管翅式換熱器氣壓脹接銅管與密封圈拉脫力研究

劉雪濤，宋忠義，楊慶勇，林高偉，彭崗舉，蔣占四，

(1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004；2.珠海華星智能技術有限公司，廣東珠海 519000)

0 前言

在資源節約型和綠色發展的新時代背景下，對空調的低功耗、高效能要求越來越高，引發空調行業間的競爭越發激烈。家用空調器的重要、核心部件是換熱器。當下市場上的家用空調器通常采用管翅式換熱器，由內螺紋銅質換熱管和親水鋁箔翅片組成。目前國內主流生產加工設備是機械式脹管機或基于機械式脹管機改進而來的微收縮脹管機。但機械脹管采用脹管芯軸硬力使內螺紋銅管發生局部塑性變形，存在內螺紋損傷、設備耗材、銅管浪費等工藝性問題。超高壓流體脹管技術可使銅管發生均勻塑性變形，性能穩定，技術先進。液壓脹接技術采用高壓液體充入管子內部，利用不同的液體壓力、液壓力加載路徑、保壓時間等方法對管子進行均勻脹接，而氣壓脹接技術則是將高壓氣體充入銅管內部，采用一定的加壓方式和保壓時間對管徑進行脹接，2種高壓流體脹接技術均涉及到密封性問題和密封圈拉脫力可靠性分析問題，此為關鍵一環。顏惠庚和李培寧研究了軸向載荷對液壓脹接接頭殘余接觸壓力分布的影響，推導出接頭最大理論拉脫強度的表達式。段成紅和錢才富通過試驗和有限元分析研究了換熱器液壓脹接拉脫力大小和失效形式；研究表明:在拉力作用下，脹接接頭的破壞主要是管子與管板接觸面間的拉脫破壞。胡玉紅等進行高溫下換熱器管板脹接接頭的拉脫實驗研究；當溫度在100 ℃內,拉脫力隨溫度升高顯著增大、受脹管率影響較大。李文靜等設計了一種換熱器拉脫力檢測裝置并進行仿真分析對比，經過仿真研究分析檢測換熱器拉脫力是否處于合格范圍，為換熱器拉脫力仿真分析提供方法和思路。楊建強等對某轉向外拉桿極限拉脫力進行仿真分析與試驗驗證仿真，結果表明:設計的轉向外拉桿的極限拉脫力滿足設計要求，外拉桿符合使用要求。類似地，管子與管板之間的拉脫力分析相關研究還包括李鶯歌等、倪鵬等人、盛國福等各位學者的研究，研究結論均能對后續業內學者對銅管與換熱器進行拉脫力研究時提供文獻資料查詢和技術支持。

氣壓式脹管機主要采用30 MPa超高壓流體使銅管發生塑性變形，翅片發生彈性變形。當工件泄壓后，銅管塑性變形不回彈，而翅片發生彈性變形回彈，從而使銅管和翅片發生過盈配合，保證在此過程中密封圈和銅管間的配合達到密封性、可靠性、穩定性要求。以氣壓脹接技術中銅管與脹接氣嘴支架缸體間的接觸配合問題為依據，通過理論研究、仿真分析、試驗驗證，系統地研究在管翅式換熱器氣壓脹管時，聚氨酯密封圈和TP2銅管之間的拉脫力大小，確保在氣脹過程中主要部件間的密封性、可靠性、穩定性。

1 理論分析

1.1 問題描述

空調換熱器內螺紋銅管和鋁箔翅片氣壓式脹接技術涉及到高壓氣體的密封、銅管和脹管氣嘴接頭處的抱緊力(拉脫力)是否符合安全使用需求、高壓下密封圈的可靠性及使用壽命等問題，是確保氣壓脹接工作正常進行和提升效率的重要方面。在現有與企業合作的氣壓脹接設備中，該問題雖然已經通過工程師的經驗初步解決，但仍需要對拉脫力等問題進行理論分析、仿真研究及簡化模型的試驗驗證，確保后期氣脹機操作人員的安全和明確重要部件的可靠性。

簡化模型如圖1所示，模型由3個零件組成：銅管(TP2紫銅)、密封圈(聚氨酯)和支架缸體(結構鋼)；銅管和密封圈的接觸設置為有摩擦接觸，摩擦因數設定為0.2，銅管與支架缸體的接觸設置為無摩擦接觸，密封圈與缸體的接觸設置為有摩擦接觸，摩擦因數設定為0.2。給定密封圈一個壓力，大小在1 500～2 000 N之間，測量密封圈在不同壓縮量下，對應的拉脫力值。

圖1 原理分析

1.2 理論分析

由圖1可知:銅管的密封拉力本質上等同于銅管與密封圈的摩擦力。銅管與密封圈的接觸面存在摩擦關系，密封圈對銅管的抱緊力越大，銅管的密封拉力越大。密封圈上下2個端面及周圍外壁均有限制，其中一個端面受到壓力的作用，另一端面與套筒頂部接觸，密封圈受壓后被限制住，密封圈的周圍外壁同樣被套筒限制。因此對密封圈施加壓力越大，密封圈的壓縮量越大，其對銅管的抱緊力越大，所需的拉脫力也就越大。

試驗狀態下：密封圈外圈端面面積：=π=3.14×5.5mm=94.985×10m；密封圈內圈端面面積：=π=3.14×3.5mm=38.465×10m；密封圈受壓面積：=-=94.985-38.465=56.52mm。公式=,式中：為壓力；為施加力；為受壓面積。當密封圈端面受到1 000、1 500、2 000 N的施加力時，轉換成密封圈的壓力分別為17.69、26.54、35.39 MPa。

2 仿真分析

2.1 有限元建模

SolidWorks軟件設計仿真模型并導入ANSYS Workbench中進行靜力學有限元分析，模型由3個零件組成:銅管(TP2紫銅)、密封圈(聚氨酯)和支架缸體(結構鋼),簡化模型2D圖的主要幾何尺寸和等軸側視圖如圖2所示，零件材料屬性參數如表1所示。

圖2 簡化模型

表1 模型零件材料屬性

2.2 單元類型及網格劃分

在固定密封圈施加力為1 500 N時，分別設置網格大小為1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 mm，查看網格劃分情況(以覆蓋兩層網格線為標準，施加1 500 N、密封圈0.5 mm網格云圖如圖3所示)，及查看對應的銅管受到的最大力、密封圈的壓縮量等數據，如表2所示。可知：網格大小在1～0.4 mm之間對于密封圈壓縮量大小幾乎沒有影響，對于銅管受力的影響也不大，因此最終確定選用0.5 mm網格作為有限元仿真試驗的網格單元大小，整體網格劃分如圖4所示。因模型簡單，3個零件的單元類型全部設置為三維六面體網格。網格劃分后的全部單元節點為122 592，全部單元數為64 347，全部體單元數為47 392。

圖3 施加1 500 N密封圈0.5 mm網格云圖

表2 不同網格劃分對比

圖4 整體劃分0.5 mm網格單元

2.3 邊界條件及載荷分析

Frictionless用于模擬無摩擦的單邊接觸。所謂單邊接觸，一旦2個物體之間出現了分離，則法向力就為零。因此當外力發生改變時，接觸面之間可能會分開，也可能會閉合。這種情況下假設摩擦因數為零，即當發生切向相對滑動時，沒有摩擦力。

Frictional：有摩擦的接觸。這是最實際的情況，2個接觸面之間既可以法向分離，也可以切向滑動，當切向外力大于最大靜摩擦力后，發生切向滑動。一旦發生切向滑動后，會在接觸面之間出現滑動摩擦力，該滑動摩擦力要根據正壓力和摩擦因數來計算，此時需要用戶輸入摩擦因數。

此模型分析中，銅管和密封圈之間的接觸類型為Frictional，摩擦因數為0.2；銅管和支架缸體之間的接觸類型為Frictionless；密封圈和支架缸體之間的接觸類型為Frictional，摩擦因數為0.2。ANSYS有限元分析中，銅管和支架缸體的邊界條件設置為固定支承，對密封圈施加1 500～2 000 N的壓力，求銅管的固定支承產生的支座反力如圖5所示，數值大小如圖6所示，支座反力大小即為抱緊力的大小。

圖5 有限元分析支座反力

圖6 支座反力數值大小

2.4 有限元分析結果

有限元仿真分析結果匯總如表3所示，可知：當密封圈受力為1 500～2 000 N范圍時，網格大小統一設置為0.5 mm，隨著密封圈受到的壓力逐漸增加，銅管受到的最大力和密封圈的壓縮量也呈現逐步增加的趨勢，仿真分析符合實際情況。

表3 有限元分析結果統計

3 試驗分析

3.1 試驗方案

在氣壓式空調換熱器銅管和翅片的實際脹接工況中，用于氣脹的高壓氣體氣路分為兩路:一路用來充入銅管內部，使其產生的高壓流體對銅管進行均勻脹管;另一路高壓氣體作用于推力桿上，產生使密封圈抱緊銅管的作用力。兩路氣體同時作用方可進行氣壓脹接操作。套筒內部和銅管處存在高壓氣體，密封圈受到高壓氣體產生的壓力對推力桿作用的推力。密封圈受壓時，銅管內部有高壓氣體反作用于銅管內壁抵抗密封圈對銅管的抱緊力，使得銅管不會發生破壞。

故在此簡化試驗模型中，此次試驗采用一個推力來模擬高壓氣體對密封圈產生的壓力。由于試驗中銅管內部沒有高壓氣體作用于銅管內壁抵抗密封圈因受壓產生的抱緊力，若直接采用中空銅管進行試驗，銅管會產生受壓破壞失效，如圖7所示。因此采用一個直徑為7 mm的銅棒(材質相同)，代替實際的7 mm銅管，為了盡可能還原實際工況，采用圖8所示的試驗原理。推力桿對密封圈施加一個推力代替壓力，當預設一個推力大小(由推力傳感器實時測量)并且達到穩定時，密封圈受到推力桿產生的推力受壓變形抱緊銅棒，此時產生密封圈對銅棒的抱緊力，再對銅棒施加一個用來拉脫銅棒與密封圈的拉力(由拉力傳感器實時測量)，隨著拉力的增大，當大于等于密封圈與銅棒的最大靜摩擦力時，銅棒發生移動，密封圈與銅棒的摩擦力由靜摩擦力轉變為滑動摩擦力，隨著銅棒的移動，銅棒與密封圈的接觸面積越來越小，拉力也越來越小。

圖7 銅管受壓破壞失效 圖8 試驗原理

3.2 試驗步驟

根據試驗方案設計如圖9所示的試驗平臺。

圖9 試驗平臺

圖9(a)為設計試驗平臺的三維模型，圖9(b)為實際操作試驗平臺。試驗中的推力和拉力分別用力傳感器測量大小，傳感器通過連接東華測試儀，再運用測試系統軟件對推力和拉力傳感器進行力的信號采集，采集頻率為100 Hz。具體試驗步驟：

(1)試驗裝置臺的搭建。銅棒與密封圈、推力桿及套筒等按照三維模型搭建裝配好，力傳感器分別與東華測試儀通道1和通道9相連接。

(2)力的施加與采集。通過推力施加器(如千斤頂)施加推力給密封圈，的大小根據力傳感器確定，待達到目標值大小后，對傳感器進行信號采集。通過裝置上方的拉力施加器(如旋轉手輪)對銅棒施加一個拉力，當銅棒完全脫離密封圈后，結束信號采集。

(3)試驗數據導出。通過東華測試儀導出采集的推力和拉力信號，并用MATLAB顯示數據圖像信號。

3.3 試驗結果分析

按照上述試驗步驟，做多組不同推力下的拉力試驗。理論上，在密封拉力施力到銅棒被拉出的過程中，所采集到的密封拉力信號近似一個矩形脈沖信號。銅棒有一小段長度是伸入密封圈里面，當密封拉力達到最大靜摩擦力時，銅棒開始移動，此時銅棒與密封圈內圈接觸面積不變，密封拉力一段時間保持不變;隨著銅棒的移動距離增大，銅棒與密封圈內圈接觸面積變小，密封圈與銅棒脫離的部分變形加劇，抵消掉一部分推力，所以推力逐漸變小，密封拉力隨著接觸面積的減小也逐漸變小。

重復共計近50組的推力拉力測試試驗，圖10所示為其中4組試驗數據用MATLAB圖表顯示的推力拉力關系圖。可以看出：試驗數據與理論分析較吻合，與仿真分析數據較匹配，仿真分析存在理想化誤差，試驗存在系統誤差，測試平臺多為人為操作，故存在人為因素誤差。但綜合考慮，此次自設平臺試驗結果較為滿意。

圖10 推力拉力關系

4 結論

在空調管翅式換熱器氣壓脹接技術上，密封圈和銅管抱緊力的確定是十分重要的一個環節。采用此次研究的簡化模型進行仿真分析并通過改進試驗平臺對其進行試驗驗證，從而在理論和試驗中確定了抱緊力的大小，為工程應用提供了數據支撐。

試驗平臺裝置較為簡單，存在一些誤差是可以接受的，試驗中推力和拉力的施加沒有采用勻速旋轉加力裝置，可改進方面很多，但通過此試驗平臺，仍完成了此次研究的試驗分析。

在此基礎上，為了推進換熱器氣脹技術的研發和工程應用，還需對密封圈的性能問題，如使用壽命等，作進一步的研究，即使不采用此次研究的模型進行氣脹機設計，目前研究熱門的小管徑高壓流體的均勻脹管仍避免不了密封相關問題的分析。