活塞并聯(lián)式壓縮機組在在商用制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，多機并聯(lián)可實現(xiàn)制冷系統(tǒng)負荷的良好匹配。由于前期缺乏對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動力學響應(yīng)定性判斷，并聯(lián)機組在實際使用中會出現(xiàn)銅管斷裂等問題，該問題將導致大量制冷劑氣體泄漏，從而導致環(huán)境污染，經(jīng)濟損失等情況。針對該問題，希望可以通過有限元理論分析在產(chǎn)品設(shè)計階段將問題解決。有限元數(shù)值模擬可實現(xiàn)對并聯(lián)機組的振動情況定性分析，有限元數(shù)值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。

1、前言

　　制冷系統(tǒng)并聯(lián)機組在商用制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并聯(lián)機組由多臺活塞式壓縮機并聯(lián)組成，多臺并聯(lián)壓縮機共用吸、排氣集管及機組配件，其機組配件如油分離器、汽液分離器、控制系統(tǒng)、儲液罐等。并聯(lián)機組可以根據(jù)蒸發(fā)器負荷變化情況來進行靈活啟停，實現(xiàn)制冷量的多級能量調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運轉(zhuǎn)。

　　由于前期缺乏對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動力學響應(yīng)定性判斷，并聯(lián)機組在實際使用中會出現(xiàn)銅管斷裂等問題。針對該問題，首先從機組的振動方面入手，分析壓縮機的工作對整體結(jié)構(gòu)特性的影響。機組振動的理論分析可以通過有限元數(shù)值模擬的方法來實現(xiàn)，有限元數(shù)值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。本文采用CATIA V5 軟件對典型的機組產(chǎn)品進行有限元分析。

2、并聯(lián)機組建模

　　選取典型并聯(lián)機組產(chǎn)品進行幾何模型組建，如圖1 所示，系統(tǒng)所受到的激勵主要是由壓縮機產(chǎn)生的。目前我公司的并聯(lián)機組產(chǎn)品多采用旋轉(zhuǎn)活塞壓縮機，不平衡質(zhì)量高速回轉(zhuǎn)時的慣性力和慣性力矩產(chǎn)生較強烈的機械振動。有限元分析的基本思想是將被分析對象分割為有限個微小單元，假定力只在有限元節(jié)點之間傳遞，從而將微分方程簡化為對應(yīng)的聯(lián)立方程組，從而實現(xiàn)工程問題的近似求解。真空技術(shù)網(wǎng)(www.lalazzu.cn)認為有限元分析為計算機的復雜計算過程，對計算機的硬件要求極高，為使計算機可以滿足分析計算，需要在適當簡化的情況下進行三維建模。CATIA V5 軟件可自動進行有限元網(wǎng)格劃分，越微小的結(jié)構(gòu)其網(wǎng)格劃分越細致�；�于此，在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要物理參量，如材料，尺寸，密度等準確的前提下，為了方便建模，減少工作量，對系統(tǒng)的動力學響應(yīng)影響不大的細微結(jié)構(gòu)做適當?shù)暮喕�處理�?/p>

圖1 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

3、有限元計算及結(jié)果整理

　　應(yīng)用有限元分析方法，將并聯(lián)機組的產(chǎn)品的銅管間施加剛性連接特性，將銅管與固定吊架之間施加柔性連接特性，將并聯(lián)機組的減震膠皮與并聯(lián)機組間施加柔性連接特性，將所有部品間定義完全后進行有限元計算與分析。運用有限元分析中限制狀態(tài)下固有頻率分析來對機組幾何模型進行計算分析。其第一階模態(tài)振型圖之米塞斯等效應(yīng)力云圖如圖2 所示。

圖2 整體機組結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型

　　由此依次可得出并聯(lián)機組結(jié)構(gòu)前15 階的米塞斯等效應(yīng)力云圖，通過該圖我們可以得出并聯(lián)機組模型的整體固有頻率的理論數(shù)值，整體機組前15 階模態(tài)振型結(jié)果如表1。

表1 整體機組前15 階固有頻率

　　并聯(lián)機組的往復運動頻率( 激發(fā)頻率) 計算式:

f = nm/60 (1)

　　式中n———壓縮機的主軸轉(zhuǎn)速

　　m———激發(fā)諧量分析階數(shù)，本機組m = 1

　　計算得f = 24Hz。工程上，把( 0. 8 ～ 1. 2) f 的頻率范圍作為激發(fā)頻率共振區(qū)。理論上當管系機械固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)內(nèi)或倍頻內(nèi)時，會發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)可以看出: 制冷壓縮機組整體結(jié)構(gòu)的第1、2 階模態(tài)頻率低于10Hz，與激勵頻率相差較大，不會產(chǎn)生共振，影響較小; 第4 階頻率在共振區(qū)內(nèi)。第7 ～ 10 階在倍頻范圍內(nèi)。

4、現(xiàn)場實際校核及結(jié)論

　　為驗證理論分析結(jié)果，采用振動分析儀、配管振動儀等相關(guān)設(shè)備對模型分析的產(chǎn)品進行了現(xiàn)場測量，在壓縮機啟動運轉(zhuǎn)過程中，針對易出現(xiàn)問題的位置進行振動相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作，結(jié)果如表2所示。從表2 可以看到， 24，48 以及96Hz 時振動分析儀會出現(xiàn)振動峰值，該振動峰值位置與有限元分析的共振區(qū)位置數(shù)值吻合，說明了有限元理論分析的合理性。通過測量數(shù)據(jù)的記錄分析，峰值數(shù)據(jù)均較小，說明在多階模態(tài)中即使有共振區(qū)的存在，但共振狀態(tài)下對機組整體振動影響不大。

　　從理論分析和實際測量結(jié)果的對比可以得出并聯(lián)機組產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計還算合理，無強烈共振區(qū)。產(chǎn)品出現(xiàn)的相關(guān)銅管斷裂及冷媒泄漏的問題，并非由于整體的共振而引起的，可以將原因歸結(jié)于局部固定不合理，部品結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中等其他問題。

表2 振動分析儀的測量數(shù)據(jù)