滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)基頻振動測試和仿真

李政 王海軍

上海海立電器有限公司 上海 201206

0 引言

空調(diào)外機(jī)配管系統(tǒng)的振動和噪聲問題一直是空調(diào)和壓縮機(jī)廠家共同關(guān)注的關(guān)鍵問題之一。其中低頻振動、噪聲極易通過墻體傳入室內(nèi)側(cè)，影響消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。季振勤等通過對空調(diào)外機(jī)鈑金件結(jié)構(gòu)的低頻振動和異常噪聲的FFT分析，確認(rèn)了壓縮機(jī)振動是導(dǎo)致室外機(jī)產(chǎn)生低頻振動和異常噪聲的主要原因[1-3]。因此，準(zhǔn)確的預(yù)估壓縮機(jī)的低頻振動特性成了亟待解決的關(guān)鍵問題。

長期以來，對壓縮機(jī)的低頻振動的研究主要關(guān)注基頻回轉(zhuǎn)振動，即滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)吸排氣腔的阻力矩的周期性波動，迫使壓縮機(jī)產(chǎn)生的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動[4]，而對壓縮機(jī)的徑向振動和軸向振動關(guān)注較少。壓縮機(jī)回轉(zhuǎn)振動是影響空調(diào)配管振動、應(yīng)力的主要因素，但隨著空調(diào)配管振動、應(yīng)力仿真要求的不斷提高，僅用回轉(zhuǎn)運(yùn)動描述壓縮機(jī)的振動，已經(jīng)不能滿足仿真精度的需求。壓縮機(jī)徑向振動和軸向振動對配管振動、應(yīng)力的影響逐步凸顯。因此，精確模擬壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，是提高空調(diào)配管振動、應(yīng)力仿真準(zhǔn)確性的必然要求。

本文以某型號壓縮機(jī)為研究對象，通過對壓縮機(jī)殼體表面的工作振型（ODS）測試，獲得了壓縮機(jī)殼體表面的徑向、軸向、切向基頻振動分布。并通過構(gòu)建包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)模型，分區(qū)域進(jìn)行簡諧激勵(lì)加載，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)單體基頻振動的精確仿真，并預(yù)測了不同壓縮機(jī)方案的振動變化趨勢，最終有效降低了壓縮機(jī)各方向的基頻振動值。

1 壓縮機(jī)表面振動試驗(yàn)測試

ODS測試是工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的相對振動。壓縮機(jī)殼體表面的ODS分析方法，可以獲得壓縮機(jī)在常用工作條件及一定頻率下的實(shí)際動態(tài)特性，可以更加形象、直觀地顯示壓縮機(jī)的振動形態(tài)[5]。

壓縮機(jī)殼體表面的工作陣型測試是根據(jù)壓縮機(jī)的殼體形狀，將殼體圓柱面分為上中下三層，每層間隔45°設(shè)定一個(gè)測點(diǎn)（排除儲液器連接位置）。用殼體表面共計(jì)21個(gè)測點(diǎn)來表征壓縮機(jī)的振動形態(tài)，壓縮機(jī)的測點(diǎn)確定及劃分如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)殼體表面的ODS測點(diǎn)布置

壓縮機(jī)運(yùn)行新國標(biāo)工況，測得殼體表面的基頻振動特性如圖2所示，其中壓縮機(jī)殼體表面振動以回轉(zhuǎn)切向（Y向）振動為主，同時(shí)兼有徑向（X向）和軸向（Z向）的往復(fù)振動。圖3是將各測點(diǎn)的切向、徑向、軸向基頻振動幅值分別提取繪制的殼體振動分布雷達(dá)圖。其中，0°位置為儲液器連接位置（無測點(diǎn)）。表1～表3為殼體各點(diǎn)位置沿三個(gè)方向的相位測試結(jié)果。

表1 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，切向振動相位（°）

表3 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，軸向振動相位（°）

圖2 壓縮機(jī)殼體表面的ODS振型

圖3 壓縮機(jī)振動測試，不同位置的振動分布（m/s2）

由上述壓縮機(jī)殼體表面不同位置切向、徑向和軸向的振動分布結(jié)果可知：

（1）壓縮機(jī)不同點(diǎn)位置的振動值各不相同。壓縮機(jī)振動以回轉(zhuǎn)切向振動為主，徑向振動次之，軸向振動最小。

表2 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，徑向振動相位（°）

（2）壓縮機(jī)殼體切向振動：壓縮機(jī)整體切向振動圖形向背離儲液器側(cè)偏移；軸向各層沿圓周方向的振動值分布近似圓形；上、下層的切向振動圓心偏移方向相反；各點(diǎn)位置切向振動相位相近同時(shí)達(dá)到最大振動幅值。

（3）壓縮機(jī)殼體徑向振動：各層振動幅值在圓周方向呈狹長狀分布；上、下兩端振動幅值大，中間位置振動幅值小。

（4）壓縮機(jī)殼體軸向振動：相同高度位置，沿圓周方向各點(diǎn)振動幅值不同；相同角度位置，沿軸線方向各點(diǎn)振動幅值及相位基本一致。

2 簡諧激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動理論

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的載荷激勵(lì)主要分為電機(jī)驅(qū)動力矩和氣體阻力矩的周期性波動，以及運(yùn)動部件的慣性力產(chǎn)生的周期性載荷。相對壓縮機(jī)質(zhì)心而言，壓縮機(jī)的總載荷是連續(xù)變化的。其大小和方向都在隨曲軸轉(zhuǎn)角而動態(tài)變化，直接分析非常困難。但是在壓縮機(jī)的某單一自由度方向上，各載荷的分量具有簡諧性或周期性，該方向上的壓縮機(jī)振動響應(yīng)符合強(qiáng)迫振動理論。再利用線性系統(tǒng)的疊加原理，將各個(gè)分載荷的振動響應(yīng)疊加，即可獲得壓縮機(jī)在該自由度方向上的總振動響應(yīng)。

單自由度線性系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動的運(yùn)動微分方程為[6]：

其中，F(xiàn)(t)為諧波激勵(lì)力；A=F/k是與簡諧激勵(lì)力的力幅F相等的恒力作用在系統(tǒng)上所引起的靜位移；k為系統(tǒng)的靜剛度。

式（1）微分方程的穩(wěn)態(tài)解為：

其中：X為系統(tǒng)響應(yīng)的幅值；φ為系統(tǒng)響應(yīng)的相位。

其中，wn為系統(tǒng)的固有頻率；ξ為系統(tǒng)阻尼率。

3 壓縮機(jī)振動仿真

ANSYS諧響應(yīng)仿真模塊主要分析結(jié)構(gòu)在周期性簡諧載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，適用于壓縮機(jī)基頻振動的仿真模擬。壓縮機(jī)基頻振動諧響應(yīng)計(jì)算：首先，建立準(zhǔn)確的壓縮機(jī)三維模型，如圖4所示，包括壓縮機(jī)內(nèi)部不平衡質(zhì)量部件、葉片滑動部件和泵體波動力矩承載部件。其次，對壓縮機(jī)內(nèi)部各周期載荷進(jìn)行傅立葉分解，取基頻分量作為載荷幅值。并假定壓縮機(jī)軸系由某一固定點(diǎn)位起始旋轉(zhuǎn)，建立各載荷間的相位關(guān)系，模擬壓縮機(jī)內(nèi)部激勵(lì)載荷的作用順序。其中，回轉(zhuǎn)離心力由兩個(gè)正交方向的等幅值、相位差90°的載荷組等效。最后，約束壓縮機(jī)橡膠底腳支撐面，將吸排氣管口的連接端做自由邊界處理進(jìn)行模擬仿真。壓縮機(jī)振動仿真載荷如表4所示。

圖4 包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)仿真模型

表4 壓縮機(jī)振動仿真載荷

參考ODS試驗(yàn)殼體測試采樣點(diǎn)分布，將殼體表面分為上、中、下三層，每層間隔45°分別提取各點(diǎn)的Y切向、X徑向和Z軸向的振動加速度。利用各點(diǎn)位置的振動幅值繪制雷達(dá)圖如圖5所示，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)位置在三個(gè)方向的相位信息如表5～表7所示。

圖5 壓縮機(jī)振動仿真，殼體不同位置的振動分布（m/s2）

對比圖3和圖5殼體各點(diǎn)位置試驗(yàn)與仿真結(jié)果的振動幅值雷達(dá)圖，以及表5～表7各點(diǎn)位置的振動相位對比可知：壓縮機(jī)殼體表面振動加速度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果分布相近。即壓縮機(jī)的實(shí)際振動表現(xiàn)符合簡諧激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動理論，利用ANSYS諧響應(yīng)仿真模塊可以仿真壓縮機(jī)的切向、徑向、軸向振動分布狀態(tài)。并且仿真方法可以規(guī)避多種不必要的試驗(yàn)測試誤差，對殼體各點(diǎn)位置的振動分布規(guī)律表現(xiàn)的更為清晰。壓縮機(jī)殼體基頻振動分布還有如下特性：

表5 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，切向振動的相位對比（°）

表7 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，軸向振動的相位對比（°）

（1）壓縮機(jī)殼體切向振動：在軸向相同高度處，圓周方向兩點(diǎn)間隔180°切向振動幅值相加約等于切向振動均值；

（2）壓縮機(jī)殼體徑向振動：在軸向相同高度處，圓周方向兩點(diǎn)間隔180°徑向振動幅值基本相同，相位相差180°；

（3）壓縮機(jī)殼體軸向振動：沿圓周方向，軸向不同高度各點(diǎn)振動幅值與相位均一致。

4 壓縮機(jī)振動改善

隨著空調(diào)器廠家對低頻振動要求愈加嚴(yán)格，某空調(diào)器廠家要求壓縮機(jī)切向基頻主振動小于15 m/s2。實(shí)測樣機(jī)殼體表面最大切向振動幅值為18.3 m/s2，超過樣機(jī)匹配的振動標(biāo)準(zhǔn)。為降低壓縮機(jī)的振動值，利用上述仿真模擬方法對三種壓縮機(jī)變更方案進(jìn)行模擬仿真和試驗(yàn)測試。對比模擬仿真和試驗(yàn)測試結(jié)果，記錄殼體表面各測點(diǎn)在三個(gè)方向的最大振動加速度，如圖6所示。

表6 壓縮機(jī)殼體21點(diǎn)，徑向振動的相位對比（°）

圖6 壓縮機(jī)振動加速度Max值對比（m/s2）

由上述壓縮機(jī)殼體表面三個(gè)方向的振動加速度Max值對比可知：

（1）壓縮機(jī)振動模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果變化趨勢相一致，利用該仿真方法可以準(zhǔn)確預(yù)測不同方案壓縮機(jī)的振動改善效果。其中，單向振動最大偏差不大于23%，各方向平均偏差小于12%。

（2）方案一，增加了壓縮機(jī)切向回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，壓縮機(jī)切向振動幅值減小，但徑向和軸向振動幅值均有增大。

（3）方案二，轉(zhuǎn)子平衡百分比的變更，Y切向和X徑向振動幅值均顯著變差。

（4）方案三，即增加了壓縮機(jī)切向回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，同時(shí)又調(diào)整了壓縮機(jī)質(zhì)心位置和回轉(zhuǎn)軸線的傾斜程度。壓縮機(jī)殼體表面三個(gè)方向的振動幅值均有改善，切向振動降低23%，徑向振動降低6%，軸向振動降低8%，滿足空調(diào)器廠家切向振動小于15 m/s2的要求。

5 結(jié)論

本文通過ODS方法測試了壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的殼體振動分布規(guī)律，并利用諧響應(yīng)仿真方法準(zhǔn)確的模擬了壓縮機(jī)的基頻振動。根據(jù)試驗(yàn)測試和模擬仿真的結(jié)果表明：

（1）壓縮機(jī)殼體表面不同點(diǎn)位置的振動值各不相同。壓縮機(jī)振動以回轉(zhuǎn)切向振動為主，徑向振動次之，軸向振動最小。

（2）壓縮機(jī)殼體切向振動：壓縮機(jī)整體切向振動圖形向背離儲液器側(cè)偏移；軸向各層沿圓周方向的振動值分布近似圓形；上、下層的切向振動圓心偏移方向相反；各點(diǎn)位置切向振動相位相近同時(shí)達(dá)到最大振動幅值。在軸向相同高度處，圓周方向兩點(diǎn)間隔180°切向振動值相加，近似等于切向振動均值；

（3）壓縮機(jī)殼體徑向振動：各層振動幅值在圓周方向呈狹長狀分布；上、下兩端徑向振動幅值大，中間位置振動幅值?。惠S向相同高度位置，在圓周方向兩點(diǎn)間隔180°時(shí)，徑向振幅基本相同，相位相差180°；

（4）壓縮機(jī)殼體軸向振動：相同高度位置，沿圓周方向各點(diǎn)振動幅值不同；相同角度位置，沿軸線方向各點(diǎn)振動幅值與相位均一致。

（5）壓縮機(jī)振動模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果變化趨勢相一致，利用該仿真方法可以準(zhǔn)確預(yù)測不同方案壓縮機(jī)的振動改善效果。其中，單方向振動最大偏差不大于23%，各方向平均偏差小于12%。

（6）增加轉(zhuǎn)動慣量調(diào)整質(zhì)心位置，可以有效降低壓縮機(jī)三個(gè)方向的振動值。本次試驗(yàn)結(jié)果，壓縮機(jī)殼體表面切向振動降低23%，徑向振動降低6%，軸向振動降低8%。