基于模態方法對C型分液器空載振動問題仿真分析

余少波 霍喜軍 韋衍

YU Shaobo HUO Xijun WEI Yan

珠海凌達壓縮機有限公司 廣東珠海 519110

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd. Zhuhai 519110

1 引言

空調用滾動轉子式壓縮機生產的一致性，往往采用空載振動一致性進行評判。對我司某款使用C型分液器結構的壓縮機進行空載振動調查發現波動較大，此機型存在一定生產波動。雖然對異常現象采用振動和模態測試組合實驗方法，確認該問題由分液器共振造成[1-2]，但該方法始終只能在壓縮機設計及生產完成后才會發現問題。如何通過理論分析，在壓縮機設計階段就能干預和避免振動問題發生，是亟待解決的重大技術問題。

本文擬以C型分液器吸氣管口空載振動問題為研究對象，采用有限元模態仿真方法，計算基于簡化整機裝配模型的分液器固有頻率分布狀況，從理論上解析吸氣管口結構共振問題。另外，通過調整分液器約束的思路，計算不同支架位置及支架類型對分液器固有頻率的影響，解決吸氣管口空載振動問題。

2 模態仿真計算

有限元模態仿真分析是獲取結構理論固有頻率分布的有效方法，該方法可以在壓縮機設計階段獲取結構的理論固有頻率分布數據，從而對設計進行必要的調整，避免實際生產后出現振動問題。

2.1 模態計算理論

無阻尼自由振動方程為：

其中：

2.2 分析模型及簡化

分析前對我司C型分液器機型固有頻率進行了模態測試，獲取了分液器的固有頻率測試數據，因此選用該機型進行模態仿真計算。

我司某款機型整機質量約為11.8kg，C旋壓分液器分液器為0.5kg，約占整機重量的4.2%。考慮到后續有限元網格劃分及計算效率，同時考慮對殼體組件進行簡化為等尺寸的實心圓柱體。分液器及分液器支架按圖紙尺寸進行繪制及裝配，簡化圖形如圖1所示。

2.3 模態仿真預處理

采用有限元分析軟件進行仿真預處理，包括網格劃分，材料屬性設置和裝配體邊界條件約束等。

（1）模型輸入。利用三維模型繪制簡化模型并導入有限元軟件中，同時對模型進行網格離散處理如圖2所示。

（2）邊界約束。由于計算重點關注的是分液器部分，分液器與殼體接觸部分（支架與吸氣管），不同結構材料（銅和鋼），采用網格節點關聯的方式簡化處理。

（3）材料參數設置

模態分析需要的結構計算參數主要有彈性模量E，泊松比P，材料密度D。分液器結構模型完整材料參數可以采用機械設計手冊推薦值，但由于殼體部分經過簡化，所以彈性模量需要根據實測模態進行調整，見表1。

2.4 影響模態仿真計算因素分析

結合模型和有限元計算的特點，影響模態仿真計算的主要有結構材料的彈性模量參數，網格大小設置。

（1）彈性模量E的影響

由于壓縮機組件（殼體）部分結構經過簡化，結構材料密度根據實測質量進行調整。彈性模量根據模態實測和仿真計算結果進行調整，見表2、表3。

模態仿真計算得到的前5階振型如圖3所示。圖3（a）為1階振型，主要是分液器整體繞殼體圓周方向轉動，其固有頻率與實測基本一致，且振動方向與空載振動測試方向一致，該結果從理論上解析了C型分液器空載振動大（300Hz存在明顯單峰值）的問題；圖3（b）和圖3（c）主要為分液器鋼管振動，且振動方向相互正交，與實測666Hz差距30～50Hz；差約5～7%；圖3（d）和圖3（e）主要是分液器整體以分液器支架為支點成正交方向擺動，與實測值誤差分別為25%和5%。結合振型與計算誤差分析，并考慮殼體經過簡化，本計算方案結果可以接受。殼體彈性模量的有限變化對結果影響不大。

（2）結構網格大小的影響

網格大小不僅影響計算速度，而且還會對分析結果產生影響。本節基于方案2的參數，討論對比網格大小計算方案對結果的影響，見表4、表5。

圖1 PRO/E整機簡化模型

圖2整機簡化模型導入

圖3 分液器振型圖

圖4 改進方案簡圖

表1 結構材料參數

表2 彈性模量E影響分析參數

表3 彈性模量參數變化分析結果

表4 網格大小計算方案

表5 網格因素方案計算結果

表6 結果改進方案

表7 改進方案計算參數

表8 結構改進方案計算結果

本案例中，網格大小對計算結果影響相對較小，考慮計算操作的簡化，可以采用自動劃分網格。需要提出的是，由于本文采用基于壓縮機組件簡化后的模型進行模態計算，因此壓縮機組件（殼體）部分參數設置需要根據實測數據進行調整。

3 改進方案計算

根據理論方法得知影響固有頻率的因素有結構系統的質量和剛度，對于壓縮機而言，而且考慮現有物料、零件通用化和工藝問題，在不引起其他方案性能和可靠性問題的前提下，本文僅考慮改變剛度方案并提出改進方案，主要對與分液器結構相配合的支架結構進行改善，方案見表6～表8以及圖4。

從分析結果看，移動原支架焊接高度方案將原分液器繞殼體圓周方向擺動的300Hz固有頻率調開效果明顯，最優方案為加寬支架方案，且根據試驗測試數據也證明了加寬支架方案對改善C型分液器空載振動共振現象的有效性。

4 結論

通過本文對C型分液器結構機型模態仿真分析得到以下結論：

（1）提出的模態計算方法可以較為準確地仿真計算分液器固有頻率及其振型，為分液器振動分析及改進提供理論方案；

（2）考慮工藝和物料通用因素，結構改進方案中加寬支架是改善C型分液器空載振動共振現象的最優方案。