冷水機配管的動力學仿真與優(yōu)化

李芳溪 胡 濤 汪 峰 鄒惠芬 厲 虹

（1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.杭州三花微通道換熱器有限公司，浙江 杭州 310018；3.三花新能源熱管理科技（杭州）有限公司，浙江 杭州 310018）

對制冷空調(diào)設備來說，振動和噪聲是關系到設備性能的兩個主要因素。設備的振動主要來源是壓縮機和風機，壓縮機因其振幅較大，且與換熱器間通過管路連接，除了由振動引發(fā)噪聲以外，還可能由于振動過程產(chǎn)生過大的、管路無法長期承受的應力和位移，導致管路泄漏和斷裂，從而造成設備停機，引發(fā)更嚴重的后果，如何解決這一隱患成為行業(yè)內(nèi)工程技術人員需要面對的問題。通常在產(chǎn)品開發(fā)過程中，設計人員會結合經(jīng)驗完成對管路走向、彎曲半徑、彎曲位置等布置，并在樣機組裝完成后由測試人員根據(jù)設備工況進行壓縮機管路振動應力等型式試驗進行驗證。上述設計流程對設計人員的經(jīng)驗水平要求極高，一旦發(fā)生疏漏，便成為產(chǎn)品快速開發(fā)的阻礙，也會增加相關成本。

楊靖[1]使用ANSYS對管路進行模態(tài)分析，對壓縮機和管路整體進行諧響應分析，完成了對空調(diào)外機壓縮機管路的設計優(yōu)化。盧劍偉等[2]比較有限元分析和單體振動測試結果，得知了壓縮機的振動特性，通過假定的壓縮機激勵完成了整體有限元分析和管路優(yōu)化。金濤等[3]開發(fā)了順序為三維設計、多種有限元分析、管路優(yōu)化、樣機測試、管路再優(yōu)化的管路設計流程。楊元濤[4]綜合實驗測試與分析結果，使用VC++開發(fā)了綜合多個軟件的壓縮機管路振動分析程序。劉曉明等[5]通過管路應力測試進一步驗證了有限元分析用于管路振動優(yōu)化的有效性?？紫閺姷萚6]對管道內(nèi)部氣柱模型進行有限元模態(tài)分析，驗證了管路長度和支撐數(shù)目對優(yōu)化的影響。雷朋飛等[7]使用Solidworks作為有限元分析軟件，在熱泵系統(tǒng)中完成了振動測試布點的優(yōu)化。李政等[8]結合ODS測試與諧響應分析，優(yōu)化了壓縮機單體設計，同時得出了該系列滾動轉子壓縮機殼體表面的振動分布規(guī)律。

本研究以雙系統(tǒng)冷水機作為優(yōu)化對象，使用Solidworks和ANSYS完成了壓縮機吸、排氣管路振動的仿真、分析和優(yōu)化。

1 壓縮機吸排氣管路設計基礎和設計步驟

壓縮機吸排氣管路產(chǎn)生振動有兩個主要原因，一是管內(nèi)介質流動產(chǎn)生的脈動壓力，二是壓縮機的機械振動傳遞到管路上。

小型制冷設備中一般使用渦旋式壓縮機或滾動轉子式壓縮機，制冷劑在管路中以氣態(tài)或氣液混合狀態(tài)存在，且液態(tài)所占比例較小，故而由介質流動產(chǎn)生的脈動壓力不作為主要因素，在實際分析中可以忽略。作為本文分析對象的設備中使用了帶有氣液分離器的轉子壓縮機，其高速旋轉產(chǎn)生的機械振動具有一定規(guī)律。

綜合對比：切向振動＞徑向振動＞軸向振動。

切向振動：有距離氣液分離器越遠，切向振動越劇烈的趨勢；相位相近的點在壓縮機振動中會幾乎同時達到最大振幅。

徑向振動：上端振動＞下端振動＞中間振動。

壓縮機管路振動優(yōu)化設計流程如圖1所示。

圖1 壓縮機管路振動的優(yōu)化設計流程

對壓縮機管路按照圖1的流程進行設計和優(yōu)化：用三維建模軟件建立壓縮機及吸排氣管路的裝配體模型；用仿真分析軟件分別對進氣、排氣管路進行模態(tài)分析；將管路模態(tài)頻率與壓縮機工作頻率對比，判斷是否優(yōu)化管路并重新進行模態(tài)分析；將壓縮機與吸排氣管路整體進行諧響應分析；判斷最大應力是否可接受，根據(jù)是否優(yōu)化管路并重新進行模態(tài)分析；按流程重復優(yōu)化和分析過程直到獲得滿意結果。

2 壓縮機吸排氣管路優(yōu)化

2.1 管路初步設計建模和有限元分析前處理

為簡化設備的管路設計和裝配制造過程，建模中暫不考慮配重塊和減振膠的應用。

對壓縮機吸排氣管路根據(jù)經(jīng)驗用Solidworks連接。為提高有限元分析計算速度，需要對模型進行簡化處理，包括將壓縮機頂部凸起、壓縮機自帶的氣液分離器、壓縮機上的附件等進行簡化，刪除管路上的傳感器等零件。

壓縮機管路的初始設計模型及簡化結果如圖2所示。

圖2 壓縮機管路初始設計模型及簡化結果

2.2 管路模態(tài)分析及優(yōu)化

進行模態(tài)分析的目的主要是排除共振的風險，模態(tài)分析是進行其他動力學分析的前提[9]。分析前將吸氣管路、排氣管路分別創(chuàng)建成組件形式便于選擇分組。將管路設置為管道單元，兩端和支架處進行約束，得出分析結果。其中，兩個系統(tǒng)的吸氣管路為對稱關系，僅取一組分析。

管路模態(tài)分析結果如表1所示。

表1 管路模態(tài)分析結果 單位：Hz

在排氣管2第一次模態(tài)分析中，第5階和第6階模態(tài)的頻率接近壓縮機的工作頻率60 Hz，故考慮在管路中增加支架。經(jīng)過多次嘗試，在冷凝器端的倒數(shù)第二個直段上增加支架，可以改善模態(tài)分析的結果，且支架在該位置便于利用現(xiàn)有結構進行安裝。

2.3 諧響應分析的邊界條件和激勵參數(shù)

在本研究的雙系統(tǒng)冷水機中，兩個系統(tǒng)的吸氣管共用一個板式換熱器作為蒸發(fā)器，板式換熱器與設備底座連接，兩個系統(tǒng)各自連接一套冷凝器，冷凝器與設備框架連接。將管路設置為流道，壓縮機設置為殼單元，橡膠底腳設置為實體單元。壓縮機管路系統(tǒng)中連接冷凝器、蒸發(fā)器、設備框架和底座的單元，即吸、排氣管末端、橡膠底腳底部、支架位置設置為固定約束，橡膠底腳側面設置為只有垂直方向自由。

壓縮機管路振動分析通常涉及3種材質，即鋼、銅和橡膠，材料振動分析主要參數(shù)如表2所示。

表2 材料振動分析主要參數(shù)

需要提前確定壓縮機激勵。該品牌壓縮機廠商提供了壓縮機工作頻率60 Hz、吸排氣溫度都接近實際工況的狀態(tài)下，壓縮機上兩點的振動加速度和振幅情況。根據(jù)壓縮機的振動數(shù)據(jù)，可以用簡化模型反推出一個合適的假定值作為壓縮機激勵，該假定值只對當前模型有效。

2.4 壓縮機組件的諧響應分析及優(yōu)化

具備以上條件后，可以開始壓縮機組件的諧響應分析。輸入反推出的壓縮機激勵假定值，結果中將等效應力作為判斷設計是否合格的主要依據(jù)，總變形作為參考依據(jù)判斷是否出現(xiàn)干涉、由振動導致接觸噪聲等其他影響。

系統(tǒng)1的等效應力最大值8.15 MPa遠小于銅管屈服強度和疲勞強度，總變形最大值0.32 mm對設備無其他影響，故認為系統(tǒng)1設計合格；系統(tǒng)2的等效應力23.67 MPa遠小于銅管屈服強度，是疲勞強度的55%，總變形最大值0.87 mm不確定影響，但應力與變形相比系統(tǒng)1均較大，故認為存在優(yōu)化空間。

根據(jù)出現(xiàn)最大值的位置，對系統(tǒng)2吸氣管的折彎進行調(diào)整，遠離管路兩端的固定約束位置。再次進行模態(tài)分析，前6階均未發(fā)現(xiàn)異常，繼續(xù)進行諧響應分析，等效應力最大值為15.91 MPa，降低了32.8%，總變形最大值0.56 mm，降低了35.6%，可以認為該優(yōu)化有效。

3 結語

將優(yōu)化后的管路設計應用到樣機搭建中，并在焓差實驗室運行壓縮機的過程中貼片測試，應力結果雖然與諧響應分析結果存在最大36%的誤差，但管路各位置的應力分布趨勢基本一致，考慮到試驗設備誤差、模型簡化誤差、假設激勵誤差等因素，認為使用該優(yōu)化方案可行。