英華特技術(shù)分享 | 制冷系統(tǒng)管路振動(dòng)特性與應(yīng)力分析

來源：英華特渦旋技術(shù)2025-04-24

1、制冷系統(tǒng)管路響應(yīng)模型

制冷系統(tǒng)管路振動(dòng)與應(yīng)力往往影響到整個(gè)系統(tǒng)的噪音與管路壽命。整機(jī)廠在研發(fā)時(shí)也比較關(guān)注管路的振動(dòng)與應(yīng)力。那么如何去研究制冷系統(tǒng)管路振動(dòng)與應(yīng)力？

任何動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)都可以簡化如圖1所示的系統(tǒng)響應(yīng)模型。

圖1 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)模型

· 力（Force）：

在這里，力可以廣義地理解為任何作用于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。它可以是物理上的力，也可以是電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等。

· 傳遞函數(shù)（Transfer）：

傳遞函數(shù)是描述線性時(shí)不變系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)工具。

傳遞函數(shù)體現(xiàn)了系統(tǒng)本身的特性，例如系統(tǒng)的增益、頻率響應(yīng)等

· 響應(yīng)（Response）： 

響應(yīng)是系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下產(chǎn)生的輸出。它可以是系統(tǒng)的位移、速度、電壓、數(shù)據(jù)輸出等。

從模型中可見振動(dòng)是激勵(lì)力與傳遞函數(shù)共同作用的結(jié)果，應(yīng)力又會(huì)受到管路振動(dòng)的影響。

那么對(duì)于制冷管路系統(tǒng)響應(yīng)模型，如圖2類比圖1：力來源于壓縮機(jī)振動(dòng)與氣體脈動(dòng)；傳遞函數(shù)為管路頻率響應(yīng)；響應(yīng)為管路的振動(dòng)與應(yīng)力。

圖2 制冷管路系統(tǒng)響應(yīng)模型

2、管路應(yīng)力測試

我們先從響應(yīng)談起，管路應(yīng)力一般是整機(jī)廠家評(píng)價(jià)管路設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)，應(yīng)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，還無法直接測量應(yīng)力的大小。一般都是都對(duì)材料表面進(jìn)行應(yīng)變測量，然后根據(jù)胡克定律，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小。

應(yīng)變片測量原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)材料受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部電阻會(huì)隨之改變。應(yīng)變片是一種靈敏的傳感器，通常由金屬箔或半導(dǎo)體材料制成，廣泛用于測量物體表面的變形，如圖3。

圖3 應(yīng)變片

以下是具體應(yīng)變測試流程：

· 粘貼與傳遞：

應(yīng)變片通過粘合劑牢固地附著在被測物體表面，使物體的形變完全傳遞到應(yīng)變片上。

· 形變感應(yīng)：

物體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的幾何形狀改變，引起電阻變化。

· 信號(hào)轉(zhuǎn)換：

電阻變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大和處理，得出應(yīng)變值。

· 應(yīng)力計(jì)算：

根據(jù)材料的彈性模量E（），可進(jìn)一步計(jì)算出應(yīng)力。

在信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程中，應(yīng)變測量需要用到惠斯通電橋，主要原因在于應(yīng)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(zhuǎn)化為可測量的電信號(hào)。它由四個(gè)電阻（或阻抗）組成一個(gè)橋式電路，通過檢測電橋的平衡狀態(tài)來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(yīng)變片替換電阻的個(gè)數(shù)有1/4橋，半橋，全橋之分，一般的應(yīng)變測量常采用1/4橋。

圖4 惠斯通電橋電路

3、管路應(yīng)力判定標(biāo)準(zhǔn)

制冷行業(yè)管路多數(shù)還是采用銅管，整機(jī)廠在標(biāo)準(zhǔn)上稍有差異，但是一般都是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況結(jié)合銅管的S-N疲勞壽命曲線去制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。這里推薦穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)變峰值80με，開停機(jī)峰值320με，根據(jù)胡克定律，銅的彈性模量120Gpa，對(duì)應(yīng)應(yīng)力穩(wěn)定運(yùn)行峰值10MPa，開停機(jī)峰值40MPa。

4、管路應(yīng)力來源

結(jié)合圖2的制冷管路系統(tǒng)響應(yīng)模型，管路應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因歸咎于力與傳遞函數(shù)。這兩者是如何影響的，需要結(jié)合頻響函數(shù)峰值的位置。在壓縮機(jī)運(yùn)行基頻率與倍頻（一般5倍以內(nèi)）碰到頻響函數(shù)峰值時(shí)，此時(shí)管路會(huì)有共振產(chǎn)生，管路應(yīng)力受到的主要影響因素是管路共振。而壓縮機(jī)運(yùn)行的頻率在非頻率響應(yīng)峰值處，管路應(yīng)力受到的主要影響因素是壓縮機(jī)與管路振動(dòng)帶來的強(qiáng)迫響應(yīng)。一般管路最大應(yīng)力集中在相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為劇烈的位置，比如彎頭，焊縫、粗細(xì)管交接處。

5、管路應(yīng)力問題處理

解決管路應(yīng)力問題主要應(yīng)該區(qū)分管路遇到的問題是強(qiáng)迫響應(yīng)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(xì)、長度又會(huì)影響管路的質(zhì)量與剛度。管路設(shè)計(jì)太長或者U彎較多固有頻率較多，容易發(fā)生共振，應(yīng)力超標(biāo)；管路太短，管路剛度較高，壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力無處釋放，強(qiáng)迫振動(dòng)占主要因素，造成管路應(yīng)力超標(biāo)。

如何處理管路問題，有限元仿真可以是前期設(shè)計(jì)的主要參考手段。一旦管路成型，通過測試應(yīng)力的手段也可以反饋管路設(shè)計(jì)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，可以通過下圖5列出的措施做一些臨時(shí)改進(jìn)。

開停機(jī)屬于瞬態(tài)沖擊，為寬頻激勵(lì)，會(huì)把整個(gè)管路的固有頻率激起，其處理方式與穩(wěn)定運(yùn)行類似，也需要區(qū)分應(yīng)力問題屬于強(qiáng)迫響應(yīng)還是管路共振，臨時(shí)改進(jìn)措施也可參考圖5。

圖5 應(yīng)力問題處理結(jié)構(gòu)圖

6、管路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與仿真

管路設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)還是要以測試應(yīng)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(jì)算，現(xiàn)階段較為快捷準(zhǔn)確的仿真手段為模態(tài)仿真，它可以預(yù)測管路是否存在壓縮機(jī)運(yùn)行頻率與倍頻附近的固有頻率，預(yù)防共振的發(fā)生。目前對(duì)管路應(yīng)力與振動(dòng)響應(yīng)的仿真還有一定難度，因?yàn)閷?duì)激勵(lì)源的定義、邊界條件、阻尼的設(shè)定都存在很大的差異性，這些都會(huì)很大程度影響應(yīng)力與振動(dòng)幅值的準(zhǔn)確性。

總結(jié)

一套成熟穩(wěn)定的制冷管路系統(tǒng)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(shù)，但后期測試修改迭代往往不可避免。通過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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