轉子壓縮機管路系統應力分析

張 旭，馬登秋，陳孝玉，李 青

（遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006）

空調系統由壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流裝置四大部件組成，銅管作為連接四大部件的橋梁，其管型設計除了滿足系統制冷和空間結構讓位要求外，還應滿足可靠性要求?？照{器采用的銅管材質TP2M因其強度遠低于空調系統其他部件，銅管的斷裂問題在空調器長途運輸過程中時有發生，因此銅管成為空調器強度分析校核的重點[1]。如何有效識別配管設計在運輸過程中的可靠性，降低空調在長途運輸過程中的管路應力，一直是行業內研究的熱點、難題。

傳統的配管設計主要依靠進行反復的樣機返包和應變試驗測試來驗證銅管的可靠性，但長途路試試驗空調廠家還未開展。近年來，隨著有限元分析技術的發展，配管設計方法取得一定進展。爾馳瑪[2]等采用大質量法等效仿真模擬掃頻定頻運輸試驗檢驗銅管的應力；
王思偲[3]等采用等效靜力法對空調管路系統進行了顛簸、轉彎、剎車三種常見運輸工況模擬分析，具有一定的借鑒性；
李陽[4]等以管路運輸應力為指標，對空調管路設計方案進行了對比分析，并給出了家用空調室外機運輸應力的解決辦法；
劉合心[5]等給出了銅管分析校核的永久疲勞極限為35MPa，并對運輸應力進行了諧響應分析及優化；
康甜[6]等對公路運輸條件下的隨機振動PSD譜進行了比較分析，確定了公路隨機振動包絡譜的制定方法。

本文以轉子壓縮機配管設計的合理性為研究對象，基于有限單元法，給出空調配管設計的運輸可靠性評價方法，分別從靜力等效和隨機響應角度進行了雙重評價。

空調管路運輸應力校核問題可分為兩種情況：（1）運輸駕駛過程中司機人為操作引起的瞬時顛簸、緊急剎車、緊急轉彎三種瞬時效應；
（2）公路的實際路況，如在高速公路、國道、省道、鄉道等路況上行駛，對空調管路的可靠性要求會逐級提升。

空調管路系統在實際運輸過程中兩種情況都會出現，因此在對空調管路系統進行有限元分析校核時，兩種情況都應考慮。針對第一種人為因素造成的瞬時效應，本文對顛簸、剎車、轉彎三種工況進行了等效靜力加載分析，加載載荷如表1所示。

表1 運輸工況

針對第二種公路運輸路況采用了國標《GB/T 4857.23-2012包裝運輸包裝件隨機振動試驗方法》[7]中提供的隨機振動譜進行空調管路的隨機振動分析，其譜線如圖1所示，其均方根加速度值為0.58g。

圖1 二級公路隨機振動譜

家用空調外機結構復雜，包括壓縮機及附屬管路件、風機組件、翅片組件、鈑金框架結構件等；
本文重點關注壓縮機吸排氣管路配管設計的可靠性，在質量重心、剛度等不受影響的前提下，對壓縮機管路系統進行了合理簡化。轉子壓縮機吸排氣管路有限元模型如圖2所示。其邊界條件為：轉子壓縮機安裝腳墊底面約束、吸排氣管路遠端面約束處理。加載條件為：在進行運輸靜力等效分析時，采用表1提供的載荷進行加載；
在進行動力學響應分析時，采用圖1中的隨機振動譜進行基于空調管路模態的隨機振動分析。

圖2 壓縮機管路系統有限元模型

圖3為轉子壓縮機吸排氣管路系統模態分析結果，根據定頻轉子壓縮機的工作特性，在進行配管設計合理性研究時，首先應滿足吸排氣管路的固有頻率避開轉頻，以降低管路系統發生共振的風險。

圖3 模態分析結果云圖

如圖3所示，壓縮機管路系統第一階固有頻率為39Hz，第二階和第三階固有頻率分別為43Hz和53Hz，有效避開了壓縮機工作轉頻50Hz，降低了管路共振風險。

圖4為轉子壓縮機吸排氣管路系統在三種運輸工況下的靜力等效分析結果。在垂直顛簸工況下，銅管的最大應力為16.02MPa；
在剎車工況下，銅管的最大應力為5.28MPa；
在轉彎工況下，銅管的最大應力為8.73MPa；
三種運輸工況下銅管的最大應力位置皆為四通閥E管接管處，且最大應力值皆小于銅材的永久疲勞強度極限35MPa，說明靜力等效分析下銅管設計可靠性高，運輸無風險。

圖4 空調管路運輸工況應力云圖

圖5為空調管路系統在國家二級公路路況下的隨機路譜應力響應分析結果。有限元模擬采用基于模態疊加法的隨機振動分析，隨機振動3Sigma條件下空調銅管的最大等效應力為17.80MPa，應力最大位置為四通閥E管接管處，且最大應力值皆小于銅材的永久疲勞強度極限35MPa，說明隨機振動分析下銅管設計可靠性高，運輸無風險。

圖5 隨機振動管路應力云圖

為了分析校核空調銅管在運輸條件下的設計可靠性，開展了運輸工況下的顛簸、轉彎、剎車靜力等效分析，以及國家二級公路路況下隨機振動分析。

（1）空調管路系統靜力等效方法將運輸條件下的人為因素考慮進來，是隨機振動分析的良好補充；

（2）空調管路系統采用靜力等效方法和隨機振動分析方法皆能反映出其管路應力薄弱位置，具有一致性；

（3）轉子壓縮機配管設計可靠性評價方法，通過靜力分析和隨機振動分析分別從司機人為因素和路況因素進行雙重應力評價，具有較好的參考性。