空调压缩机管路模态分析与模态测试

空调压缩机管路模态分析与模态测试

吉剑林

广东海悟科技有限公司广东东莞市樟木头镇523637

摘要：空调配管是空调重要的零部件，由于受到压缩机的激励和冷媒的脉动冲击，管路不可避免的会产生振动，强烈的共振会使管路产生疲劳损伤，减少使用寿命，降低空调的可靠性。因此，研究空调配管的结构动态特性对空调可靠性有着重要意义。以某款空调配管为研究对象，结合有限元模态分析和试验模态分析方法对配管进行优化设计。研究表明：试验模态分析结果和有限元分析吻合，验证了理论模态的正确性。同时，模态试验找出了引起配管额定工况时振动过大的压缩机固有频率，模态分析为结构改进提供了良好参照。

关键词：空调；管路共振；模态试验；有限元分析

引言

空调系统四大核心部件是压缩机、蒸发器、冷凝器、节流部件，连接铜管作为冷媒介质在四大部件之间流通循环的必要通道，其配管管型的减振设计一直是工程师无法绕开的问题，管路振动是空调故障中的首要破坏因素之一，根据调查可知，压缩机壳体的振动传递及管内工作流质的扰动是引发配管振动的原因，严重时会加速铜管疲劳断裂及空调制冷剂泄漏问题，影响空调的功能和安全，降低空调使用寿命。因此，如何对空调进行配管设计及试验整改，以达到减振效果，具有较大的实际意义。对管道系统的振动研究，于麒麟等利用有限元方法对空调配管进行了模态分析，并改进了管路设计；黄辉等利用有限元方法研究了铜管壁厚及残余应力对铜管模态频率及振型的影响；张晓伟等利用有限元方法研究了铜管壁厚及阻尼配重对铜管减振效果的影响；鲁华平等利用试验激励的方法研究了空调机组的时域响应数据。目前还很少出现采用模态锤击试验法对振源结构进行振源识别、固有频率分析诊断的案例，较少发现采用模态试验及有限元模态分析方法相结合的快速整改方法。本文以某空调机组为研究对象，结合模态分析及模态试验对空调配管进行了研究，验证了以模态试验结果为诊断依据，以模态分析结果为参考依据的配管设计与优化方法的准确性，对产品改进优化、提高质量具有重要意义。

1模态分析基本原理

模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。空调管路由多段管焊接组成，并且有其他感温包、阻尼块等零件附着其上，可以看做是n个有限个自由度的离散系统。

2配管结构的模态分析

空调管路系统的三维结构：空调管路系统主要包括压缩机、配管，配管与压缩机焊接连接，压缩机通过减震垫圈和螺栓固定于空调底板上。本次测试只针对配管，由于配管单体自由状态与实际装配有差异，增加的约束将导致配管模态发生变化，因此在管路装配在整机上的状态下进行测试。空调配管系统在工作时发生振动，主要受压缩机吸气口和排气口低频气流激励，在管道上产生压力脉动（尤其是管道的折弯、变截面和阀门处）导致管道振动。由于配管结构主要承受压缩机振源的激励，非出口的定频涡旋压缩机额定转速一般在2900r/min，所以配管结构的固有频率及振型主要关注压缩机激励主频率±10%附近的共振影响频带，即44~53Hz。为了探究压缩机激励是否与配管系统发生共振，采用有限元方法对配管系统进行模态分析。本分析主要考察管路振动特性，对机组简化完非必要部件后，建立有限元模型。将压冷凝接管端、压缩机支撑底脚、气液分离器底脚、壳管底脚施加固定约束。所有铜管采用壳单元，并使用子空间迭代法对管系结构进行求解，提取前20阶模态的固有频率。根据模态分析结果显示，共振带内共有5阶固有频率，但振型最大位移非双系统下的吸气管与排气管管型，设计较好的避开了43~53Hz共振带的影响，无运行共振风险。但在试验样机测试阶段，双系统下的吸气管与排气管皆出现明显振动超标问题，为此开展了对应模块机试验整改问题的深入研究。

3空调配管模态试验及测试结果

采用LMSTestLab.12A对涡旋压缩机、吸气管、排气管在制冷和制热工况（高电压、额定电压、低电压）下分别进行了频谱测试和模态锤击测试。对涡轮压缩机3个机脚及顶盖3个位置进行了振动测试，涡旋压缩机有转动1倍固有频率47Hz、转动2倍固有频率95Hz、马达1阶力波频率100Hz，转动3倍固有频率141Hz。吸气管在压缩机马达1阶力波频率100Hz，和转动3倍固有频率141Hz出现振动幅值远大于压缩机本体的现象，100Hz和141Hz处有可能存在共振。相应的，排气管在141Hz处有可能存在共振。为了探究压缩机吸气管及排气管振动值超标是否为共振原因导致，进一步开展了吸气管及排气管的模态锤击测试，吸气管固有频率102Hz与压缩机马达1阶力波频极为接近，吸气管固有频率136Hz与压缩机转动3倍频141Hz较为接近，充分说明了吸气管振动超标问题是100Hz和141Hz处共振问题导致。排气管固有频率是53.5Hz和71Hz，较好的避开了压缩机1倍、2倍、3倍转频的影响，因此排气管在三倍频的幅值放大原因应该是吸气管共振的波及影响。所以吸排气管超标问题的解决方案是吸气管避开100Hz和141Hz的共振影响。

4吸气管型设计方案整改

结构优化一般可以通过修改管路结构、走向，对管路固有频率进行调整，在开发的设计阶段可以考虑此种方式。在开发后期，结构均已成型，不便于进行结构修改，可在结构上增加配重块或敷阻尼层，或者用管固定块将管路与其他结构连接起来。加配重块相当于增加结构的局部质量，可减小结构的频率，从而避开激励频率，避免共振；敷设阻尼层可衰减结构的振动幅值和能量；加固定块可提高结构的频率，且结构本身不会有大幅度的摆动。根据吸气管原方案的模态锤击试验及模态分析结果，确定吸气管管型更改方案上要避开100Hz和141Hz的共振影响，同时还要防止2倍频96Hz的影响，因此确定了将吸气管固有频率降低10Hz的设计更改方向。根据原方案的模态分析结果，找到与吸气管固有频率136Hz较为接近的吸气管振型129Hz为参照，通过吸气管第2弯的向下延伸，使其达到吸气管固有频率降低至118Hz左右的效果。该更改方案下发试制并试验验证后，圆满解决了该机组吸排气管的应变超标问题。

结语

该涡旋压缩机空调系统配管在设计阶段采用了有限元分析及模态试验相结合的手段，高效解决了压缩机吸排气管路的共振问题，现总结如下：

（1）只关注涡旋压缩机1倍转频附近的方法不够严谨，涡旋压缩机的特征频率应该包含1倍转频、2倍转频、马达一阶力波频率、3倍转频。

（2）模态分析结果与模态锤击试验识别结果具有较好的吻合度，例如吸气管129Hz比模态锤击136Hz小了7Hz，主要是有限元分析模型简化及试验测试的双重误差影响。

（3）对于管路振动问题整改，应重点关注压缩机吸排气管口与吸排气管的振动幅值放大比例关系，良好识别共振现象。

（4）结合FFT频谱原因分析，找到FEA模态分析结果对应的振型及频率，并以此频率为参照进行整改，使整改的方法具有准确性。

参考文献：

[1]张晓伟，李苏洋.空调管路系统的振动分析[J].振动、测试与诊断，2012，32（S1）：120-122，154.

[2]黄辉，苏玉海，王继承.空调器压缩机配管有限元建模研究[J].流体机械，2010，38（6）：74-77，84.

[3]王爱玉，潘宏侠．基于LMS系统的某型高射机枪模态分析[J].太原理工大学学报，2013，44（1）：55-58.