空調(diào)室外機(jī)管路系統(tǒng)的模態(tài)仿真分析

張寧波,汪建曉,張立平

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528000)

空調(diào)室外機(jī)管路系統(tǒng)的模態(tài)仿真分析

張寧波,汪建曉,張立平

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528000)

空調(diào)管路中的排氣管和回氣管在長(zhǎng)期工作下因振動(dòng)而產(chǎn)生疲勞和松動(dòng)，這將會(huì)影響管路的使用性能。針對(duì)空調(diào)管路振動(dòng)問(wèn)題，建立了管路模型，運(yùn)用ANSYS中的workbench模塊對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并對(duì)比分析了阻尼和管路結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)固有頻率的影響，通過(guò)改變固有頻率來(lái)避開(kāi)管路共振。

管路振動(dòng)；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；workbench

1 前言

空調(diào)室外機(jī)在工作過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，這些振動(dòng)和噪聲給人們的生活造成了一定的影響。長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致空調(diào)各零部件松動(dòng)且使用性能下降?？照{(diào)室外機(jī)的振動(dòng)主要來(lái)源于壓縮機(jī)，壓縮機(jī)在工作過(guò)程中不僅會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞到與之相連的管路上。管路是空調(diào)冷媒運(yùn)輸?shù)闹匾考?，長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)使得管路產(chǎn)生疲勞和松動(dòng)，甚至導(dǎo)致冷媒的泄漏。根據(jù)調(diào)查可知，管路振動(dòng)是空調(diào)故障中的首要破壞因素之一[1]。因此需要對(duì)管路進(jìn)行著重研究，降低管路振動(dòng)大小，提高管道使用性能。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)空調(diào)管路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模態(tài)分析，提出了合理的管路設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[5]研究了管路壁厚和阻尼配重對(duì)管路振動(dòng)模態(tài)的影響，提出了管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理建議。文獻(xiàn)[6]對(duì)管路進(jìn)行了有限元分析，并在管路不同部位施加約束位移，通過(guò)對(duì)比分析得出了管路最佳優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)[7]簡(jiǎn)述了有限元分析技術(shù)在空調(diào)應(yīng)力應(yīng)變分析中的重要性。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，著重對(duì)空調(diào)室外機(jī)管路進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并對(duì)比分析2種減振措施的效果。

2 管路模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析基本理論

對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到管路的各階固有頻率大小和各階固有頻率下相應(yīng)的振型[8]。管路是一個(gè)連續(xù)振動(dòng)系統(tǒng)，其模態(tài)分析即為分析管路在沒(méi)有外界激勵(lì)和略去阻尼作用下其各階固有頻率和相應(yīng)振型，其計(jì)算公式為：

(1)

式中 [M]——質(zhì)量矩陣 [K]——?jiǎng)偠染仃?/p>

無(wú)阻尼模態(tài)分析求解的基本方程為求解特征值問(wèn)題，即：

(2)

式中 {φ}i——特征向量，表示第i階振型ωi——第i階固有頻率

2.2 壓縮機(jī)激勵(lì)頻率計(jì)算

壓縮機(jī)間歇性吸氣和排氣產(chǎn)生的振動(dòng)作為激振力傳遞給管道，導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率和管道固有頻率接近時(shí)會(huì)導(dǎo)致共振，因此需要計(jì)算出壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率來(lái)避開(kāi)共振點(diǎn)。壓縮機(jī)激發(fā)頻率計(jì)算公式為[9,10]：

fy=mn/60

(3)

式中fy——壓縮機(jī)激勵(lì)頻率m——曲軸每轉(zhuǎn)一周向管道吸氣或排氣的次數(shù)，單作用壓縮機(jī)m=1，雙作用壓縮機(jī)m=2

n——壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速

通過(guò)數(shù)據(jù)收集可知，空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速n為2850～2980r/min。根據(jù)某型空調(diào)，其單作用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2900r/min，借助式(3)可算出壓縮機(jī)激勵(lì)頻率為48.3Hz。為了避免激勵(lì)頻率與管路結(jié)構(gòu)固有頻率接近而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振，需對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。

2.3 管路模態(tài)分析

在實(shí)際應(yīng)用中，空調(diào)管路材料一般為紫銅，其彈性模量為1.27×105MPa，密度為8900kg/m3，泊松比為0.33。四通閥材料為黃銅，其密度為8900kg/m3,彈性模量為1.23×105MPa，泊松比為0.34。四通閥總質(zhì)量為300g，模態(tài)分析中，對(duì)四通閥構(gòu)件進(jìn)行等效質(zhì)量處理。根據(jù)某型1P空調(diào)，對(duì)四通閥模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后，其管路模型如圖1所示。

圖1 管路模型

在圖1中，排氣管端口與壓縮機(jī)相連接，回氣管端口與液體收集器相連接，四通閥對(duì)空調(diào)制冷制熱功能進(jìn)行控制。借助ANSYSWorkbench軟件對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析，由于冷凝器和低壓閥接管與固定端相連接，因此在這兩處施加固定約束[11]。相對(duì)排氣管和回氣管而言，壓縮機(jī)剛度很大，因此在回氣管和排氣管與壓縮機(jī)相連的端口施加固定約束。對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，提取管路前10階固有頻率，如表1所，并提取了管路的第1階和第2階振型圖，如圖2(a)和(b)所示。

表1 管路前10階固有頻率

(a) 第1階振型

(b) 第2階振型

從表1可知，管路的第1階固有頻率為48.729Hz，與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率48.3Hz極為接近，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。同時(shí)，由圖2管路振型圖可看出，管路振動(dòng)主要表現(xiàn)在回氣管下端U型部位和排氣管下端L型部位，其振動(dòng)方向主要為前后擺動(dòng)，即X和V方向。針對(duì)此現(xiàn)象，本文對(duì)影響管路模態(tài)的相關(guān)因素進(jìn)行了仿真分析。

3 模態(tài)影響因素仿真分析

3.1 阻尼對(duì)管系固有頻率影響

對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析分析時(shí)可知，在回氣管下端U型部位和排氣管下端L型部位產(chǎn)生的振動(dòng)變形較大，因此考慮分別在此兩處部位施加阻尼塊，主要是將阻尼塊包裹在管路上。阻尼塊材料為橡膠，彈性模量為10MPa，密度為860kg/m3，泊松比一般在0.45～0.50之間?？照{(diào)回氣管和排氣管施加阻尼塊模型如圖3(a)和(b)所示。

(a) 回氣管施加阻尼塊模型

(b) 排氣管施加阻尼塊模型

對(duì)分別施加阻尼塊的管路進(jìn)行模態(tài)分析，在管路4個(gè)端口分別施加固定約束，并提取管路前10階固有頻率和第1階振型圖，分別如表2和圖4(a)和(b)所示。由表2可知，回氣管施加阻尼塊后，管路第1階固有頻率變?yōu)?6.969Hz，有效地避開(kāi)了壓縮機(jī)激勵(lì)頻率48.3Hz。而排氣管施加阻尼塊后，管路的第1階固有頻率為48.182Hz，與壓縮機(jī)激勵(lì)頻率48.3Hz極為接近，不能有效的避開(kāi)激勵(lì)頻率。

表2 管路施加阻尼塊的前10階固有頻率

(a) 回氣管施加阻尼

(b) 排氣管施加阻尼

由圖4可知，在管路排氣管和回氣管分別施加阻尼后，管路第1階振型最大變形處為排氣管下端U型管處，其主要運(yùn)動(dòng)方向回氣管和排氣管的前后擺動(dòng)。通過(guò)對(duì)比分析可知，在回氣管上施加阻尼塊，可以有效地影響管路固有頻率，達(dá)到避振的目的。

3.2 優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)對(duì)管系固有頻率的影響

排氣管與壓縮機(jī)相連，長(zhǎng)期受到來(lái)自壓縮機(jī)工作時(shí)振動(dòng)的影響，同時(shí)壓縮機(jī)和排氣管產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞到回氣管上。在管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，排氣管盡量采用L型管，回氣管盡量采用U型管。管路優(yōu)化模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化管路模型

對(duì)優(yōu)化管路模型進(jìn)行模態(tài)分析，提取管路前10階固有頻率和第1階振圖，分別如表3和圖6所示。

表3 優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)前10階固有頻率

圖6 新模型第1階振型圖

通過(guò)表3可看出，對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，管路第1階固有頻率提高到56.992Hz，有效的避開(kāi)了壓縮機(jī)激勵(lì)頻率48.3Hz。由圖6可看出，新模型第1階振型變形最大值為排氣管下端L型部位，其運(yùn)動(dòng)方向主要表現(xiàn)為回氣管和排氣管的前后擺動(dòng)。即合理設(shè)計(jì)管路結(jié)構(gòu)可以有效地改變管路固有頻率，從而達(dá)到避振的效果。

4 管路諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)承受簡(jiǎn)諧變化載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)受迫下的振動(dòng)大小。壓縮機(jī)在工作過(guò)程中間歇性的吸氣和排氣所產(chǎn)生的激振力屬于簡(jiǎn)諧變化載荷。管路長(zhǎng)期受到壓縮機(jī)所產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激振力而產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)，因此還需對(duì)上述管路振動(dòng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。外界激勵(lì)一般在低頻范圍，因此管路振動(dòng)頻率分析范圍為0～150Hz。對(duì)比了上述施加阻尼塊的管路部位在原模型、回氣管施加阻尼塊和優(yōu)化管系結(jié)構(gòu)3種情況下最大位移值。如圖7所示。

圖7 管路變形位移值

由圖7可知，對(duì)管路進(jìn)行響應(yīng)分析時(shí)，原模型、施加阻尼模型和新模型其最大位移值分別為0.84147，0.34112，0.35624mm。由此可知，施加阻尼塊模型和新模型的位移值有明顯的下降。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)比分析可知，在對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析時(shí)，仿真模擬可以有效地分辨出管路避振方法的合理性與可靠性。在空調(diào)管路的實(shí)際工作過(guò)程中，管路總會(huì)受到外界激勵(lì)的影響，會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力和變形，因此需要提高管路本身的固有特性，加強(qiáng)管路本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高管路的抗振性能，避開(kāi)激勵(lì)頻率，并通過(guò)施加一定的外部約束條件來(lái)達(dá)到減振避振的目的。

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The Air Conditioner Outdoor Unit Modal Simulation Analysis of Piping System

ZHANG Ning-bo,WANG Jian-xiao,ZHANG Li-ping

(Foshan University，F(xiàn)oshan 528000,China)

The exhaust pipe and return pipe will produce fatigue and loose under the long-term vibration.It will influence the use of performance of pipes.In order to study the vibration of pipeline.The pipeline model was established based on workbench software,and the modal analysis and harmonic response analysis were carried out.Compared the natural frequency of damping and pipeline structure,by changing the natural frequency to avoid resonance.

pipeline vibration;modal analysis;harmonic response analysis;workbench

1005-0329(2017)02-0071-04

2016-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405083)；廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014KQNCX186)；佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(fsyq201409)

TH137；TG925.12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.016

張寧波(1991-)，女，在讀研究生,主要從事機(jī)械工程方面的研究，E-mail:1172331158@qq.com。

張立平(1979)，女，博士，副教授，主要從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)噪聲控制的研究，通訊地址：528000 廣東佛山市禪域區(qū)江灣一路18號(hào)佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，E-mail:lpzhangok@163.com。