CN106033498A - 变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调，提供一种变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，需结合变频空调器每年在制冷、制热季节的工作工况及各频率点对管路振动的实际贡献量，对变频空调器管路振动疲劳寿命进行估算。通过加权计算变频空调器的平均运行频率，并确定变频空调器的工作工况和各运行频率点的权重，再根据管路材料本身的疲劳特性及测试得到的各频率点下振动最大应力值，分别计算变频空调器在一年内启动、运行、停机状态下管路的疲劳损伤，通过疲劳损伤累积计算得到变频空调器管路系统振动疲劳寿命。本发明适用于变频空调器。

Description

变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法

技术领域

本发明涉及空调，尤其涉及变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法。

背景技术

目前，空调行业普遍采用管路应力应变测试来评价管路振动可靠性以及评估管路振动寿命，通常是以测得的管路振动最大应力值进行评价和疲劳寿命计算，如果最大应力值超出企业内定标准，即视为不合格，但变频空调器不同于定频压缩机单一频率点的工作模式，其工作频率点众多，在压缩机启动、运行、停止过程中各频率点对管路振动贡献量并不相同，且在空调器正常工作过程中各频率点运行的概率也不一样，因此对变频空调器管路振动疲劳寿命计算不同于定频空调器的计算方法。但是，目前尚未针对变频空调器提出一种计算管路系统振动疲劳寿命的方法，而企业里对变频空调管路振动疲劳寿命的计算方法仍按定速机的计算方式，即采用恒定的许用应力[σ]来估算管路的振动疲劳寿命。

随着空调行业变频化的形成，变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法的局限性更加明显，以管路单一许用应力来计算管路振动疲劳寿命的方法已无法满足变频空调器管路振动可靠性评价及设计的要求，需结合变频空调器实际工作工况及各频率点对管路振动的实际贡献量提出一种准确计算变频空调器管路振动疲劳寿命的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对变频空调器管路振动评价及疲劳寿命计算方法存在的不足，提供一种变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，需结合变频空调器实际工作工况及各频率点对管路振动的影响，对变频空调器管路振动疲劳寿命进行估算。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：

a.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度，确定各个温度下的频率，并将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率；

b.基于变频空调器的平均运行频率以及一年内总运行时间，求出变频空调器一年内在运行状态的振动次数,以及变频空调器一年内启动次数、停机次数；

基于启动状态和停机状态下各频率点发生的时间、以及变频空调器一年内总运行时间，确定变频空调器在启动状态和停机状态在各频率点的权重；

基于变频空调器一年内总运行时间、运行状态下各频率发生的时间、以及启动状态和停机状态下发生的总时间，确定变频空调器在运行状态下各频率点的权重；

根据管路材料本身的疲劳特性及各频率点下测试得到的振动最大应力，确定管路在运行状态下各频率点的振动疲劳寿命；同时，根据启动应力和停机应力分别确定管路在启动应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿命；

c.基于变频空调器一年内启动次数、启动状态各频率点以及在各频率点的权重、启动应力下的振动疲劳寿命，计算启动状态下各频率点的疲劳损伤；

基于变频空调器一年内停机次数、停机状态各频率点以及在各频率点的权重、停机应力下的振动疲劳寿命，计算停机状态下各频率点的疲劳损伤；

基于变频空调器一年内在运行状态的振动次数、运行状态下各频率点以及在各频率点的权重、运行状态下各频率点的振动疲劳寿命、所述平均运行频率，计算运行状态下各频率点的疲劳损伤；

d.通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤；

e.综合变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤，计算变频空调器管路系统振动疲劳寿命。

具体的，步骤a具体包括：

a1.根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立频率-温度数学关系；

a2.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度以及所述频率-温度数学关系，确定各个温度下的频率；

a3.将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率。

具体的，步骤b中通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和停机状态的时间过程和频率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率点发生的时间。

具体的，步骤b在求启动状态或运行状态或停机状态下振动疲劳寿命时，包括以下步骤：

b1.根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对管路振动可靠性进行分析，建立管路振动应力与振动疲劳寿命之间的数学模型；

b2.基于启动状态或运行状态或停机状态下在各频率点测试得到的振动最大应力以及所述数学模型，确定该状态下的振动疲劳寿命。

进一步的，步骤b2中振动最大应力的获得步骤包括：

b21.对变频空调压缩机管路系统进行仿真分析，确定变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位，将最薄弱部位作为管路应力测试时的测试点；

b22.从低到高设定变频压缩机的各频率点，并逐点测试各个测试点在各频率点对应的主应力，通过比较各测试点的主应力，确定运行状态各频率点的最大主应力，所述各频率点的最大主应力即为运行状态各频率点的振动最大应力；

逐点测试各个测试点在启动状态、停机状态下各频率点的主应力，通过比较各测试点的主应力，确定启动状态、停机状态各频率点的最大主应力，所述启动状态、停机状态各频率点的最大主应力即分别启动状态、停机状态各频率点的振动最大应力。

进一步的，步骤b22通过频闪仪和应变计测试各个测试点的主应力。

进一步的，步骤b22测试主应力的具体步骤为：

b221.将连接空调器压缩机排气口的管路的第一弯位和第二弯位、以及连接空调器压缩机吸气口的管路的第一弯位和第二弯位作为待测弯位，并将待测弯位上对应其分角线的部位作为可能粘贴应变计的初级测试部位；

用频闪仪观察管路系统的U型弯的振动方向，通过U型弯的振动方向，在所述初级测试部位上确定具体的应力测试点，其中，所述U型弯为与所述测试弯位连接的弯位，并且所述U型弯处于管路系统的下端；

b222，在所述应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计，其中，轴向为沿管路中心轴线的方向，径向为沿管路的截面半径的方向；

b223.通过应变计确定应力测试点处的轴向应力值和径向应力值，根据弹性力学原理，得到应力测试点的主应力。

本发明的有益效果是：通过建立频率-温度数学关系，能够确定任意工况下变频空调器的工作频率。通过变频空调器启动、停机过度工况各频率点运行的权重，并考虑了变频空调器启动和停机状态对管路造成的振动疲劳损伤，能更加全面、准确的计算管路振动疲劳寿命，避免了当前变频空调器管路振动可靠性评价与疲劳寿命计算中因主观判定造成的错误。

附图说明

图1是变频空调器压缩机管路系统正面图；

图2是变频空调器压缩机管路系统背面图；

图3是应变计设置方式示意图。

图中编号：1为压缩机，2为管路，3为应变计，4为待测弯位的分角线，5为U型弯，M₁、M₂、M₃、M₄为各个测试点。

具体实施方式

本发明通过加权计算变频空调器平均运行频率，同时确定变频空调器工作工况以及各频率点运行权重，进而获得变频空调器在启动、运行、停机状态下各频率点对管路造成的疲劳损伤，通过疲劳损伤累积计算，从而得到变频空调器管路系统的疲劳寿命。以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，实施例的具体步骤如下：

1、首先根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立变频空调器运行频率与室外温度的数学关系，其中，制冷：f₁＝A₁T₁+B₁、制热：f₂＝A₂T₂+B₂；再根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度以及所建立的频率-温度数学关系，确定变频空调器每年在制冷和制热季节下发生的频率f_i3，其总时间为H小时，将各个温度下的运行频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率为f Hz，则变频空调器一年内在运行状态的振动次数为n₃＝H*f*60*60次，本实施例按每小时变频空调器启、停各一次计算，得一年启动次数为n₁、停机次数为n₂，n₁＝n₂＝H次。

2、变频空调器各频率的权重的确定：

a、通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和停机状态的时间过程和频率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率点发生的时间。其中，变频空调器一年内总时间为H小时，启动状态运行的频率点f_i1及对应运行时间为h_i1，则启动状态各频率点运行的权重为停机状态运行的频率点f_i2及对应运行时间为h_i2，则停机状态各频率点运行的权重为

b、用户确定变频空调器每年需要制冷和制热的各温度T_i3以及各温度T_i3下的运行频率f_i3；确定变频空调器在各频率下f_i3的运行时间；再基于变频空调器一年内总运行时间、各频率下发生的时间、以及启动状态和停机状态的总时间，确定变频空调器运行时在各频率点的权重。其中，启动状态、停机状态的总时间分别为H₁、H₂，变频空调器一年内总运行时间为H、各频率f_i3下的运行时间为h_i3，则各频率点的权重P_i3为：

3、根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对铜管振动可靠性进行理论分析，建立铜管振动应力S与振动疲劳寿命N之间的数学模型为LogS＝ALogN+B。利用启动、运行、停机状态下各频率点的管路振动应力，可以快速得到启动、运行、停机状态下各频率点的振动疲劳寿命N。变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位将决定管路系统的整体寿命，因此，应选用在启动、运行、停机状态下管路疲劳最薄弱的部位作为测试点，即管路上发生最大应力的部位。具体步骤如下：

a.变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位的确定：

对变频空调压缩机管路系统进行有限元仿真分析，确定压缩机管路系统中应力最大的部位，通常压缩机管路2系统中应力较大的部位主要位于压缩机1排气口的第一弯位和第二弯位，吸气口的第一弯位和第二弯位以及振幅最大部位相邻的弯位，将这些应力较大的部位作为管路应力测试时的待测弯位。

b.应力测试点和主应力的确定：

首先，将待测弯位上对应其分角线4的部位作为初级测试部位，应变计3可能粘贴在初级测试部位四周的任何位置，因此还需进一步确定具体的测试点。

然后，用频闪仪观察管路系统的U型弯5的振动方向，将与U型弯5的振动方向相同的方向作为应变计3在所述初级测试部位上的方位，从而确定在所述初级测试部位上的具体的应力测试点，其中，这里所说的U型弯5为与所述测试弯位连接的弯位，并且所述U型弯5处于管路2系统的下端，如图1和图2所示。具体的来说，如果与U型弯5的振动方向相同的方向为前后振动方向，则如图3所示应将测试点选在弯位的前方再进行应变计粘贴，或者选在弯位的后方再进行应变计粘贴；如果与U型弯5的振动方向相同的方向为左右振动方向，则应将测试点选在弯位的内侧或者外侧，再进行应变计粘贴。本例中各个应力测试点如图1所示，分别记为：测试点M₁、测试点M₂、测试点M₃、测试点M₄。

最后，如图3所示，在应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计3，其中，轴向为沿管路中心轴线的方向；径向为沿管路的截面半径的方向。由此可得到管路2上各测试点处的轴向和径向应力值σ_x和σ_y，根据弹性力学知识，可得测试点的主应力σ为：主应力σ的方向为

c.测试变频空调器在启动、运行、停机状态下管路振动的最大应力值：

i、测试变频空调器在运行状态下各个工作频率点对应的最大应力值。使用频率设定器手动设定变频压缩机的运行频率点从低到高运行进行逐点测试，得到各测试点M₁、M₂、…、M_n在工作频率f_i下的主应力，分别记为δ_M1i，δ_M2i，…，δ_Mni，将测试点中的最大应力值作为该工作频率f_i下管路振动的最大应力值，即δ_i＝max{δ_M1i，δ_M2i，…，δ_Mni}；

ii、测试变频空调压缩机启动状态时管路振动的最大应力值，反复5次，分别记录各测试点M₁、M₂、…、M_n，5次测试的数据为：其中k＝1，2，…，n；取5次的平均值为最终结果，即则启动状态的最大应力值δ₁为：

iii、同理根据步骤ii中的测试方法，获得变频空调压缩机停机状态管路振动的最大应力值δ₂为：其中k＝1，2，…，n。

d.通所建立的数学模型以及步骤c中求得的最大应力值，确定管路在运行状态下各频率点的振动疲劳寿命，以及在启动应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿命。

4、结合步骤1、2、3所求参数，计算各种状态下各频率点的疲劳损伤：

a、启动状态下各频率点的疲劳损伤R_i1为：其中，N_i1为管路在的启动应力下各频率点的疲劳寿命，n₁为一年内变频空调器启动次数，C_i1＝H*60*60*f_i1*p_i1为启动状态下各频率点f_i1管路的振动次数，p_i1为启动状态各频率点f_i1运行的权重；

b、停机状态下各频率点的疲劳损伤R_i2为：其中，N_i2为管路在停机应力下各频率点的疲劳寿命，n₂为一年内变频空调器停机次数，C_i2＝H*60*60*f_i2*p_i2为停机状态下各频率点f_i2管路的振动次数，p_i2为停机状态各频率点f_i2运行的权重；

c、变频空调器运行状态下各频率点的疲劳损伤R_i3为：其中，n_i＝H*60*60*f_i3*p_i3为变频空调器一年内管路在该频率点的振动次数，p_i3为运行状态下各频率点f_i3的权重，变频空调器在频率f_i下运行时管路产生的最大应力为δ_i，则N_i为在最大应力δ_i作用下的疲劳寿命。

此外，在计算n_i时，本实施例可以采用加权计算后的平均运行频率f，此时n_i＝n₃*p_i3*f_i3/f，则其中，p_i3为运行状态下各频率点f_i3的权重。技术人员在计算时，常常需要快速估算运行状态下某一频率点的疲劳损伤R_i3，这里基于平均运行频率f，我们可以快速地估算运行状态下任意频率点f_i3的疲劳损伤R_i3。

需要说明的是，步骤2-4的顺序不局限于实施例，实际应用时是可以相互交换的。

5、通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤：

a.启动状态下管路的累积疲劳损伤R₁为：其中，m₁为启动状态运行的频率点个数；

b.停机状态下管路的累积疲劳损伤R₂为：其中，m₂为停机状态运行的频率点个数；

c.运行状态下管路的累积疲劳损伤R₃为：其中，m₃为运行状态的频率点个数。

6、变频空调器工作一年后，各种状态下管路的疲劳损伤累积R为：R＝R₁+R₂+R₃，得到变频空调器管路系统的疲劳寿命T为：

需要指出的是，上面所述只是用图解说明本发明的一些原理，由于对相同技术领域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (7)

1.变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度，确定各个温度下的频率，并将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率；

b.基于变频空调器的平均运行频率以及一年内总运行时间，求出变频空调器一年内在运行状态的振动次数,以及变频空调器一年内启动次数、停机次数；

基于启动状态和停机状态下各频率点发生的时间、以及变频空调器一年内总运行时间，确定变频空调器在启动状态和停机状态在各频率点的权重；

基于变频空调器一年内总运行时间、运行状态下各频率发生的时间、以及启动状态和停机状态下发生的总时间，确定变频空调器在运行状态下各频率点的权重；

根据管路材料本身的疲劳特性及各频率点下测试得到的振动最大应力，确定管路在运行状态下各频率点的振动疲劳寿命；同时，根据启动应力和停机应力分别确定管路在启动应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿命；

c.基于变频空调器一年内启动次数、启动状态各频率点以及在各频率点的权重、启动应力下的振动疲劳寿命，计算启动状态下各频率点的疲劳损伤；

基于变频空调器一年内停机次数、停机状态各频率点以及在各频率点的权重、停机应力下的振动疲劳寿命，计算停机状态下各频率点的疲劳损伤；

基于变频空调器一年内在运行状态的振动次数、运行状态下各频率点以及在各频率点的权重、运行状态下各频率点的振动疲劳寿命、所述平均运行频率，计算运行状态下各频率点的疲劳损伤；

d.通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤；

e.综合变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤，计算变频空调器管路系统振动疲劳寿命。

2.如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤a具体包括：

a1.根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立频率-温度数学关系；

a2.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度以及所述频率-温度数学关系，确定各个温度下的频率；

a3.将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率。

3.如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b中通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和停机状态的时间过程和频率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率点发生的时间。

4.如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b在求启动状态或运行状态或停机状态下振动疲劳寿命时，包括以下步骤：

b1.根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对管路振动可靠性进行分析，建立管路振动应力与振动疲劳寿命之间的数学模型；

b2.基于启动状态或运行状态或停机状态下在各频率点测试得到的振动最大应力以及所述数学模型，确定该状态下的振动疲劳寿命。

5.如权利要求4所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b2中振动最大应力的获得步骤包括：

b21.对变频空调压缩机管路系统进行仿真分析，确定变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位，将最薄弱部位作为管路应力测试时的测试点；

b22.从低到高设定变频压缩机的各频率点，并逐点测试各个测试点在各频率点对应的主应力，通过比较各测试点的主应力，确定运行状态各频率点的最大主应力，所述各频率点的最大主应力即为运行状态各频率点的振动最大应力；

逐点测试各个测试点在启动状态、停机状态下各频率点的主应力，通过比较各测试点的主应力，确定启动状态、停机状态各频率点的最大主应力，所述启动状态、停机状态各频率点的最大主应力即分别启动状态、停机状态各频率点的振动最大应力。

6.如权利要求5所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b22通过频闪仪和应变计测试各个测试点的主应力。

7.如权利要求6所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b22测试主应力的具体步骤为：

b221.将连接空调器压缩机排气口的管路的第一弯位和第二弯位、以及连接空调器压缩机吸气口的管路的第一弯位和第二弯位作为待测弯位，并将待测弯位上对应其分角线的部位作为可能粘贴应变计的初级测试部位；

用频闪仪观察管路系统的U型弯的振动方向，通过U型弯的振动方向，在所述初级测试部位上确定具体的应力测试点，其中，所述U型弯为与所述测试弯位连接的弯位，并且所述U型弯处于管路系统的下端；

b222，在所述应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计，其中，轴向为沿管路中心轴线的方向，径向为沿管路的截面半径的方向；

b223.通过应变计确定应力测试点处的轴向应力值和径向应力值，根据弹性力学原理，得到应力测试点的主应力。