空調(diào)壓縮機管路模態(tài)分析與模態(tài)測試

張 旭，高欽翔，李 青，朱正龍

(遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006)

空調(diào)系統(tǒng)四大核心部件是壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流部件，連接銅管作為冷媒介質(zhì)在四大部件之間流通循環(huán)的必要通道，其配管管型的減振設(shè)計一直是工程師無法繞開的問題，管路振動是空調(diào)故障中的首要破壞因素之一，根據(jù)調(diào)查可知，壓縮機殼體的振動傳遞及管內(nèi)工作流質(zhì)的擾動[1]是引發(fā)配管振動的原因，嚴(yán)重時會加速銅管疲勞斷裂及空調(diào)制冷劑泄漏問題，影響空調(diào)的功能和安全，降低空調(diào)使用壽命。因此，如何對空調(diào)進行配管設(shè)計及試驗整改，以達到減振效果，具有較大的實際意義。[1]

對管道系統(tǒng)的振動研究，于麒麟等[2]利用有限元方法對空調(diào)配管進行了模態(tài)分析，并改進了管路設(shè)計；黃輝等[3]利用有限元方法研究了銅管壁厚及殘余應(yīng)力對銅管模態(tài)頻率及振型的影響；張曉偉等[4]利用有限元方法研究了銅管壁厚及阻尼配重對銅管減振效果的影響；魯華平等[5]利用試驗激勵的方法研究了空調(diào)機組的時域響應(yīng)數(shù)據(jù)。目前還很少出現(xiàn)采用模態(tài)錘擊試驗法[6]對振源結(jié)構(gòu)進行振源識別、固有頻率分析診斷的案例，較少發(fā)現(xiàn)采用模態(tài)試驗及有限元模態(tài)分析方法相結(jié)合的快速整改方法。

本文以某空調(diào)機組[7]為研究對象，結(jié)合模態(tài)分析及模態(tài)試驗對空調(diào)配管進行了研究，驗證了以模態(tài)試驗結(jié)果為診斷依據(jù)，以模態(tài)分析結(jié)果為參考依據(jù)的配管設(shè)計與優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性，對產(chǎn)品改進優(yōu)化、提高質(zhì)量具有重要意義。

1 配管結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析及結(jié)果

空調(diào)配管系統(tǒng)在工作時發(fā)生振動，主要受壓縮機吸氣口和排氣口低頻氣流激勵，在管道上產(chǎn)生壓力脈動（尤其是管道的折彎、變截面和閥門處）導(dǎo)致管道振動。由于配管結(jié)構(gòu)主要承受壓縮機振源的激勵，非出口的定頻渦旋壓縮機額定轉(zhuǎn)速一般在2900r/min，所以配管結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型主要關(guān)注壓縮機激勵主頻率±10%附近的共振影響頻帶，即44～53Hz。

為了探究壓縮機激勵是否與配管系統(tǒng)發(fā)生共振，采用有限元方法對配管系統(tǒng)進行模態(tài)分析。本分析主要考察管路振動特性，對機組簡化完非必要部件后，建立有限元模型（圖1）。將壓冷凝接管端、壓縮機支撐底腳、氣液分離器底腳、殼管底腳施加固定約束。所有銅管采用殼單元，并使用子空間迭代法對管系結(jié)構(gòu)進行求解，提取前20階模態(tài)的固有頻率，如圖2所示。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果顯示，共振帶內(nèi)共有5階固有頻率，但振型最大位移非雙系統(tǒng)下的吸氣管與排氣管管型，設(shè)計較好的避開了43～53Hz共振帶的影響，無運行共振風(fēng)險。

但在試驗樣機測試階段，雙系統(tǒng)下的吸氣管與排氣管皆出現(xiàn)明顯振動超標(biāo)問題，為此開展了對應(yīng)模塊機試驗整改問題的深入研究。

2 空調(diào)配管模態(tài)試驗及測試結(jié)果

采用LMS Test Lab.12A[8]對渦旋壓縮機、吸氣管、排氣管在制冷和制熱工況（高電壓、額定電壓、低電壓）下分別進行了頻譜測試和模態(tài)錘擊測試。對渦輪壓縮機3個機腳及頂蓋3個位置進行了振動測試，如圖3所示，相應(yīng)的頻率測試結(jié)果如圖4所示。

圖4所示，渦旋壓縮機有轉(zhuǎn)動1倍固有頻率47Hz、轉(zhuǎn)動2倍固有頻率95Hz、馬達1階力波頻率100Hz，轉(zhuǎn)動3倍固有頻率141Hz。吸氣管在壓縮機馬達 1階力波頻率 100Hz，和轉(zhuǎn)動3倍固有頻率141Hz出現(xiàn)振動幅值遠大于壓縮機本體的現(xiàn)象，100Hz和141Hz處有可能存在共振。相應(yīng)的，排氣管在141Hz處有可能存在共振。

為了探究壓縮機吸氣管及排氣管振動值超標(biāo)是否為共振原因?qū)е?，進一步開展了吸氣管及排氣管的模態(tài)錘擊測試，吸氣管及排氣管的固有頻率識別結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5所示，吸氣管固有頻率102Hz與壓縮機馬達1階力波頻極為接近，吸氣管固有頻率136Hz與壓縮機轉(zhuǎn)動3倍頻141Hz較為接近，充分說明了吸氣管振動超標(biāo)問題是100Hz和141Hz處共振問題導(dǎo)致。

圖6所示，排氣管固有頻率是53.5Hz和71Hz，較好的避開了壓縮機1倍、2倍、3倍轉(zhuǎn)頻的影響，因此在圖4中出現(xiàn)的排氣管在三倍頻的幅值放大原因應(yīng)該是吸氣管共振的波及影響。所以吸排氣管超標(biāo)問題的解決方案是吸氣管避開100Hz和141Hz的共振影響。

3 吸氣管型設(shè)計方案整改

根據(jù)吸氣管原方案的模態(tài)錘擊試驗及模態(tài)分析結(jié)果，確定吸氣管管型更改方案上要避開100Hz和141Hz的共振影響，同時還要防止2倍頻96Hz的影響，因此確定了將吸氣管固有頻率降低10Hz的設(shè)計更改方向。

根據(jù)原方案的模態(tài)分析結(jié)果，找到與吸氣管固有頻率136Hz較為接近的吸氣管振型129Hz為參照，通過吸氣管第2彎的向下延伸，使其達到吸氣管固有頻率降低至118Hz左右的效果，如圖8所示。

該更改方案下發(fā)試制并試驗驗證后，圓滿解決了該機組吸排氣管的應(yīng)變超標(biāo)問題。

4 總結(jié)

該渦旋壓縮機空調(diào)系統(tǒng)配管在設(shè)計階段采用了有限元分析及模態(tài)試驗相結(jié)合的手段，高效解決了壓縮機吸排氣管路的共振問題，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）只關(guān)注渦旋壓縮機1倍轉(zhuǎn)頻附近的方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)，渦旋壓縮機的特征頻率應(yīng)該包含1倍轉(zhuǎn)頻、2倍轉(zhuǎn)頻、馬達一階力波頻率、3倍轉(zhuǎn)頻。

（2）模態(tài)分析結(jié)果與模態(tài)錘擊試驗識別結(jié)果具有較好的吻合度，例如吸氣管129Hz比模態(tài)錘擊136Hz小了7Hz，主要是有限元分析模型簡化及試驗測試的雙重誤差影響。

（3）對于管路振動問題整改，應(yīng)重點關(guān)注壓縮機吸排氣管口與吸排氣管的振動幅值放大比例關(guān)系，良好識別共振現(xiàn)象。

（4）結(jié)合FFT頻譜原因分析，找到FEA模態(tài)分析結(jié)果對應(yīng)的振型及頻率，并以此頻率為參照進行整改，使整改的方法具有準(zhǔn)確性。