活塞并聯式壓縮機組在在商用制冷領域應用廣泛，多機并聯可實現制冷系統負荷的良好匹配。由于前期缺乏對產品結構的動力學響應定性判斷，并聯機組在實際使用中會出現銅管斷裂等問題，該問題將導致大量制冷劑氣體泄漏，從而導致環境污染，經濟損失等情況。針對該問題，希望可以通過有限元理論分析在產品設計階段將問題解決。有限元數值模擬可實現對并聯機組的振動情況定性分析，有限元數值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。

1、前言

　　制冷系統并聯機組在商用制冷領域應用廣泛。并聯機組由多臺活塞式壓縮機并聯組成，多臺并聯壓縮機共用吸、排氣集管及機組配件，其機組配件如油分離器、汽液分離器、控制系統、儲液罐等。并聯機組可以根據蒸發器負荷變化情況來進行靈活啟停，實現制冷量的多級能量調節，可實現系統的節能運轉。

　　由于前期缺乏對產品結構的動力學響應定性判斷，并聯機組在實際使用中會出現銅管斷裂等問題。針對該問題，首先從機組的振動方面入手，分析壓縮機的工作對整體結構特性的影響。機組振動的理論分析可以通過有限元數值模擬的方法來實現，有限元數值模擬分析法是分析解決工程問題快速、行之有效的方法。本文采用CATIA V5 軟件對典型的機組產品進行有限元分析。

2、并聯機組建模

　　選取典型并聯機組產品進行幾何模型組建，如圖1 所示，系統所受到的激勵主要是由壓縮機產生的。目前我公司的并聯機組產品多采用旋轉活塞壓縮機，不平衡質量高速回轉時的慣性力和慣性力矩產生較強烈的機械振動。有限元分析的基本思想是將被分析對象分割為有限個微小單元，假定力只在有限元節點之間傳遞，從而將微分方程簡化為對應的聯立方程組，從而實現工程問題的近似求解。真空技術網(bjjyhsfdc.com)認為有限元分析為計算機的復雜計算過程，對計算機的硬件要求極高，為使計算機可以滿足分析計算，需要在適當簡化的情況下進行三維建模。CATIA V5 軟件可自動進行有限元網格劃分，越微小的結構其網格劃分越細致。基于此，在保證系統結構主要物理參量，如材料，尺寸，密度等準確的前提下，為了方便建模，減少工作量，對系統的動力學響應影響不大的細微結構做適當的簡化處理。

圖1 整體結構有限元模型

3、有限元計算及結果整理

　　應用有限元分析方法，將并聯機組的產品的銅管間施加剛性連接特性，將銅管與固定吊架之間施加柔性連接特性，將并聯機組的減震膠皮與并聯機組間施加柔性連接特性，將所有部品間定義完全后進行有限元計算與分析。運用有限元分析中限制狀態下固有頻率分析來對機組幾何模型進行計算分析。其第一階模態振型圖之米塞斯等效應力云圖如圖2 所示。

圖2 整體機組結構第一階模態振型

　　由此依次可得出并聯機組結構前15 階的米塞斯等效應力云圖，通過該圖我們可以得出并聯機組模型的整體固有頻率的理論數值，整體機組前15 階模態振型結果如表1。

表1 整體機組前15 階固有頻率

　　并聯機組的往復運動頻率( 激發頻率) 計算式:

f = nm/60 (1)

　　式中n———壓縮機的主軸轉速

　　m———激發諧量分析階數，本機組m = 1

　　計算得f = 24Hz。工程上，把( 0. 8 ～ 1. 2) f 的頻率范圍作為激發頻率共振區。理論上當管系機械固有頻率落在激發頻率共振區內或倍頻內時，會發生結構共振。根據表1 的數據可以看出: 制冷壓縮機組整體結構的第1、2 階模態頻率低于10Hz，與激勵頻率相差較大，不會產生共振，影響較小; 第4 階頻率在共振區內。第7 ～ 10 階在倍頻范圍內。

4、現場實際校核及結論

　　為驗證理論分析結果，采用振動分析儀、配管振動儀等相關設備對模型分析的產品進行了現場測量，在壓縮機啟動運轉過程中，針對易出現問題的位置進行振動相關數據采集工作，結果如表2所示。從表2 可以看到， 24，48 以及96Hz 時振動分析儀會出現振動峰值，該振動峰值位置與有限元分析的共振區位置數值吻合，說明了有限元理論分析的合理性。通過測量數據的記錄分析，峰值數據均較小，說明在多階模態中即使有共振區的存在，但共振狀態下對機組整體振動影響不大。

　　從理論分析和實際測量結果的對比可以得出并聯機組產品的整體結構設計還算合理，無強烈共振區。產品出現的相關銅管斷裂及冷媒泄漏的問題，并非由于整體的共振而引起的，可以將原因歸結于局部固定不合理，部品結構存在應力集中等其他問題。

表2 振動分析儀的測量數據