立式脹管機(jī)接收器固定座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汪翔,儲(chǔ)杰,尤永貴,陳韜

(1.黃山三佳誼華精密機(jī)械有限公司,安徽 黃山,245400;2.休寧縣公共就業(yè)和人才服務(wù)中心,安徽 黃山,245400)

分體式空調(diào)以及空氣冷凝機(jī)組、熱泵機(jī)組等設(shè)備換熱器裝置中,翅片管式換熱器最常見(jiàn)[1]。在制造工藝流程中,翅片管式換熱器一般經(jīng)過(guò)換熱管U型彎管,翅片沖壓成形、換熱管-翅片脹管成形、彎曲成形、清洗烘干、焊接等過(guò)程[2]。脹管機(jī)是換熱管-翅片脹管成形環(huán)節(jié)的重要設(shè)備,通過(guò)脹大管徑將高速?zèng)_床成形好的翅片和換熱管緊密貼合在一起,保證翅片和換熱管緊密接觸,增強(qiáng)換熱效率。根據(jù)脹管機(jī)理,脹管機(jī)可分為液壓式、機(jī)械式、氣壓式、爆炸式等[3]。姜靖宇等[4-7]等研究了液壓脹接技術(shù)。目前,在制冷空調(diào)行業(yè)最常用的是機(jī)械式脹管,即通過(guò)伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)脹棒在換熱管中前進(jìn)來(lái)脹大管徑。李大永等[8-9]利用顯式算法有限元仿真模擬脹頭在銅管脹接過(guò)程,發(fā)現(xiàn)模擬和試驗(yàn)結(jié)果相符合,得出脹管驅(qū)動(dòng)力在峰值位置基本保持恒定,退回過(guò)程驅(qū)動(dòng)力是前進(jìn)時(shí)的1/3左右。唐鼎等[10]研究了脹接成形過(guò)程管翅接觸狀態(tài),發(fā)現(xiàn)脹管率與平均接觸壓力不呈相關(guān)關(guān)系,通過(guò)優(yōu)化成形工藝參數(shù),改善接觸均勻性,提高熱導(dǎo)率。夏琴香等[11]借助模擬手段,研究翅片脹接過(guò)程翹曲變形原因,發(fā)現(xiàn)翅片孔徑和脹球軸徑對(duì)翹曲變形程度影響最顯著。梁衛(wèi)平[12]優(yōu)化Φ7 mm換熱器脹接工藝參數(shù),得出光管最優(yōu)參數(shù)組合和內(nèi)螺紋管最優(yōu)參數(shù)組合。王相兵等[13]發(fā)現(xiàn)脹接接觸壓力與脹頭過(guò)盈量呈線性關(guān)系,與脹管率及接觸系數(shù)成正比。儲(chǔ)杰等[14]對(duì)脹管機(jī)擴(kuò)口座進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析并優(yōu)化,減小了擴(kuò)口座變形,提高了翅片管式換熱器二三次擴(kuò)口工藝質(zhì)量。脹管機(jī)夾爪夾緊裝置是脹管成形工藝重要的工作元件,對(duì)換熱管的收縮量起決定性作用。方豪等[15]對(duì)脹管機(jī)夾爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和正交優(yōu)化試驗(yàn),提高了夾爪壽命和夾爪穩(wěn)定夾持換熱管的能力。

管-翅式換熱器加工成形屬于整體式成形,利用一臺(tái)脹管機(jī)完成數(shù)列翅片和換熱管脹接成形,局部變形和彎曲會(huì)影響整體換熱器質(zhì)量。因此,脹管機(jī)每個(gè)工作元件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、精度均要嚴(yán)格滿(mǎn)足。為了減小換熱器在脹接過(guò)程發(fā)生的變形,提高脹管機(jī)生產(chǎn)合格率,本文以脹管機(jī)固定換熱管U部的接收器固定座為研究對(duì)象,進(jìn)行有限元分析及多變量響應(yīng)面優(yōu)化分析。

1 研究對(duì)象

以黃山三佳誼華精密機(jī)械有限公司研發(fā)制造的全自動(dòng)大型立式旋轉(zhuǎn)臺(tái)雙工位脹管機(jī)為研究對(duì)象。通過(guò)可編程控制器控制伺服電機(jī)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)等,用電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)脹桿、脹頭在換熱管中前進(jìn)脹大換熱管直徑以實(shí)現(xiàn)換熱管和翅片的緊密貼合,從而減小換熱管和翅片接觸熱阻,提高翅片管式換熱器的換熱效率。在脹管結(jié)束后,通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至擴(kuò)口工位以完成換熱管的二三次擴(kuò)口翻邊,便于后續(xù)焊接。脹管機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、脹桿動(dòng)力座、無(wú)收縮夾緊裝置、門(mén)-接收器固定裝置、擴(kuò)口裝置以及電氣控制裝置組成,如圖1(a)所示?？照{(diào)翅片管式換熱器待脹管樣品通過(guò)門(mén)板、接收器進(jìn)行固定,接收器安裝于接收器固定板上,固定板安裝于固定座上,通過(guò)固定座上的氣缸啟閉來(lái)夾緊和松開(kāi)接收器,如圖1(b)所示。作為脹管機(jī)的關(guān)鍵部分,對(duì)樣品的對(duì)齊度、垂直度要求較高,因此,對(duì)門(mén)板、接收器尺寸公差要求較高。同時(shí),由于換熱管脹管力較大,對(duì)接收器座強(qiáng)度提出一定要求。

1—門(mén)-接收器固定裝置;2—接收器固定座;3—翅片換熱管固定門(mén);4—?dú)飧?5—接收器;6—擴(kuò)口裝置;7—無(wú)收縮夾緊裝置;8—脹桿動(dòng)力座;9—機(jī)架;10—電氣控制裝置圖1 立式脹管機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram for vertical tube expander

2 有限元模型建立

選取接收器固定座為模擬仿真對(duì)象,研究其在脹管驅(qū)動(dòng)力和擴(kuò)口驅(qū)動(dòng)力受力變形情況。利用ANSYS Workbench建立接收器固定座的幾何模型,并劃分網(wǎng)格,選取靜力學(xué)Static Structual計(jì)算模塊,固定座材料為Q235,其力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 接收器固定座材料性能

網(wǎng)格選用四面體自動(dòng)劃分方法,網(wǎng)格質(zhì)量隨著單元尺寸減小而不斷提高,仿真結(jié)果越精準(zhǔn)。當(dāng)網(wǎng)格精細(xì)到一定程度,仿真結(jié)果變化率趨近于0,而此時(shí)模型的仿真結(jié)果達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。將網(wǎng)格尺寸從10.0 mm減小至2.0 mm,模型最大變形的變化率從2.3%下降至0.1%,并趨于0,見(jiàn)表2。這表明當(dāng)網(wǎng)格尺寸為2.0 mm時(shí),仿真結(jié)果已經(jīng)比較精準(zhǔn)了,如果繼續(xù)減小網(wǎng)格尺寸,仿真結(jié)果趨于一致,與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。因此,采用網(wǎng)格尺寸2.0 mm劃分模型,單元數(shù)量為867 454個(gè)。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

接收器固定座用內(nèi)六角螺絲固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上,整體承受數(shù)根換熱管的脹管力和擴(kuò)口力。按脹管機(jī)滿(mǎn)載工況下,即計(jì)算設(shè)計(jì)的所有換熱管同時(shí)脹管工藝和擴(kuò)口工藝,脹管力約8 t,擴(kuò)口力約24 t,因此,選擇模擬固定座在擴(kuò)口力作用下的變形和應(yīng)力。簡(jiǎn)化后的模型載荷和約束示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 載荷和約束設(shè)置示意圖Fig.2 Setting diagram of load and constraint

3 仿真結(jié)果

脹管機(jī)空調(diào)翅片換熱管接收器固定座變形和應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。變形最大位置出現(xiàn)在安裝氣缸的槽孔。由于槽孔鏤空缺少中邊板支撐,此處變形量比其他位置大,變形為0.095 737 mm。此處安裝的氣缸通過(guò)氣動(dòng)電磁閥啟閉,控制接收器夾緊和松開(kāi)換熱管。換熱管的夾緊量和垂直度會(huì)影響換熱管脹管工藝整體水平,比如換熱管收縮量、翅片平整、換熱管彎曲、每個(gè)換熱管長(zhǎng)度等,而此處的變形量會(huì)影響接收器的夾緊量和垂直度。應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在槽孔邊和頂面接觸處,應(yīng)力為236.21 MPa,超過(guò)了Q235屈服強(qiáng)度,可見(jiàn)此處會(huì)產(chǎn)生永久變形。隨著生產(chǎn)周期增加,變形越來(lái)越大,對(duì)翅片換熱管脹管質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。

圖3 接收器固定座變形應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud image of deformation and stress forthe receiver fixed base

4 優(yōu)化分析

由靜力學(xué)仿真分析結(jié)果可知,接收器固定座在氣缸安裝槽孔處變形量和應(yīng)力較大,會(huì)影響翅片管換熱器整體脹管質(zhì)量,需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,減小此處變形量和應(yīng)力。選取可能影響槽孔處受力的參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,示意圖見(jiàn)圖4。采用Workbench中多變量響應(yīng)曲面優(yōu)化分析工具(response surface optimization),以最大變形為目標(biāo),進(jìn)行多變量?jī)?yōu)化分析。優(yōu)化前,接收器固定座結(jié)構(gòu)參數(shù)P7為10 mm,P8為15 mm,P10為10 mm,P11為50 mm,P12為20 mm。表3中參數(shù)變化范圍在Workbench中設(shè)定后,計(jì)算機(jī)根據(jù)參數(shù)取值分別進(jìn)行靜力學(xué)模塊分析。計(jì)算結(jié)束后,將各參數(shù)對(duì)最大變形量的影響情況進(jìn)行分析。

表3 優(yōu)化參數(shù)變化范圍

為了分析各參數(shù)對(duì)固定座結(jié)構(gòu)最大變形量的影響,將5組參數(shù)變化量轉(zhuǎn)化為變化率,最大變形量P5作為Y軸,繪制成曲線圖,見(jiàn)圖5(a)。頂面厚P12對(duì)結(jié)構(gòu)變形量影響最大,隨著厚度增加,變形量減小;其次影響較大的是中邊厚P7,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;縱邊厚P8、加強(qiáng)筋厚P10、筋-槽距離P11對(duì)變形量影響不大。同時(shí),Workbench中各優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析也可反映各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形量的影響程度,為優(yōu)化參數(shù)提供參考,靈敏度分析結(jié)果見(jiàn)圖5(b)。分析結(jié)果與圖5(a)中參數(shù)對(duì)變形量影響曲線關(guān)系是一致的。頂面厚P12靈敏度最高,為-0.153 34,影響最大,負(fù)號(hào)表示負(fù)相關(guān)關(guān)系;其次是中邊厚P7靈敏度為-0.987 7;P8、P10、P11靈敏度接近于0,表明這3個(gè)參數(shù)對(duì)變形量影響不大。

P7、P12、P5響應(yīng)曲面圖見(jiàn)圖6。P7、P12參數(shù)最大取值處,最大變形量P5最小。響應(yīng)曲面也可以反映P7、P12對(duì)P5呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 P7、P12、P5響應(yīng)曲面圖Fig.6 Response surface plot of P7、P12、P5

通過(guò)多變量響應(yīng)曲面優(yōu)化,獲取最優(yōu)解如下:P7為12 mm,P8為14.397 mm,P10為12 mm,P11為45 mm,P12為25 mm時(shí),固定座最大變形量P5最小,為0.060 739 mm。分析結(jié)果表明,P8、P10、P11對(duì)P5影響較小,同時(shí),考慮到增加厚度會(huì)增加固定座質(zhì)量和成本,決定對(duì)P8、P10、P113個(gè)參數(shù)采用現(xiàn)有值。所以,優(yōu)化后的接收器固定座結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化如下:P7為12 mm,P8為15 mm,P10為10 mm,P11為50 mm,P12為25 mm。優(yōu)化后的模型受力變形和應(yīng)力分布見(jiàn)圖7,變形位置和優(yōu)化前結(jié)構(gòu)保持一致,最大變形量為0.062 162 mm,下降了35.07%。最大應(yīng)力位置位于頂板與氣缸槽孔邊接觸點(diǎn),和優(yōu)化前結(jié)構(gòu)一致,應(yīng)力減小為165.1 MPa,下降了30.1%。最大應(yīng)力小于Q235屈服強(qiáng)度,優(yōu)化后接收器固定座在強(qiáng)度上得到增加。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后變形應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud image of deformation and stress after structural optimization

5 結(jié)論

1)安裝夾緊換熱管小U氣缸的槽孔位置,變形量和應(yīng)力最大,其變形情況將影響氣缸鎖緊小U夾緊量和垂直度,可作為分析空調(diào)翅片換熱器脹管質(zhì)量的原因之一。

2)固定座頂面板厚P12、中邊板厚P7對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響最大,隨著厚度增加,變形量減小。

3)優(yōu)化前,最大變形量為0.095 737 mm,最大應(yīng)力為236.21 MPa;優(yōu)化后,最大變形量為0.062 162 mm,減小了35.07%,最大應(yīng)力為165.1 MPa,減小了30.1%;優(yōu)化后,氣缸安裝處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所增加。