转子压缩机管路系统应力分析

2023-01-10马登秋陈孝玉

遵义师范学院学报 2022年6期

张旭，马登秋，陈孝玉，李青

（遵义师范学院工学院，贵州遵义 563006）

空调系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置四大部件组成，铜管作为连接四大部件的桥梁，其管型设计除了满足系统制冷和空间结构让位要求外，还应满足可靠性要求。空调器采用的铜管材质TP2M因其强度远低于空调系统其他部件，铜管的断裂问题在空调器长途运输过程中时有发生，因此铜管成为空调器强度分析校核的重点[1]。如何有效识别配管设计在运输过程中的可靠性，降低空调在长途运输过程中的管路应力，一直是行业内研究的热点、难题。

传统的配管设计主要依靠进行反复的样机返包和应变试验测试来验证铜管的可靠性，但长途路试试验空调厂家还未开展。近年来，随着有限元分析技术的发展，配管设计方法取得一定进展。尔驰玛[2]等采用大质量法等效仿真模拟扫频定频运输试验检验铜管的应力；王思偲[3]等采用等效静力法对空调管路系统进行了颠簸、转弯、刹车三种常见运输工况模拟分析，具有一定的借鉴性；李阳[4]等以管路运输应力为指标，对空调管路设计方案进行了对比分析，并给出了家用空调室外机运输应力的解决办法；刘合心[5]等给出了铜管分析校核的永久疲劳极限为35MPa，并对运输应力进行了谐响应分析及优化；康甜[6]等对公路运输条件下的随机振动PSD谱进行了比较分析，确定了公路随机振动包络谱的制定方法。

本文以转子压缩机配管设计的合理性为研究对象，基于有限单元法，给出空调配管设计的运输可靠性评价方法，分别从静力等效和随机响应角度进行了双重评价。

1 空调管路系统运输载荷

空调管路运输应力校核问题可分为两种情况：（1）运输驾驶过程中司机人为操作引起的瞬时颠簸、紧急刹车、紧急转弯三种瞬时效应；（2）公路的实际路况，如在高速公路、国道、省道、乡道等路况上行驶，对空调管路的可靠性要求会逐级提升。

空调管路系统在实际运输过程中两种情况都会出现，因此在对空调管路系统进行有限元分析校核时，两种情况都应考虑。针对第一种人为因素造成的瞬时效应，本文对颠簸、刹车、转弯三种工况进行了等效静力加载分析，加载载荷如表1所示。

表1 运输工况

针对第二种公路运输路况采用了国标《GB/T 4857.23-2012包装运输包装件随机振动试验方法》[7]中提供的随机振动谱进行空调管路的随机振动分析，其谱线如图1所示，其均方根加速度值为0.58g。

图1 二级公路随机振动谱

2 空调管路系统有限元建模

家用空调外机结构复杂，包括压缩机及附属管路件、风机组件、翅片组件、钣金框架结构件等；本文重点关注压缩机吸排气管路配管设计的可靠性，在质量重心、刚度等不受影响的前提下，对压缩机管路系统进行了合理简化。转子压缩机吸排气管路有限元模型如图2所示。其边界条件为：转子压缩机安装脚垫底面约束、吸排气管路远端面约束处理。加载条件为：在进行运输静力等效分析时，采用表1提供的载荷进行加载；在进行动力学响应分析时，采用图1中的随机振动谱进行基于空调管路模态的随机振动分析。

图2 压缩机管路系统有限元模型

3 有限元分析结果

图3为转子压缩机吸排气管路系统模态分析结果，根据定频转子压缩机的工作特性，在进行配管设计合理性研究时，首先应满足吸排气管路的固有频率避开转频，以降低管路系统发生共振的风险。

图3 模态分析结果云图

如图3所示，压缩机管路系统第一阶固有频率为39Hz，第二阶和第三阶固有频率分别为43Hz和53Hz，有效避开了压缩机工作转频50Hz，降低了管路共振风险。

图4为转子压缩机吸排气管路系统在三种运输工况下的静力等效分析结果。在垂直颠簸工况下，铜管的最大应力为16.02MPa；在刹车工况下，铜管的最大应力为5.28MPa；在转弯工况下，铜管的最大应力为8.73MPa；三种运输工况下铜管的最大应力位置皆为四通阀E管接管处，且最大应力值皆小于铜材的永久疲劳强度极限35MPa，说明静力等效分析下铜管设计可靠性高，运输无风险。

图4 空调管路运输工况应力云图

图5为空调管路系统在国家二级公路路况下的随机路谱应力响应分析结果。有限元模拟采用基于模态叠加法的随机振动分析，随机振动3Sigma条件下空调铜管的最大等效应力为17.80MPa，应力最大位置为四通阀E管接管处，且最大应力值皆小于铜材的永久疲劳强度极限35MPa，说明随机振动分析下铜管设计可靠性高，运输无风险。