冷水機配管的動力學仿真與優化

李芳溪 胡 濤 汪 峰 鄒惠芬 厲 虹

（1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.杭州三花微通道換熱器有限公司，浙江 杭州 310018；3.三花新能源熱管理科技（杭州）有限公司，浙江 杭州 310018）

對制冷空調設備來說，振動和噪聲是關系到設備性能的兩個主要因素。設備的振動主要來源是壓縮機和風機，壓縮機因其振幅較大，且與換熱器間通過管路連接，除了由振動引發噪聲以外，還可能由于振動過程產生過大的、管路無法長期承受的應力和位移，導致管路泄漏和斷裂，從而造成設備停機，引發更嚴重的后果，如何解決這一隱患成為行業內工程技術人員需要面對的問題。通常在產品開發過程中，設計人員會結合經驗完成對管路走向、彎曲半徑、彎曲位置等布置，并在樣機組裝完成后由測試人員根據設備工況進行壓縮機管路振動應力等型式試驗進行驗證。上述設計流程對設計人員的經驗水平要求極高，一旦發生疏漏，便成為產品快速開發的阻礙，也會增加相關成本。

楊靖[1]使用ANSYS對管路進行模態分析，對壓縮機和管路整體進行諧響應分析，完成了對空調外機壓縮機管路的設計優化。盧劍偉等[2]比較有限元分析和單體振動測試結果，得知了壓縮機的振動特性，通過假定的壓縮機激勵完成了整體有限元分析和管路優化。金濤等[3]開發了順序為三維設計、多種有限元分析、管路優化、樣機測試、管路再優化的管路設計流程。楊元濤[4]綜合實驗測試與分析結果，使用VC++開發了綜合多個軟件的壓縮機管路振動分析程序。劉曉明等[5]通過管路應力測試進一步驗證了有限元分析用于管路振動優化的有效性。孔祥強等[6]對管道內部氣柱模型進行有限元模態分析，驗證了管路長度和支撐數目對優化的影響。雷朋飛等[7]使用Solidworks作為有限元分析軟件，在熱泵系統中完成了振動測試布點的優化。李政等[8]結合ODS測試與諧響應分析，優化了壓縮機單體設計，同時得出了該系列滾動轉子壓縮機殼體表面的振動分布規律。

本研究以雙系統冷水機作為優化對象，使用Solidworks和ANSYS完成了壓縮機吸、排氣管路振動的仿真、分析和優化。

1 壓縮機吸排氣管路設計基礎和設計步驟

壓縮機吸排氣管路產生振動有兩個主要原因，一是管內介質流動產生的脈動壓力，二是壓縮機的機械振動傳遞到管路上。

小型制冷設備中一般使用渦旋式壓縮機或滾動轉子式壓縮機，制冷劑在管路中以氣態或氣液混合狀態存在，且液態所占比例較小，故而由介質流動產生的脈動壓力不作為主要因素，在實際分析中可以忽略。作為本文分析對象的設備中使用了帶有氣液分離器的轉子壓縮機，其高速旋轉產生的機械振動具有一定規律。

綜合對比：切向振動＞徑向振動＞軸向振動。

切向振動：有距離氣液分離器越遠，切向振動越劇烈的趨勢；相位相近的點在壓縮機振動中會幾乎同時達到最大振幅。

徑向振動：上端振動＞下端振動＞中間振動。

壓縮機管路振動優化設計流程如圖1所示。

圖1 壓縮機管路振動的優化設計流程

對壓縮機管路按照圖1的流程進行設計和優化：用三維建模軟件建立壓縮機及吸排氣管路的裝配體模型；用仿真分析軟件分別對進氣、排氣管路進行模態分析；將管路模態頻率與壓縮機工作頻率對比，判斷是否優化管路并重新進行模態分析；將壓縮機與吸排氣管路整體進行諧響應分析；判斷最大應力是否可接受，根據是否優化管路并重新進行模態分析；按流程重復優化和分析過程直到獲得滿意結果。

2 壓縮機吸排氣管路優化

2.1 管路初步設計建模和有限元分析前處理

為簡化設備的管路設計和裝配制造過程，建模中暫不考慮配重塊和減振膠的應用。

對壓縮機吸排氣管路根據經驗用Solidworks連接。為提高有限元分析計算速度，需要對模型進行簡化處理，包括將壓縮機頂部凸起、壓縮機自帶的氣液分離器、壓縮機上的附件等進行簡化，刪除管路上的傳感器等零件。

壓縮機管路的初始設計模型及簡化結果如圖2所示。

圖2 壓縮機管路初始設計模型及簡化結果

2.2 管路模態分析及優化

進行模態分析的目的主要是排除共振的風險，模態分析是進行其他動力學分析的前提[9]。分析前將吸氣管路、排氣管路分別創建成組件形式便于選擇分組。將管路設置為管道單元，兩端和支架處進行約束，得出分析結果。其中，兩個系統的吸氣管路為對稱關系，僅取一組分析。

管路模態分析結果如表1所示。

表1 管路模態分析結果 單位：Hz

在排氣管2第一次模態分析中，第5階和第6階模態的頻率接近壓縮機的工作頻率60 Hz，故考慮在管路中增加支架。經過多次嘗試，在冷凝器端的倒數第二個直段上增加支架，可以改善模態分析的結果，且支架在該位置便于利用現有結構進行安裝。

2.3 諧響應分析的邊界條件和激勵參數

在本研究的雙系統冷水機中，兩個系統的吸氣管共用一個板式換熱器作為蒸發器，板式換熱器與設備底座連接，兩個系統各自連接一套冷凝器，冷凝器與設備框架連接。將管路設置為流道，壓縮機設置為殼單元，橡膠底腳設置為實體單元。壓縮機管路系統中連接冷凝器、蒸發器、設備框架和底座的單元，即吸、排氣管末端、橡膠底腳底部、支架位置設置為固定約束，橡膠底腳側面設置為只有垂直方向自由。

壓縮機管路振動分析通常涉及3種材質，即鋼、銅和橡膠，材料振動分析主要參數如表2所示。

表2 材料振動分析主要參數

需要提前確定壓縮機激勵。該品牌壓縮機廠商提供了壓縮機工作頻率60 Hz、吸排氣溫度都接近實際工況的狀態下，壓縮機上兩點的振動加速度和振幅情況。根據壓縮機的振動數據，可以用簡化模型反推出一個合適的假定值作為壓縮機激勵，該假定值只對當前模型有效。

2.4 壓縮機組件的諧響應分析及優化

具備以上條件后，可以開始壓縮機組件的諧響應分析。輸入反推出的壓縮機激勵假定值，結果中將等效應力作為判斷設計是否合格的主要依據，總變形作為參考依據判斷是否出現干涉、由振動導致接觸噪聲等其他影響。

系統1的等效應力最大值8.15 MPa遠小于銅管屈服強度和疲勞強度，總變形最大值0.32 mm對設備無其他影響，故認為系統1設計合格；系統2的等效應力23.67 MPa遠小于銅管屈服強度，是疲勞強度的55%，總變形最大值0.87 mm不確定影響，但應力與變形相比系統1均較大，故認為存在優化空間。

根據出現最大值的位置，對系統2吸氣管的折彎進行調整，遠離管路兩端的固定約束位置。再次進行模態分析，前6階均未發現異常，繼續進行諧響應分析，等效應力最大值為15.91 MPa，降低了32.8%，總變形最大值0.56 mm，降低了35.6%，可以認為該優化有效。

3 結語

將優化后的管路設計應用到樣機搭建中，并在焓差實驗室運行壓縮機的過程中貼片測試，應力結果雖然與諧響應分析結果存在最大36%的誤差，但管路各位置的應力分布趨勢基本一致，考慮到試驗設備誤差、模型簡化誤差、假設激勵誤差等因素，認為使用該優化方案可行。