基于模态方法对C型分液器空载振动问题仿真分析

余少波 霍喜军 韦衍

YU Shaobo HUO Xijun WEI Yan

珠海凌达压缩机有限公司 广东珠海 519110

Zhuhai Landa Compressor Co., Ltd. Zhuhai 519110

1 引言

空调用滚动转子式压缩机生产的一致性，往往采用空载振动一致性进行评判。对我司某款使用C型分液器结构的压缩机进行空载振动调查发现波动较大，此机型存在一定生产波动。虽然对异常现象采用振动和模态测试组合实验方法，确认该问题由分液器共振造成[1-2]，但该方法始终只能在压缩机设计及生产完成后才会发现问题。如何通过理论分析，在压缩机设计阶段就能干预和避免振动问题发生，是亟待解决的重大技术问题。

本文拟以C型分液器吸气管口空载振动问题为研究对象，采用有限元模态仿真方法，计算基于简化整机装配模型的分液器固有频率分布状况，从理论上解析吸气管口结构共振问题。另外，通过调整分液器约束的思路，计算不同支架位置及支架类型对分液器固有频率的影响，解决吸气管口空载振动问题。

2 模态仿真计算

有限元模态仿真分析是获取结构理论固有频率分布的有效方法，该方法可以在压缩机设计阶段获取结构的理论固有频率分布数据，从而对设计进行必要的调整，避免实际生产后出现振动问题。

2.1 模态计算理论

无阻尼自由振动方程为：

其中：

2.2 分析模型及简化

分析前对我司C型分液器机型固有频率进行了模态测试，获取了分液器的固有频率测试数据，因此选用该机型进行模态仿真计算。

我司某款机型整机质量约为11.8kg，C旋压分液器分液器为0.5kg，约占整机重量的4.2%。考虑到后续有限元网格划分及计算效率，同时考虑对壳体组件进行简化为等尺寸的实心圆柱体。分液器及分液器支架按图纸尺寸进行绘制及装配，简化图形如图1所示。

2.3 模态仿真预处理

采用有限元分析软件进行仿真预处理，包括网格划分，材料属性设置和装配体边界条件约束等。

（1）模型输入。利用三维模型绘制简化模型并导入有限元软件中，同时对模型进行网格离散处理如图2所示。

（2）边界约束。由于计算重点关注的是分液器部分，分液器与壳体接触部分（支架与吸气管），不同结构材料（铜和钢），采用网格节点关联的方式简化处理。

（3）材料参数设置

模态分析需要的结构计算参数主要有弹性模量E，泊松比P，材料密度D。分液器结构模型完整材料参数可以采用机械设计手册推荐值，但由于壳体部分经过简化，所以弹性模量需要根据实测模态进行调整，见表1。

2.4 影响模态仿真计算因素分析

结合模型和有限元计算的特点，影响模态仿真计算的主要有结构材料的弹性模量参数，网格大小设置。

（1）弹性模量E的影响

由于压缩机组件（壳体）部分结构经过简化，结构材料密度根据实测质量进行调整。弹性模量根据模态实测和仿真计算结果进行调整，见表2、表3。

模态仿真计算得到的前5阶振型如图3所示。图3（a）为1阶振型，主要是分液器整体绕壳体圆周方向转动，其固有频率与实测基本一致，且振动方向与空载振动测试方向一致，该结果从理论上解析了C型分液器空载振动大（300Hz存在明显单峰值）的问题；图3（b）和图3（c）主要为分液器钢管振动，且振动方向相互正交，与实测666Hz差距30～50Hz；差约5～7%；图3（d）和图3（e）主要是分液器整体以分液器支架为支点成正交方向摆动，与实测值误差分别为25%和5%。结合振型与计算误差分析，并考虑壳体经过简化，本计算方案结果可以接受。壳体弹性模量的有限变化对结果影响不大。

（2）结构网格大小的影响

网格大小不仅影响计算速度，而且还会对分析结果产生影响。本节基于方案2的参数，讨论对比网格大小计算方案对结果的影响，见表4、表5。

图1 PRO/E整机简化模型

图2整机简化模型导入

图3 分液器振型图

图4 改进方案简图

表1 结构材料参数

表2 弹性模量E影响分析参数

表3 弹性模量参数变化分析结果

表4 网格大小计算方案

表5 网格因素方案计算结果

表6 结果改进方案

表7 改进方案计算参数

表8 结构改进方案计算结果

本案例中，网格大小对计算结果影响相对较小，考虑计算操作的简化，可以采用自动划分网格。需要提出的是，由于本文采用基于压缩机组件简化后的模型进行模态计算，因此压缩机组件（壳体）部分参数设置需要根据实测数据进行调整。

3 改进方案计算

根据理论方法得知影响固有频率的因素有结构系统的质量和刚度，对于压缩机而言，而且考虑现有物料、零件通用化和工艺问题，在不引起其他方案性能和可靠性问题的前提下，本文仅考虑改变刚度方案并提出改进方案，主要对与分液器结构相配合的支架结构进行改善，方案见表6～表8以及图4。

从分析结果看，移动原支架焊接高度方案将原分液器绕壳体圆周方向摆动的300Hz固有频率调开效果明显，最优方案为加宽支架方案，且根据试验测试数据也证明了加宽支架方案对改善C型分液器空载振动共振现象的有效性。

4 结论

通过本文对C型分液器结构机型模态仿真分析得到以下结论：

（1）提出的模态计算方法可以较为准确地仿真计算分液器固有频率及其振型，为分液器振动分析及改进提供理论方案；

（2）考虑工艺和物料通用因素，结构改进方案中加宽支架是改善C型分液器空载振动共振现象的最优方案。