CN113239489A - 变频单转子压缩机振动的仿真评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调技术领域，公开了一种变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，旨在解决现有的压缩机振动评价方法准确度低的问题，包括：计算待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷，压缩机载荷包括旋转惯性力矩和不平衡力；建立待测压缩机的有限元模型并设置有限元模型的边界条件，根据有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率；分别将每个运行频点下的压缩机载荷加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据；根据固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格。本发明缩短了变频压缩机与空调管路的匹配周期，提高了振动评价的准确度，适用于变频单转子压缩机。

Description

变频单转子压缩机振动的仿真评价方法

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体来说涉及一种变频单转子压缩机振动的仿真评价方法。

背景技术

压缩机是空调器的核心，也是引起空调产生振动噪音的主要激励源，由压缩机振动引起的空调管路振动噪音问题已成为空调产品开发过程中的难点和痛点，尤其是变频单转子压缩机，在空调整机上的振动噪音问题更为突出。

目前，压缩机与空调匹配的方式是，先匹配性能，性能测试合格后再进行振动和噪音测试，若振动、噪音测试不合格，整改管路结构，继续进行振动、噪音测试，直至合格为止。这样的匹配方式，导致两种不同的结果：一是，振动状态好的压缩机与空调管路匹配很快，2个多月就可批量生产；二是，振动状态差的压缩机与空调管路匹配很慢，12个月未果。而对压缩机振动状态的评价，压缩机厂家只是简单的进行加速度测试，要求其最大值不能超过某一个值，这种单一的评价方式没有考虑压缩机在整机上的表现，准确度不高，造成的结果往往是压缩机满足出厂状态，但与空调整机结合后表现出管路振动噪音问题。

发明内容

本发明旨在解决现有的压缩机振动评价方法准确度低的问题，提出一种变频单转子压缩机振动的仿真评价方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，包括以下步骤：

步骤1、计算待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷，所述压缩机载荷包括旋转惯性力矩和不平衡力，所述不平衡力包括不平衡力幅值和不平衡力相位值；

步骤2、建立所述待测压缩机的有限元模型，并设置所述有限元模型的边界条件，根据所述有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率，所述固有频率至少包括第三阶旋转振型对应的固有频率；

步骤3、分别将每个运行频点下的压缩机载荷加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据；

步骤4、根据所述第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格。

进一步地，步骤1中，所述待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩的计算方法包括：

获取待测压缩机的特定参数以及该待测压缩机在每个运行频率点下的状态数据，所述压缩机的特定参数包括：压缩机活塞直径、压缩机气缸高度、压缩机偏心距、压缩机气缸容积和压缩机气缸容积效率，所述状态数据包括：吸气压力、排气压力、吸气温度和排气温度；

根据所述压缩机的特定参数和状态数据计算待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩。

进一步地，所述幅频响应数据对应的幅值为位移幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的位移幅值确定所有运行频点下吸气口的最大位移幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大位移幅值小于第一预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

进一步地，所述第一预设值预设为5500um。

进一步地，所述幅频响应数据对应的幅值为速度幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大速度幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大速度幅值小于第二预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

进一步地，所述幅频响应数据对应的幅值为加速度幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的加速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大加速度幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大加速度幅值小于第三预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

进一步地，步骤2中仿真计算得到的固有频率还包括低阶旋转振型对应的固有频率，所述低阶旋转振型对应的固有频率波动范围根据仿真计算得到的低阶旋转振型对应的固有频率确定。

进一步地，所述低阶旋转振型对应的固有频率波动范围预设为[20,25]Hz。

进一步地，所述有限元模型包括：压缩机筒体和储液器筒体，所述压缩机筒体的底部连接有多个压缩机支脚，每个压缩机支脚连接有橡胶脚，压缩机筒体的顶部设有排气口，压缩机筒体内部设有用于表示电机定子的第一质点和用于表示除电机定子外的零件的第二质点，所述储液器筒体上设有储液器卡箍和卡箍支架，储液器筒体的顶部设有吸气口，所述有限元模型的边界条件为所有橡胶脚的底面固定。

进一步地，还包括：

步骤5、若判定待测压缩机的振动不合格，则对待测压缩机的内部结构参数进行优化后进入步骤2，优化的方法包括：以第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据为目标函数，以橡胶脚的结构参数、第一质点的位置参数和质量参数以及第二质点的位置参数和质量参数为自变量，以MOGA多目标遗传算法为核心进行优化。

本发明的有益效果是：本发明所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，通过建立压缩机的有限元模型进行仿真分析，缩短了变频压缩机与空调管路的匹配周期，并且，通过仿真计算得到的幅频响应数据和压缩机第三阶旋转振型对应的固有频率来判断待测压缩机的振动是否合格，提高了振动评价的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的待测压缩机的有限元模型结构示意图；

附图标记说明：

1-排气口；2-压缩机筒体；3-压缩机支脚；4-橡胶脚；5-储液器筒体；6-储液器卡箍；7-卡箍支架；8-吸气口；A-第一质点；B-第二质点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明旨在缩短变频压缩机与空调管理的匹配周期以及提高振动评价的准确度，提出了一种变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，包括以下步骤：计算待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷，所述压缩机载荷包括旋转惯性力矩和不平衡力，所述不平衡力包括不平衡力幅值和不平衡力相位值；建立所述待测压缩机的有限元模型，并设置所述有限元模型的边界条件，根据所述有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率，所述固有频率至少包括第三阶旋转振型对应的固有频率；分别将每个运行频点下的压缩机载荷加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据；根据所述第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格。

首先，计算出待测压缩机在不同运行频率下的旋转惯性力矩和不平衡力，即待测压缩机的运行频率与旋转惯性力矩和不平衡力之间的对应关系；然后，根据待测压缩机的真实模型数据建立准确的压缩机有限元模型并对建立的有限元模型施加边界条件，根据有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率；再然后，分别将不同运行频率下的旋转惯性力矩和不平衡力加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机的幅频响应数据；最后，根据仿真计算得到的第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据判断压缩机的振动是否合格。

实施例

本发明实施例所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、计算待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷，所述压缩机载荷包括旋转惯性力矩和不平衡力，所述不平衡力包括不平衡力幅值和不平衡力相位值；

本实施例中，计算待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩的方法包括：获取待测压缩机的特定参数以及该待测压缩机在每个运行频率点下的状态数据，所述压缩机的特定参数包括：压缩机活塞直径、压缩机气缸高度、压缩机偏心距、压缩机气缸容积和压缩机气缸容积效率，所述状态数据包括：吸气压力、排气压力、吸气温度和排气温度；根据所述压缩机的特定参数和状态数据计算待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩。

计算待测压缩机在每个运行频率点下的不平衡力幅值的方法包括：获取压缩机的不平衡质量、不平衡质量偏心距和转轴角速度，根据所述不平衡质量、不平衡质量偏心距和转轴角速度计算不平衡力幅值。

计算待测压缩机在每个运行频率点下的不平衡力相位的方法包括：计算压缩机排气开始时刻的第一转角和压缩机转子角速度最大时刻的第二转角；根据所述第一转角与第二转角的差值得到不平衡力相位值。

在实际使用中，可以通过大量实测数据建立数据库，并通过专业软件快速求解得到待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷。

步骤2、建立所述待测压缩机的有限元模型，并设置所述有限元模型的边界条件，根据所述有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率，所述固有频率至少包括第三阶旋转振型对应的固有频率；

可以理解，有限元模型根据待测压缩机的真实模型数据建立，为了提高仿真计算效率，如图2所示，本实施例中，所述有限元模型包括：压缩机筒体2和储液器筒体5，所述压缩机筒体2的底部连接有多个压缩机支脚3，每个压缩机支脚连接有橡胶脚4，压缩机筒体2的顶部设有排气口1，压缩机筒体2内部设有用于表示电机定子的第一质点A和用于表示除电机定子外的零件的第二质点B，所述储液器筒体5上设有储液器卡箍6和卡箍支架7，储液器筒体5的顶部设有吸气口8。

本实施例中，所述有限元模型的边界条件为所有橡胶脚4的底面固定。

在建立待测压缩机的有限元模型并设置边界条件后，即可仿真计算得到待测压缩机的固有频率，本实施例中，可以仿真计算得到待测压缩机的第一阶旋转振型、第二阶旋转振型和第三阶旋转振型对应的固有频率。

步骤3、分别将每个运行频点下的压缩机载荷加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据；

具体而言，分别将每个运行频点下的旋转惯性力矩和不平衡力加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据，其中，幅频响应数据对应的幅值可以为位移幅值、速度幅值或加速度幅值。

步骤4、根据所述第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格；

具体判断方法可以包括：若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述幅频响应数据对应的而幅值小于预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

具体地，当幅频响应数据对应的幅值为位移幅值时，判断待测压缩机的振动是否合格的方法可以为：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的位移幅值确定所有运行频点下吸气口的最大位移幅值；

若所述固有频率中，第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大位移幅值小于第一预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

可以理解，当第三阶旋转振型对应的固有频率在预设范围内时，表示第三阶旋转振型对应的固有频率与低阶旋转振型对应的固有频率接近或重合，此时在该频率范围内会产生强烈的共振，容易造成断管风险，这里的低阶旋转振型为第一阶旋转振型和第二阶旋转振型。此外，由于压缩机运行时，压缩机吸气口的振动幅值远远大于其排气口的振动幅值，因此，本实施例将吸气口的幅频响应数据作为限制条件进行振动评价。

本实施例步骤2中仿真计算得到的固有频率还可以包括第一阶旋转振型和第二阶旋转振型对应的固有频率，通过仿真计算得到的第一阶旋转振型和第二阶旋转振型对应的固有频率的波动范围得出预设范围。

为了减小仿真计算流程，本实施例也可以采用预设的方式设置预设范围，由于低阶旋转振型对应的固有频率波动范围通常在[20，25]Hz区间内，因此可以将预设范围设置为[20，25]Hz。其次，结合多款变频压缩机在空调整机上的振动噪音表现，将第一预设值设置为5500um。

具体而言，当第三阶旋转振型对应的固有频率不在[20，25]Hz区间内，并且吸气口的最大位移幅值小于5500um，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格。

当幅频响应数据对应的幅值为速度幅值时，判断待测压缩机的振动是否合格的方法可以为：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大速度幅值；

若所述固有频率中，第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大速度幅值小于第二预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

当幅频响应数据对应的幅值为加速度幅值时，判断待测压缩机的振动是否合格的方法可以为：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的加速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大加速度幅值；

若所述固有频率中，第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大加速度幅值小于第三预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

可以理解，当幅频响应数据对应的幅值为速度幅值或加速度幅值时，其实现原理与幅频响应数据对应的幅值为位移幅值时的实现原理相同，区别在于，用于判断最大速度幅值的第二预设值不同，以及用于判断最大加速度幅值的第三预设值不同，相关之处参照幅频响应数据对应的幅值为位移幅值时即可，此处不再赘述。

步骤5、若判定待测压缩机的振动不合格，则对待测压缩机的内部结构参数进行优化后进入步骤2，优化的方法包括：以第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据为目标函数，以橡胶脚4的结构参数、第一质点A的位置参数和质量参数以及第二质点B的位置参数和质量参数为自变量，以MOGA多目标遗传算法为核心进行优化。

具体而言，当步骤4判定待测压缩机的振动合格时，则压缩机可入厂与空调整机进行匹配，否则，对待测压缩机的内部结构参数进行优化后进入步骤2，直到待测压缩机的振动合格，其中MOGA多目标遗传算法为现有技术，此处不再赘述。

综上所述，本实施例所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，通过建立压缩机的有限元模型进行仿真分析，缩短了变频压缩机与空调管路的匹配周期，并且，通过仿真计算得到的压缩机第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据对应的幅值来判断待测压缩机的振动是否合格，提高了振动评价的准确度。

Claims (10)

1.变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算待测压缩机在每个运行频率点下的压缩机载荷，所述压缩机载荷包括旋转惯性力矩和不平衡力，所述不平衡力包括不平衡力幅值和不平衡力相位值；

步骤2、建立所述待测压缩机的有限元模型，并设置所述有限元模型的边界条件，根据所述有限元模型仿真计算得到待测压缩机的固有频率，所述固有频率至少包括第三阶旋转振型对应的固有频率；

步骤3、分别将每个运行频点下的压缩机载荷加载至有限元模型中，仿真计算得到待测压缩机在每个运行频点下吸气口的幅频响应数据；

步骤4、根据所述第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格。

2.如权利要求1所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，步骤1中，所述待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩的计算方法包括：

获取待测压缩机的特定参数以及该待测压缩机在每个运行频率点下的状态数据，所述压缩机的特定参数包括：压缩机活塞直径、压缩机气缸高度、压缩机偏心距、压缩机气缸容积和压缩机气缸容积效率，所述状态数据包括：吸气压力、排气压力、吸气温度和排气温度；

根据所述压缩机的特定参数和状态数据计算待测压缩机在每个运行频率点下的旋转惯性力矩。

3.如权利要求1所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述幅频响应数据对应的幅值为位移幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的位移幅值确定所有运行频点下吸气口的最大位移幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大位移幅值小于第一预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

4.如权利要求3所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述第一预设值预设为5500um。

5.如权利要求1所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述幅频响应数据对应的幅值为速度幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大速度幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大速度幅值小于第二预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

6.如权利要求1所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述幅频响应数据对应的幅值为加速度幅值；步骤4中，根据所述固有频率和幅频响应数据判断待测压缩机的振动是否合格的方法包括：

根据待测压缩机在每个运行频率点下吸气口的加速度幅值确定所有运行频点下吸气口的最大加速度幅值；

若所述第三阶旋转振型对应的固有频率不在预设范围内，且所述最大加速度幅值小于第三预设值，则判定待测压缩机的振动合格，否则，判定待测压缩机的振动不合格，所述预设范围为低阶旋转振型对应的固有频率波动范围。

7.如权利要求3至6任一项所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，步骤2中仿真计算得到的固有频率还包括低阶旋转振型对应的固有频率，所述低阶旋转振型对应的固有频率波动范围根据仿真计算得到的低阶旋转振型对应的固有频率确定。

8.如权利要求3至6任一项所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述低阶旋转振型对应的固有频率波动范围预设为[20,25]Hz。

9.如权利要求1所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，所述有限元模型包括：压缩机筒体和储液器筒体，所述压缩机筒体的底部连接有多个压缩机支脚，每个压缩机支脚连接有橡胶脚，压缩机筒体的顶部设有排气口，压缩机筒体内部设有用于表示电机定子的第一质点和用于表示除电机定子外的零件的第二质点，所述储液器筒体上设有储液器卡箍和卡箍支架，储液器筒体的顶部设有吸气口，所述有限元模型的边界条件为所有橡胶脚的底面固定。

10.如权利要求9所述的变频单转子压缩机振动的仿真评价方法，其特征在于，还包括：

步骤5、若判定待测压缩机的振动不合格，则对待测压缩机的内部结构参数进行优化后进入步骤2，优化的方法包括：以第三阶旋转振型对应的固有频率和幅频响应数据为目标函数，以橡胶脚的结构参数、第一质点的位置参数和质量参数以及第二质点的位置参数和质量参数为自变量，以MOGA多目标遗传算法为核心进行优化。

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