英華特技術(shù)分享:制冷系統管路振動(dòng)特性與應力分析
1、制冷系統管路響應模型
制冷系統管路振動(dòng)與應力往往影響到整個(gè)系統的噪音與管路壽命。整機廠(chǎng)在研發(fā)時(shí)也比較關(guān)注管路的振動(dòng)與應力。那么如何去研究制冷系統管路振動(dòng)與應力?
任何動(dòng)力學(xué)系統都可以簡(jiǎn)化如圖1所示的系統響應模型。
圖1 動(dòng)力學(xué)系統響應模型
力(Force):
在這里,力可以廣義地理解為任何作用于系統的輸入信號。它可以是物理上的力,也可以是電信號、數據信號等。
傳遞函數(Transfer):
傳遞函數是描述線(xiàn)性時(shí)不變系統輸入輸出關(guān)系的數學(xué)工具。傳遞函數體現了系統本身的特性,例如系統的增益、頻率響應等
響應(Response):
響應是系統在輸入信號作用下產(chǎn)生的輸出。它可以是系統的位移、速度、電壓、數據輸出等。
從模型中可見(jiàn)振動(dòng)是激勵力與傳遞函數共同作用的結果,應力又會(huì )受到管路振動(dòng)的影響。
那么對于制冷管路系統響應模型,如圖2類(lèi)比圖1:力來(lái)源于壓縮機振動(dòng)與氣體脈動(dòng);傳遞函數為管路頻率響應;響應為管路的振動(dòng)與應力。
圖2 制冷管路系統響應模型
2、管路應力測試
我們先從響應談起,管路應力一般是整機廠(chǎng)家評價(jià)管路設計好壞的重要指標,應力的大小直接影響管路的疲勞壽命。但是以目前的技術(shù)水平,還無(wú)法直接測量應力的大小。一般都是都對材料表面進(jìn)行應變測量,然后根據胡克定律,計算出對應的應力大小。
應變片測量原理基于電阻應變效應,即當材料受到外力作用發(fā)生形變時(shí),其內部電阻會(huì )隨之改變。應變片是一種靈敏的傳感器,通常由金屬箔或半導體材料制成,廣泛用于測量物體表面的變形,如圖3。
圖3 應變片
以下是具體應變測試流程:
粘貼與傳遞:應變片通過(guò)粘合劑牢固地附著(zhù)在被測物體表面,使物體的形變完全傳遞到應變片上。
形變感應:物體受力變形時(shí),應變片的幾何形狀改變,引起電阻變化。
信號轉換:電阻變化通過(guò)電橋電路轉換為電壓信號,再經(jīng)過(guò)放大和處理,得出應變值。
應力計算:根據材料的彈性模量E(),可進(jìn)一步計算出應力。
在信號轉換的過(guò)程中,應變測量需要用到惠斯通電橋,主要原因在于應變片產(chǎn)生的電阻變化非常微小,而惠斯通電橋能夠以高靈敏度和高精度的方式檢測這些微小變化,并將其轉化為可測量的電信號。它由四個(gè)電阻(或阻抗)組成一個(gè)橋式電路,通過(guò)檢測電橋的平衡狀態(tài)來(lái)測量未知電阻或微小的電阻變化,如圖4。實(shí)際使用中以應變片替換電阻的個(gè)數有1/4橋,半橋,全橋之分,一般的應變測量常采用1/4橋。
圖4 惠斯通電橋電路
3、管路應力判定標準
制冷行業(yè)管路多數還是采用銅管,整機廠(chǎng)在標準上稍有差異,但是一般都是根據實(shí)際運行情況結合銅管的S-N疲勞壽命曲線(xiàn)去制定相應的標準。這里推薦穩定運行應變峰值80με,開(kāi)停機峰值320με,根據胡克定律,銅的彈性模量120Gpa,對應應力穩定運行峰值10MPa,開(kāi)停機峰值40MPa。
4、管路應力來(lái)源
結合圖2的制冷管路系統響應模型,管路應力產(chǎn)生的主要原因歸咎于力與傳遞函數。這兩者是如何影響的,需要結合頻響函數峰值的位置。在壓縮機運行基頻率與倍頻(一般5倍以?xún)龋┡龅筋l響函數峰值時(shí),此時(shí)管路會(huì )有共振產(chǎn)生,管路應力受到的主要影響因素是管路共振。而壓縮機運行的頻率在非頻率響應峰值處,管路應力受到的主要影響因素是壓縮機與管路振動(dòng)帶來(lái)的強迫響應。一般管路最大應力集中在相對運動(dòng)較為劇烈的位置,比如彎頭,焊縫、粗細管交接處。
5、管路應力問(wèn)題處理
解決管路應力問(wèn)題主要應該區分管路遇到的問(wèn)題是強迫響應還是共振。這兩者又與管路的質(zhì)量、剛度有關(guān),管路走向、粗細、長(cháng)度又會(huì )影響管路的質(zhì)量與剛度。管路設計太長(cháng)或者U彎較多固有頻率較多,容易發(fā)生共振,應力超標;管路太短,管路剛度較高,壓縮機振動(dòng)產(chǎn)生的應力無(wú)處釋放,強迫振動(dòng)占主要因素,造成管路應力超標。
如何處理管路問(wèn)題,有限元仿真可以是前期設計的主要參考手段。一旦管路成型,通過(guò)測試應力的手段也可以反饋管路設計的好壞。那么管路一旦成型,管路改動(dòng)成本較高或者時(shí)間較長(cháng),可以通過(guò)下圖5列出的措施做一些臨時(shí)改進(jìn)。
開(kāi)停機屬于瞬態(tài)沖擊,為寬頻激勵,會(huì )把整個(gè)管路的固有頻率激起,其處理方式與穩定運行類(lèi)似,也需要區分應力問(wèn)題屬于強迫響應還是管路共振,臨時(shí)改進(jìn)措施也可參考圖5。圖5 應力問(wèn)題處理結構圖
6、管路設計評價(jià)與仿真
管路設計評價(jià)還是要以測試應力為主,測試振動(dòng)為輔。在管路測試前期可進(jìn)行一些仿真計算,現階段較為快捷準確的仿真手段為模態(tài)仿真,它可以預測管路是否存在壓縮機運行頻率與倍頻附近的固有頻率,預防共振的發(fā)生。目前對管路應力與振動(dòng)響應的仿真還有一定難度,因為對激勵源的定義、邊界條件、阻尼的設定都存在很大的差異性,這些都會(huì )很大程度影響應力與振動(dòng)幅值的準確性。
總結
一套成熟穩定的制冷管路系統往往需要多次測試修改迭代,前期管路仿真可以縮短其迭代的次數,但后期測試修改迭代往往不可避免。通過(guò)以上的分析可判斷管路的改善方向,縮短迭代周期。
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