片所受約束和載荷

圖2 閥片的網(wǎng)格劃分

圖3 閥片應(yīng)力強度云圖

最后得到試制的樣品如圖6所示。

2 試驗研究與討論

2.1 實驗測試臺結(jié)構(gòu)與原理

圖4 0°(0°±φ)s T300碳纖維安全設(shè)計曲線

圖5 (0°±φ)s T700碳纖維安全設(shè)計曲線

圖6 碳纖維復(fù)合材料閥片樣品

按照GB/T5733-2004《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》，采用第二制冷劑量熱法設(shè)計試驗裝置，試驗臺主要由電量熱器、水冷卻系統(tǒng)和壓縮機組成。采用電量熱器法，它的基本原理是利用電加熱器發(fā)出的熱量來抵消壓縮機的制冷量，從而達(dá)到平衡[11～14]。圖7為壓縮機性能測試臺原理圖，圖8為壓縮機性能測試臺。

2.2 測試結(jié)果與討論

在該試驗臺上分別對壓縮機的制冷性能和噪聲進(jìn)行了測試，測試結(jié)果為COP值1.85，與傳統(tǒng)Sandvik金屬閥片相比基本相同，噪聲為61 dB與傳統(tǒng)金屬閥片相比降低4 分貝。由于復(fù)合材料閥片與金屬閥體的表面貼合略差于金屬與金屬的貼合度，而碳纖維復(fù)合材料表面無法進(jìn)行打磨，因此導(dǎo)致制冷效率略有下降。同時由于碳纖維復(fù)合材料與金屬的碰擊聲音要小于金屬與金屬碰撞引起的噪音，所以噪音有了較大幅度的下降[15～18]。

圖7 壓縮機性能測試臺原理圖

圖8 壓縮機性能測試臺

3 結(jié)論

針對目前小型壓縮機存在噪聲大、閥片抗疲勞性能低等問題，本研究提出采用碳纖維復(fù)合材料閥片替代傳統(tǒng)的金屬閥片，這種高強度復(fù)合材料可以使壓縮機的噪聲有較大幅度的下降，閥片抗疲勞壽命有所提高，最后通過試驗加以驗證。測試結(jié)果為COP值1.85，與傳統(tǒng)Sandvik金屬閥片相比基本相同，噪聲為61 dB，與傳統(tǒng)金屬閥片相比降低降低4 dB。由于復(fù)合材料閥片與金屬閥體的表面貼合略差于金屬與金屬的貼合度，而碳纖維復(fù)合材料表面無法進(jìn)行打磨，因此導(dǎo)致制冷效率略有下降。同時由于碳纖維復(fù)合材料與金屬的碰擊聲音要小于金屬與金屬的碰撞，所以噪音有了較大幅度的下降。

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Performance experimental research of carbon fi ber composite valves of small compressor

ZHANG Guo-jiang1, ZHENG Chuan-xiang2, LIU Yuan-feng1, ZHU Guo-chang1, WU Jia-yi2
( 1. Hangzhou Qianjiang Compressor Co., Ltd, Hangzhou 310013 China; 2. Zhejiang University, Hangzhou 310027 China )

Aiming at the problem of heavy noise and low fatigue life of the valve, the carbon fiber composite valve plate is optimal designed to replace the traditional metal valve. The results show that this kind of advanced composite valve can reduce the compressor noise greatly, and the fatigue life is improved. Finally, it is verified by experiment.

carbon fiber composite materials; compressor valves; noise; fatigue resistance; manufacture; test

TB334; TH45

A

1007-9815（2016）06-0053-04

定稿日期: 2016-12-15

章國江（1957-），男，杭州人，高級工程師，主要從事壓縮機研究；通訊作者：鄭傳祥，教授，博士，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算，(電子信箱)zhchx@zju.edu.cn。