涡旋压缩机模态试验与有限元分析

杨 猛，徐新喜，白 松，刘孝辉，谭树林

（军事医学科学院 卫生装备研究所，天津市 300161）

现代涡旋压缩机，朝着高速、大功率、轻型紧凑化的方向发展，其结构刚度不断减小，导致振动噪声问题日益突出，促使人们从动态的角度来考虑产品的性能。因此，产品的动态性能已成为人们的重要追求目标。

通过现代有限元分析软件，可以快速计算出结构的模态频率、振型等模态参数，建立起结构的动态模型，使人们比较直观地了解结构各阶模态振动的规律，并从中找出产品结构刚度薄弱环节及结构的不合理性，从而为结构的动态特性改进提供可靠的试验数据[1]。

本文以某型涡旋压缩机为研究对象，通过对曲轴模态试验结果和有限元模态计算结果进行对比，发现二者误差在允许范围之内。再通过有限元分析软件ANSYS对涡旋压缩机其他各主要零部件进行模态计算，获得前6阶固有频率和振型，为涡旋压缩机主要零部件的结构动力学分析和结构改进设计提供了依据。

1 涡旋压缩机曲轴模态试验

模态是机械结构的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。通过模态试验方法搞清楚结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特征，即可预知结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应。

1.1 LMS模态试验系统

试验分析软件采用LMS公司的Test Lab 5A软件，该系统是比利时LMS公司开发的针对振动噪声试验与工程的集成解决方案。它具有旋转机械的扭振分析、结构与声学试验、环境试验等功能，集数据采集、试验数据处理及试验数据报告生成和数据共享于一体，易于使用，测量精度高。主要由传感器、信号调制、信号处理和显示设备构成。图1是LMS模态试验系统原理图。

图1 LMS模态试验系统原理图

1.2 曲轴模态试验

曲轴是连接电机和动涡盘的重要部件，其动态特性的好坏将直接关系到动静涡旋盘之间相对运动精度的保证，因此，有必要对曲轴进行模态试验。

曲轴模态试验时用装有力传感器的力锤敲击曲轴上预先选好的某一点，试件会随着敲击而振动，产生振动信号，安装在力锤上的力传感器拾取激励力的信号，安装在曲轴某测点上的加速度传感器拾取响应信号，经电荷放大器放大后输入信号采集分析系统，从而得到相应的传递函数，进而识别出试件的固有频率和模态振型。

使用多参考最小二乘复频域法对曲轴的x、y、z三个方向综合进行模态试验，试验结果见表1。

表1 模态试验频率(f/Hz)

1.3 模态试验与有限元分析结果对比

通过ANSYS模态分析计算得出曲轴前三阶固有频率，表2为模态试验结果与ANSYS计算结果对比。

表2 模态试验结果与ANSYS计算结果对比(f/Hz)

通过对比我们可以发现，模态试验结果与ANSYS计算结果基本一致，固有频率最大误差在8.6%左右，最小误差仅为2.4%，误差在允许范围之内。图2为模态试验与有限元计算各阶振型对比。

2 涡旋压缩机有限元模态分析

根据实际工况，对于主轴、动涡盘、十字滑块分别计算自由约束和工作约束(两端固定)下的模态，对于装配件，计算装配体在约束下的模态结果。其中主轴的约束是对下端面加All DOF约束，上下轴承面加径向约束；动涡盘的约束是对动涡盘与支撑架加All DOF约束，在十字滑块与动涡盘接触处加垂直于接触面的约束；装配体的约束是对四个支撑脚下平面加All DOF约束[3]。表3为涡旋压缩机主要零部件的前6阶固有频率。

图2 模态试验与有限元计算固有振型对比

表3 涡旋压缩机主要零部件的前6阶固有频率(f/Hz)

3 结果分析

涡旋压缩机最外层结构的振动危害最大，也是产生噪声的主要来源。因此本文主要讨论涡旋压缩机最外层结构的固有频率和振型。涡旋压缩机最外层结构包括上顶盖、壳体和装配体。

图3 上顶盖固有振型

（1）上顶盖约束状态下1阶固有频率为2 445 Hz，各阶振型主要是上顶盖圆弧部分上下振动，这说明上顶盖圆弧部分易变形，刚度较小，而且在实际工况下，上顶盖圆弧部分无约束，是振动易发区，在设计时应当予以加强[4]。

（2）壳体1阶固有频率为336.56 Hz，远高于电机激振频率25 Hz，但动静涡旋盘之间的摩擦与电机激振力相互叠加，必然构成十分复杂的激振力，包含丰富的高频成分，其对壳体的影响不容忽略。

观察壳体振型可以发现：1阶和2阶振型以左右摆动为主，且摆动方向垂直，变形部位是地脚；3阶振型以壳体上下振动为主，变形部位是地脚；4阶振型主要是壳体中间部位的左右摆动变形，变形部位是壳体本身；5阶振型主要是壳体中间部位的挤压变表明，相同跌落高度条件下，适当的减小系统的悬挂角度，可降低系统无量纲加速度最大值，但无量纲位移最大值增加。研究结论可为悬挂式弹簧系统缓冲设计提供理论依据。

图4 壳体各阶振型

图5 系统无量纲加速度峰值随无量纲跌落冲击速度的变化Fig.5 The change of the peak value of dimensionless acceleration along with system dimensionless dropping shock velocity

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