基于有限元分析的风冷冷水机组减振垫选型计算

任超，岳建军

（特灵科技亚太研发中心，江苏 太仓 215400）

0 引言

风冷冷水机组是大型商用中央空调中常见的一类产品，较高的性价比优势使其广受市场青睐。由于采用的是和空气进行热交换的方式，所以风冷冷水机组通常会被放置在屋顶、阳台等处。压缩机、风机等在机组运行过程中会产生振动，这些振源频率比较丰富，它们的组合能使几吨重的设备发生振动，从而使楼层下的室内环境噪声严重增加[1]，影响使用者的舒适度。通过在机组底部增加橡胶减振垫可有效阻隔振动的传递，这种减振方法通常称之为主动减振法。橡胶材料在受到冲击时能将部分动能转化为热能耗散掉，因而具有良好的减振和降噪性能[2]。所以在实际使用中，通常建议客户安装减振垫来降低机组振动对屋顶地面的影响。

图1所示为某型号风冷冷水机组，其底面框架安装有数个减振垫。该机组的减振垫为氯丁橡胶材料，在其变形时能有效吸收机械能，有特别好的耐大气老化性、耐热老化性，适用于长年累月暴露在室外的地方[3]。

图1 风冷冷水机组及其减振垫

1 现场失效问题描述

根据售后维修人员反馈的信息，客户现场某风冷冷水机组在安装好减振垫后发现机组的水平度较差，较差的水平度会引起蒸发器内液位不平，从而影响制冷系统正常工作。在排除地面水平度的影响之后，初步判定是因为减振垫的变形量不均匀，导致机组底盘横梁在长度方向上有高度差，从而造成机组水平度变差。该机组主要包括位于底盘上的压缩机、蒸发器、油分及其连接管路、安装于框架上部的冷凝器。机组的简化三维模型及减振垫的分布如图2所示，其中底盘横梁下面的方块代表减振垫。该机组使用8个减振垫，对称分布于机组宽度方向上。

图2 现场失效机组及减振垫分布

图3所示为客户现场照片，左图中减振垫的压缩量较大，而右图中减振垫的压缩量较小。据现场反馈的测量数据，机组底盘横梁在长度方向上的高度差为5 mm，已大于产品安装手册中所允许的最大值。

图3 客户现场的减振垫变形

2 失效原因分析

风冷冷水机组水平度较差主要是由减振垫的变形不均引起的，减振垫的变形量与其型号及所承受的重力有直接关系。从机组的结构设计方面看，主要有以下几点原因造成了上述问题：1）机组质量分布不均匀。该机组长度约为6.1 m，质量约为5000 kg。从图2中可看出，冷凝器部分质量分布较均匀。但由于压缩机和蒸发器的质量较大，约占整体质量的45%，导致机组底部的质量主要集中在该区域，即1～6号减振垫所在区域，而最右侧的7号和8号减振垫承担的质量较小。2）减振垫位置分布不合理。当前的减振垫位置分布并不是最优的方案（需兼顾其它采用同样底盘设计的机组），这就造成了各个位置的减振垫受力不均匀。3）减振垫的型号单一。出于成本及现场安装便捷考虑，对同一个机组选取同一种型号的减振垫，容易导致各个减振垫变形不均。

以上原因中，机组的结构布局需要考虑同系列产品的设计，质量分布不便于调整。减振垫的位置和型号可通过有限元仿真计算来进行优化。

3 有限元模型的创建

3.1 简化机组模型

利用ANSYS Workbench仿真软件对风冷冷水机组的三维设计模型进行简化，将几何模型转化为仿真分析所需的有限元模型。去除质量较轻的管路、阀等零部件，保留质量较重的压缩机、蒸发器、冷凝器等。简化后的空调机组有限元模型由实体单元和壳单元组成。压缩机采用实体单元；蒸发器的管板采用实体单元，筒体采用壳单元；冷凝器的盘管采用实体单元，钣金件采用壳单元；机组的底盘、立柱等框架部分均是钣金件，采用壳单元。调整各主要部件的质量，使其和实际质量相同。

3.2 创建接触

机组的框架结构多为钣金件，钣金之间为自攻钉连接，吸排气管路之间等多为焊接，均可采用ANSYS Workbench软件中的“Bonded”接触来模拟。该接触不允许面或线间有相对滑动或分离。分别创建压缩机、蒸发器、冷凝器等部件的接触，将其连接在机组框架上。对于自攻钉连接，设置为“孔对孔”的接触方式；对于管路焊接，设置为“面对面”的接触方式。创建好接触后，各个零部件之间相互连接，模型中不应该有未约束的零件。

3.3 划分网格

网格质量直接影响到有限元模型求解时间及求解结果的正确性，过于精细的网格可以提高结果的精确度，但同时会耗用较长的计算时间。对于风冷机组减振垫的仿真计算，主要目的是得到减振垫上的变形量及支反力，并不关心结构的应力水平，因此在保证有限元模型能正确求解的前提下，网格质量要求可稍作降低。划分完网格的机组模型如图4所示。

图4 带网格的机组有限元模型

3.4 设置载荷及边界条件

风冷冷水机组在正常运行时，作为一个结构整体，只承受重力载荷，取重力加速度为9.81 N/kg，在有限元模型中，仅有机组底部的弹簧是被地面约束，即机组仅在垂直方向上有约束而在水平方向上是自由的，因此需要添加额外的约束来避免结构在水平方向上产生刚体位移。

4 减振垫变形量计算

4.1 当前减振垫计算

某风冷冷水机组橡胶减振垫型号如表1所示。从表1中可看出，3种型号的减振垫所允许的最大承重不同，但在最大承重下的压缩变形量相同（均为12.7 mm）。在仿真计算中将其假设为线性材料，则不同型号的减振垫对应的刚度也不同。当前机组选用的是B型减振垫。

表1 减振垫型号

在ANSYS Workbench软件中创建“Body-Ground”弹簧单元来模拟减振垫[4]。弹簧长度即为减振垫的高度，弹簧刚度即为B型减振垫刚度80 kg/mm。

计算风冷机组在重力作用下的响应，是一个线性静态结构分析，力学方程为

式中：K为机组的刚度矩阵；X为机组的位移矩阵；F为载荷矩阵。

ANSYS Workbench软件中采用直接求解法或迭代求解法得到位移矩阵解。本例中有8个减振垫，计算其承重（或其上的支反力，共8个未知量）是一个典型的超静定问题，解决这类超静定问题就需要考虑底盘的变形协调因素，而减振垫刚度的改变会影响变形协调方程，从而影响支反力的重新分布[5-6]。在ANSYS Workbench软件计算时已考虑变形协调，不再赘述。

经过计算，提取各弹簧的支反力及变形，即各位置减振垫的承重及变形，如表2所示。

表2 当前减振垫承重及变形

从结果可看出，该机组的减振垫最大承重为777 kg，小于B型减振垫所允许的最大值（1020 kg）。最大变形在1号减振垫位置，最小变形在7号减振垫位置，两者相差4.1 mm。机组底盘横梁在竖直方向上的位移如图5所示，竖直方向最大位移为10.6 mm，最小位移为5.0 mm。水平度差值为5.6 mm，和现场机组失效情况吻合。

图5 当前机组底盘横梁竖直位移

4.2 改进减振垫计算

为了减小各个减振垫之间变形的差异，保持机组底盘横梁的水平度，可以从以下两方面进行改善：1）调整减振垫位置。利用有限元分析迭代计算出减振垫分布的最优位置，尽可能使每个位置受力均匀。2）调整减振垫型号。根据有限元分析计算得到每个减振垫位置的实际承载情况，使用不同型号（刚度）的减振垫。

由于本次属于客户现场已发生的问题，调整安装位置需要重新配打安装孔，工作量较大，且现场操作不方便，故采用第二种改善措施。

从表2的计算结果可以看出，5～8号减振垫的实际承载质量较轻，小于A型减振垫的最大承载（680 kg），故可将其型号换为刚度更小的A型。更换型号后，仿真计算结果如表3所示。

表3 改进减振垫承重及变形

更改减振垫型号后，各个点的承重发生了一定的变化。从计算结果可以看出，最大变形的减振垫在6点，最小在2点，其差值仅有1.2 mm。机组底盘横梁在竖直方向上的位移如图6所示，竖直方向最大位移为10.2 mm, 最小位移为8.8 mm。水平度差值为1.4 mm。相比于当前设计，机组水平度改善了75%。

图6 改进后机组底盘横梁竖直位移

5 结语

对于风冷冷水中央空调机组的设计，减振垫的选型和分布是一个重要的环节，会影响到客户的安装及使用效果。本文针对客户现场出现的机组水平度问题，通过有限元仿真计算，确定该问题是由于个别位置减振垫选型不当造成的。通过更换减振垫型号可以有效解决这一现场问题。为了保证机组安装后的水平度，建议从以下两方面来改进设计：1）合理布置减振垫的位置。可采用有限元方法进行优化设计，使各个位置的减振垫受力均匀，从而确保机组的水平；2）针对不同位置减振垫受力差异较大的情况，可选择不同的型号（刚度）的减振垫，使各个位置的减振垫压缩变形均匀，从而确保机组的水平。