活塞并联压缩机振动有限元分析的探讨

　　活塞并联式压缩机组在在商用制冷领域应用广泛，多机并联可实现制冷系统负荷的良好匹配。由于前期缺乏对产品结构的动力学响应定性判断，并联机组在实际使用中会出现铜管断裂等问题，该问题将导致大量制冷剂气体泄漏，从而导致环境污染，经济损失等情况。针对该问题，希望可以通过有限元理论分析在产品设计阶段将问题解决。有限元数值模拟可实现对并联机组的振动情况定性分析，有限元数值模拟分析法是分析解决工程问题快速、行之有效的方法。

1、前言

　　制冷系统并联机组在商用制冷领域应用广泛。并联机组由多台活塞式压缩机并联组成，多台并联压缩机共用吸、排气集管及机组配件，其机组配件如油分离器、汽液分离器、控制系统、储液罐等。并联机组可以根据蒸发器负荷变化情况来进行灵活启停，实现制冷量的多级能量调节，可实现系统的节能运转。

　　由于前期缺乏对产品结构的动力学响应定性判断，并联机组在实际使用中会出现铜管断裂等问题。针对该问题，首先从机组的振动方面入手，分析压缩机的工作对整体结构特性的影响。机组振动的理论分析可以通过有限元数值模拟的方法来实现，有限元数值模拟分析法是分析解决工程问题快速、行之有效的方法。本文采用CATIA V5 软件对典型的机组产品进行有限元分析。

2、并联机组建模

　　选取典型并联机组产品进行几何模型组建，如图1 所示，系统所受到的激励主要是由压缩机产生的。目前我公司的并联机组产品多采用旋转活塞压缩机，不平衡质量高速回转时的惯性力和惯性力矩产生较强烈的机械振动。有限元分析的基本思想是将被分析对象分割为有限个微小单元，假定力只在有限元节点之间传递，从而将微分方程简化为对应的联立方程组，从而实现工程问题的近似求解。真空技术网(www.chvacuum.com)认为有限元分析为计算机的复杂计算过程，对计算机的硬件要求极高，为使计算机可以满足分析计算，需要在适当简化的情况下进行三维建模。CATIA V5 软件可自动进行有限元网格划分，越微小的结构其网格划分越细致。基于此，在保证系统结构主要物理参量，如材料，尺寸，密度等准确的前提下，为了方便建模，减少工作量，对系统的动力学响应影响不大的细微结构做适当的简化处理。

图1 整体结构有限元模型

3、有限元计算及结果整理

　　应用有限元分析方法，将并联机组的产品的铜管间施加刚性连接特性，将铜管与固定吊架之间施加柔性连接特性，将并联机组的减震胶皮与并联机组间施加柔性连接特性，将所有部品间定义完全后进行有限元计算与分析。运用有限元分析中限制状态下固有频率分析来对机组几何模型进行计算分析。其第一阶模态振型图之米塞斯等效应力云图如图2 所示。

图2 整体机组结构第一阶模态振型

　　由此依次可得出并联机组结构前15 阶的米塞斯等效应力云图，通过该图我们可以得出并联机组模型的整体固有频率的理论数值，整体机组前15 阶模态振型结果如表1。

表1 整体机组前15 阶固有频率

　　并联机组的往复运动频率( 激发频率) 计算式:

f = nm/60 (1)

　　式中n———压缩机的主轴转速

　　m———激发谐量分析阶数，本机组m = 1

　　计算得f = 24Hz。工程上，把( 0. 8 ～ 1. 2) f 的频率范围作为激发频率共振区。理论上当管系机械固有频率落在激发频率共振区内或倍频内时，会发生结构共振。根据表1 的数据可以看出: 制冷压缩机组整体结构的第1、2 阶模态频率低于10Hz，与激励频率相差较大，不会产生共振，影响较小; 第4 阶频率在共振区内。第7 ～ 10 阶在倍频范围内。

4、现场实际校核及结论

　　为验证理论分析结果，采用振动分析仪、配管振动仪等相关设备对模型分析的产品进行了现场测量，在压缩机启动运转过程中，针对易出现问题的位置进行振动相关数据采集工作，结果如表2所示。从表2 可以看到， 24，48 以及96Hz 时振动分析仪会出现振动峰值，该振动峰值位置与有限元分析的共振区位置数值吻合，说明了有限元理论分析的合理性。通过测量数据的记录分析，峰值数据均较小，说明在多阶模态中即使有共振区的存在，但共振状态下对机组整体振动影响不大。

　　从理论分析和实际测量结果的对比可以得出并联机组产品的整体结构设计还算合理，无强烈共振区。产品出现的相关铜管断裂及冷媒泄漏的问题，并非由于整体的共振而引起的，可以将原因归结于局部固定不合理，部品结构存在应力集中等其他问题。

表2 振动分析仪的测量数据