滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機擺動頻率的仿真研究

雷衛(wèi)東　沈慧　王珂

珠海凌達壓縮機有限公司　廣東珠海　519110

1　引言

在產(chǎn)品設(shè)計時，低振低噪是評價舒適度的主要指標之一。壓縮機是空調(diào)的心臟，也是空調(diào)系統(tǒng)振動噪音的重要來源。壓縮機設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到空調(diào)產(chǎn)品的舒適度。

研究表明，滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體—轉(zhuǎn)子組件擺動是引起壓縮機低頻聲的主要因素。本文主要針對滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機泵體—轉(zhuǎn)子組件擺頻進行研究分析，建立有限元分析評估方法。

2　模態(tài)理論

結(jié)構(gòu)是多自由度振動系統(tǒng)，動力微分方程如下[1]：M，C，K為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣，剛度矩陣；x為系統(tǒng)加速度，速度，位移；f(t)為壓縮機激勵向量。

當(dāng)管路作無阻尼自由振動時，阻尼力和干擾力為零，則系統(tǒng)的運動微分方程如下：

微分方程的解為：

A，ω，θ分別為振幅向量，圓頻率，初相位。

將式（3）代入（2），消去因子sin(ωt+θ)后，有如下方程組：

3　仿真分析建模

首先利用CAD軟件建立某型號壓縮機泵體—轉(zhuǎn)子組件三維實體模型如圖1所示。分析用實體模型包括壓縮機泵體及轉(zhuǎn)子組件相關(guān)零件。但為了方便有限元分析，仿真分析使用模型與實際模型差異如下：

（1）分析用模型中無需繪制上下法蘭組件中的閥片、擋板、鉚釘?shù)攘慵Ｉ鲜隽慵[頻分析結(jié)果影響很小，但會因為這些零件的存在，大大增加處理模型及網(wǎng)格劃分難度。

（2）模型中過盈間隙處理。實際模型中存在過盈及間隙的情況，為方便計算做間隙保留，過盈消除處理。即零件間間隙保留，但過盈部分消除，過盈尺寸調(diào)整相同。實體模型完成后，進行干涉檢查，以免后續(xù)有限元分析出現(xiàn)問題。

（3）零件模型中的過小尺寸不必繪制。諸如螺釘孔上，大平面邊緣小于1mm的倒角，倒圓角可以不繪制。

4　有限元分析

實體模型建成后就可以導(dǎo)入到有限元分析軟件中進行仿真計算[2]。泵體—轉(zhuǎn)子組件擺頻仿真分析的重點：（1）模型的約束；（2）零件間接觸設(shè)置；（3）磁鋼結(jié)構(gòu)處理。

為與真實狀態(tài)保持一致，約束上法蘭與殼體焊接位置。如圖2所示，首先在上法蘭外圓面上處理出焊接截面（圖中綠色圓面），為后續(xù)約束做準備。

關(guān)于零件間接觸一般遵循以下原則：零件間不存在切向滑移、旋轉(zhuǎn)、間隙情況的，設(shè)置接觸類型為bonded；存在以上情況時，設(shè)置接觸類型為No Separation。

關(guān)于磁鋼的處理，采取如下方式：抑制實體結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)量塊代替。如此處理即保證了磁鋼的質(zhì)量作用，又消除了接觸處理不當(dāng)導(dǎo)致的整體剛度增大。以上為三個重點步驟的說明，下面就一般流程進行逐一介紹：

（1）模型表面處理。為后續(xù)接觸等處理方面，對導(dǎo)入的模型表面進行簡化處理：Create/Body Operation中選擇Simplify，并在Bodies中選擇所有體。

（2）建立約束圓面。首先建立工作平面（工作平面與約束圓面平行，通過建立局部坐標系進行），在工作平面建立草繪，然后利用Extrude切割出圓面；以上步驟在3Geometry中完成。

（3）編輯材料屬性。材料屬性的編輯在2Engineering Data中進行。建立鋁、灰鑄鐵、球鐵、結(jié)構(gòu)鋼等材料屬性。進入Model中進行后續(xù)步驟操作。

（4）分配材料屬性。分配后點擊Worksheet檢查分配情況。

（5）建立替代磁鋼的質(zhì)量塊。點擊Point Mass，在Details of “Point Mass”中建立，需定義位置和質(zhì)量大小。

（6）劃分網(wǎng)格。模態(tài)分析中對網(wǎng)格質(zhì)量要求不高，只需定義單元尺寸即可。

（7）編輯、定義、檢查接觸。軟件根據(jù)默認設(shè)置建立接觸對并不總是符合真實情況，需要重新進行編輯定義。編輯定義原則按前文所述。編輯完成后，添加Contact Tool進行接觸檢查。

（8）通過Fixed Support約束上法蘭外圓上截面。

（9）在Analysis Settings中設(shè)定求解前24階。進行求解。

圖1　實體模型示意圖

圖2　上法蘭約束處理

圖3　編輯材料屬性

圖4　材料分配情況

圖5　磁鋼質(zhì)量添加的處理

圖6　泵體-轉(zhuǎn)子組件擺頻分析結(jié)果

圖7　壓縮機轉(zhuǎn)動時間階次分析

圖8　問題機型噪音頻譜

圖10　噪聲峰值改進效果

5　結(jié)果查看與驗證

分析完成后，在Tabular Data中列出了各階結(jié)果。在表上右擊Select All和Create Mode Shape Results建立振型顯示。通過振型確認擺頻階次。通過圖7、8看出，仿真計算該壓縮機軸系擺頻為419.9Hz、428.7Hz，階次分析實測該壓縮機擺頻為425Hz，對比兩者結(jié)果可知，仿真計算結(jié)果精度極高，誤差在1.2%以內(nèi)，因此認為上述分析可信，可以在后續(xù)壓縮機設(shè)計工作中指導(dǎo)方案設(shè)計。

6　設(shè)計改進

上述仿真分析機型為在開發(fā)的某款9槽6級低成本變頻壓縮機，壓縮機運行頻率70Hz左右壓縮機音質(zhì)差，1/3倍頻程圖上在400Hz段峰值較高，如圖9所示。分析表明主要為變頻電機的電磁6倍分量激發(fā)曲軸-轉(zhuǎn)子軸系的模態(tài)共振，導(dǎo)致該噪聲峰值[3]。

圖9　曲軸-轉(zhuǎn)子軸系模態(tài)優(yōu)化仿真

利用上述仿真分析方法進行結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)改進使得軸系擺頻避開電磁力激發(fā)頻段，避免發(fā)生共振。

從測試數(shù)據(jù)看，軸系擺動頻率提升后，有效避開電機6倍頻電磁力分量激勵，400Hz峰值改善29.8%，500Hz峰值改善19.5%，改進成功有效。

7　結(jié)論

利用有限元軟件模態(tài)模塊進行壓縮機泵體—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)擺頻計算，分析發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與測試結(jié)果相符，精度很高，此分析方法可用于產(chǎn)品設(shè)計中指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計。