滚动转子式压缩机摆动频率的仿真研究

雷卫东　沈慧　王珂

珠海凌达压缩机有限公司　广东珠海　519110

1　引言

在产品设计时，低振低噪是评价舒适度的主要指标之一。压缩机是空调的心脏，也是空调系统振动噪音的重要来源。压缩机设计的好坏，直接关系到空调产品的舒适度。

研究表明，滚动转子式压缩机泵体—转子组件摆动是引起压缩机低频声的主要因素。本文主要针对滚动转子式压缩机泵体—转子组件摆频进行研究分析，建立有限元分析评估方法。

2　模态理论

结构是多自由度振动系统，动力微分方程如下[1]：M，C，K为结构质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵；x为系统加速度，速度，位移；f(t)为压缩机激励向量。

当管路作无阻尼自由振动时，阻尼力和干扰力为零，则系统的运动微分方程如下：

微分方程的解为：

A，ω，θ分别为振幅向量，圆频率，初相位。

将式（3）代入（2），消去因子sin(ωt+θ)后，有如下方程组：

3　仿真分析建模

首先利用CAD软件建立某型号压缩机泵体—转子组件三维实体模型如图1所示。分析用实体模型包括压缩机泵体及转子组件相关零件。但为了方便有限元分析，仿真分析使用模型与实际模型差异如下：

（1）分析用模型中无需绘制上下法兰组件中的阀片、挡板、铆钉等零件。上述零件对摆频分析结果影响很小，但会因为这些零件的存在，大大增加处理模型及网格划分难度。

（2）模型中过盈间隙处理。实际模型中存在过盈及间隙的情况，为方便计算做间隙保留，过盈消除处理。即零件间间隙保留，但过盈部分消除，过盈尺寸调整相同。实体模型完成后，进行干涉检查，以免后续有限元分析出现问题。

（3）零件模型中的过小尺寸不必绘制。诸如螺钉孔上，大平面边缘小于1mm的倒角，倒圆角可以不绘制。

4　有限元分析

实体模型建成后就可以导入到有限元分析软件中进行仿真计算[2]。泵体—转子组件摆频仿真分析的重点：（1）模型的约束；（2）零件间接触设置；（3）磁钢结构处理。

为与真实状态保持一致，约束上法兰与壳体焊接位置。如图2所示，首先在上法兰外圆面上处理出焊接截面（图中绿色圆面），为后续约束做准备。

关于零件间接触一般遵循以下原则：零件间不存在切向滑移、旋转、间隙情况的，设置接触类型为bonded；存在以上情况时，设置接触类型为No Separation。

关于磁钢的处理，采取如下方式：抑制实体结构，采用质量块代替。如此处理即保证了磁钢的质量作用，又消除了接触处理不当导致的整体刚度增大。以上为三个重点步骤的说明，下面就一般流程进行逐一介绍：

（1）模型表面处理。为后续接触等处理方面，对导入的模型表面进行简化处理：Create/Body Operation中选择Simplify，并在Bodies中选择所有体。

（2）建立约束圆面。首先建立工作平面（工作平面与约束圆面平行，通过建立局部坐标系进行），在工作平面建立草绘，然后利用Extrude切割出圆面；以上步骤在3Geometry中完成。

（3）编辑材料属性。材料属性的编辑在2Engineering Data中进行。建立铝、灰铸铁、球铁、结构钢等材料属性。进入Model中进行后续步骤操作。

（4）分配材料属性。分配后点击Worksheet检查分配情况。

（5）建立替代磁钢的质量块。点击Point Mass，在Details of “Point Mass”中建立，需定义位置和质量大小。

（6）划分网格。模态分析中对网格质量要求不高，只需定义单元尺寸即可。

（7）编辑、定义、检查接触。软件根据默认设置建立接触对并不总是符合真实情况，需要重新进行编辑定义。编辑定义原则按前文所述。编辑完成后，添加Contact Tool进行接触检查。

（8）通过Fixed Support约束上法兰外圆上截面。

（9）在Analysis Settings中设定求解前24阶。进行求解。

图1　实体模型示意图

图2　上法兰约束处理

图3　编辑材料属性

图4　材料分配情况

图5　磁钢质量添加的处理

图6　泵体-转子组件摆频分析结果

图7　压缩机转动时间阶次分析

图8　问题机型噪音频谱

图10　噪声峰值改进效果

5　结果查看与验证

分析完成后，在Tabular Data中列出了各阶结果。在表上右击Select All和Create Mode Shape Results建立振型显示。通过振型确认摆频阶次。通过图7、8看出，仿真计算该压缩机轴系摆频为419.9Hz、428.7Hz，阶次分析实测该压缩机摆频为425Hz，对比两者结果可知，仿真计算结果精度极高，误差在1.2%以内，因此认为上述分析可信，可以在后续压缩机设计工作中指导方案设计。

6　设计改进

上述仿真分析机型为在开发的某款9槽6级低成本变频压缩机，压缩机运行频率70Hz左右压缩机音质差，1/3倍频程图上在400Hz段峰值较高，如图9所示。分析表明主要为变频电机的电磁6倍分量激发曲轴-转子轴系的模态共振，导致该噪声峰值[3]。

图9　曲轴-转子轴系模态优化仿真

利用上述仿真分析方法进行结构改进优化设计，通过结构改进使得轴系摆频避开电磁力激发频段，避免发生共振。

从测试数据看，轴系摆动频率提升后，有效避开电机6倍频电磁力分量激励，400Hz峰值改善29.8%，500Hz峰值改善19.5%，改进成功有效。

7　结论

利用有限元软件模态模块进行压缩机泵体—转子系统摆频计算，分析发现仿真结果与测试结果相符，精度很高，此分析方法可用于产品设计中指导结构优化改进设计。