往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片模態(tài)參數(shù)測量及分析

2013-07-25  by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心  來源:仿真在線

0 引言

    壓縮機(jī)是冰箱的主要噪聲源,閥片是安裝在壓縮機(jī)氣缸上控制氣體進(jìn)出的部件,它交替開啟與關(guān)閉閥座氣體通道,控制著壓縮機(jī)的吸氣、壓縮、排氣和膨脹四個(gè)過 程。吸氣閥片是壓縮機(jī)的重要組成部件,也是易損件,直接影響壓縮機(jī)的性能。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),會(huì)增大吸氣閥片疲勞斷裂的可能,并增大其輻射噪聲。因此,對壓縮 機(jī)吸氣閥片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及理論模態(tài)分析,掌握其振動(dòng)特性,對提高壓縮機(jī)工作性能和可靠性、降低壓縮機(jī)輻射噪聲具有重要意義。

    往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片屬于輕薄彈性體,常規(guī)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法對其并不適用,其振動(dòng)激勵(lì)方式及振動(dòng)量的測量方法均需重新考慮,以減少測量方法對待測對象振 動(dòng)特性的影響。對于輕薄彈性體的實(shí)驗(yàn)測量,李雷等人采用了聲激勵(lì)方式對薄鋁板的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別,得到了與傳統(tǒng)激勵(lì)方法基本一致的固有頻率和振型。鐘旋 等人利用激光測振方法測試了揚(yáng)聲器箱體振動(dòng)速度隨頻率的變化規(guī)律,進(jìn)而改進(jìn)了小型揚(yáng)聲器系統(tǒng)的聲學(xué)特性。針對往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片的結(jié)構(gòu)特性,本文提 出了應(yīng)用聲激勵(lì)進(jìn)行激振,應(yīng)用激光測振儀測量吸氣閥片振動(dòng)響應(yīng)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)方案,并與理論模態(tài)計(jì)算進(jìn)行了比較。

1 模態(tài)分析理論概述

    模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法,是系統(tǒng)辨識(shí)方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,每一階模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和 振型。如果是通過實(shí)驗(yàn)將采集的輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù),稱為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析;如果是由有限元計(jì)算的方法取得,則稱為理論模態(tài)分析。本文 采用了LMS Test.Lab實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析軟件對壓縮機(jī)吸氣閥片進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識(shí)別,并與LMS Virtual.Lab的理論模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

    振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性,就可能預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)外部或內(nèi)部各種振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。

    頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的表達(dá)式為

   (1)

    式中H_ij表示激勵(lì)第j點(diǎn)時(shí)第i點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù),{φ_r}為模態(tài)振型,k_r為第r階模態(tài)剛度系數(shù),C_r為第r階模態(tài)阻尼系數(shù),ω為固有頻率,ω_r為第r階固有頻率,m_r為第r階模態(tài)質(zhì)量。

    將式(1)展開可得

    (2)

    式中[_rH]為第r階模態(tài)的頻響函數(shù)矩陣。

    式(2)響應(yīng)函數(shù)矩陣中的任一列

    (3)

    由式(3)可見,[H]中的任一列即包含全部模態(tài)參數(shù),而該列的r階模態(tài)的頻率函數(shù)之比值,即為r階模態(tài)振型:

     (4)

    由式(4)可知,如果在某一固定點(diǎn)j處激振,而在其他各點(diǎn)拾振,便能得到頻響矩陣的一列,這一列頻響函數(shù)中即可包含進(jìn)行模態(tài)分析的全部信息。本文即是使用 體積聲源對吸氣閥片進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì),移動(dòng)激光測點(diǎn)測出一列21個(gè)頻響函數(shù),經(jīng)最小二乘復(fù)指數(shù)LSCE算法識(shí)別得到吸氣閥片模態(tài)參數(shù)的。

2 吸氣閥片模態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    某型號(hào)往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片形狀如圖1,閥片長50mm,寬42mm,厚0.2mm,屬于輕薄彈性體。對于輕薄彈性結(jié)構(gòu)體的測量只能考慮非接觸方式的激振和拾振。

    圖1 某型號(hào)往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片平面簡圖

    根據(jù)輕薄彈性體模態(tài)實(shí)驗(yàn)測量的需要,決定使用LMS體積加速度聲源對吸氣閥片進(jìn)行聲激勵(lì),使用Polytek激光測振儀測量吸氣閥片的振動(dòng)響應(yīng),實(shí)驗(yàn)測量 方案如圖2;實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)由壓縮機(jī)吸氣閥片樣件、加速度體積聲源、激光測振儀、LMS信號(hào)采集前端及計(jì)算機(jī)等五部分組成。

    圖2 實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

    吸氣閥片采用如圖3剛性支撐裝夾方式,剛性支撐是將試件剛性的固結(jié)在質(zhì)量大、剛度高的虎鉗上,此法通常適合于測量分析試件的低階模態(tài),高階模態(tài)常由于連接剛度的改變和基礎(chǔ)振動(dòng)模態(tài)的影響造成精度和重復(fù)性差。激光測點(diǎn)在壓縮機(jī)吸氣閥片上的位置分布如圖4。

    圖3 吸氣閥片的裝卡方式

    圖4 激光測點(diǎn)在吸氣閥片上的分布

    檢查各儀器接線無誤后,啟動(dòng)LMS測振儀、體積加速度聲源的功率放大器以及激光測振儀數(shù)據(jù)處理平臺(tái),調(diào)整激光測振儀的水平豎直位置,使其高度與壓縮機(jī)吸氣 閥片測點(diǎn)中心處等高,使用自動(dòng)對焦功能將激光測振儀的激光測點(diǎn)聚焦,當(dāng)激光測振儀信號(hào)滿格時(shí),停止調(diào)節(jié),鎖死激光測振儀。激勵(lì)信號(hào)采用 200-4096Hz寬帶噪聲。

3 模態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量及分析

    利用LMS Test.Lab的建模軟件建立一個(gè)吸氣閥片的平面模型,進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集,然后利用最小二乘復(fù)指數(shù)LSCE算法對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到吸氣閥片的固有頻率和阻尼比。

    在體積聲源的寬帶噪聲激勵(lì)下,通過移動(dòng)激光測點(diǎn),測得21組頻響函數(shù),這21個(gè)頻響函數(shù)就是式(4)中頻響矩陣的一列。圖5為測點(diǎn)1的頻響函數(shù),此頻響函數(shù)相當(dāng)于式(4)中的[_rH_1j]。LSCE算法就是通過對頻響矩陣的一列的識(shí)別而得到吸氣閥片模態(tài)參數(shù)的,LSCE算法識(shí)別模態(tài)參數(shù)的優(yōu)勢在于可以處理低阻尼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,不受數(shù)值不穩(wěn)定性和頻率范圍限制的影響,并且能夠得到比較清晰的穩(wěn)態(tài)圖,因此該算法是單帶寬分析的通用方法。

    圖5 測點(diǎn)1的頻響函數(shù)

    應(yīng)用LMS Test.Lab軟件中的LSCE算法對測得的頻響函數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)合寬帶噪聲激勵(lì)下壓縮機(jī)吸氣閥片數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)圖我們可以獲取系統(tǒng)的各階固有頻率和阻尼比 信息。LSCE算法識(shí)別出的吸氣閥片的前四階的固有頻率和阻尼比如表1所示,前四階模態(tài)振型如圖6、7、8和9所示。

    表1 吸氣閥片前四階的固有頻率和阻尼比

    圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第一階振型圖

    圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第二階振型圖

    圖8 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第三階振型圖

    圖9 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第四階振型圖

    實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試結(jié)果的優(yōu)劣可以通過模態(tài)置信判據(jù)(MAC)來判斷,模態(tài)置信判據(jù)表征的是兩個(gè)模態(tài)向量的相關(guān)程度,若MAC≈1,說明這兩個(gè)模態(tài)向量本質(zhì)上是 同一模態(tài),若MAC≈0,意味著兩個(gè)模態(tài)向量具有正交關(guān)系,是兩個(gè)不同的真實(shí)物理模態(tài)。本實(shí)驗(yàn)前四階的相關(guān)系數(shù)如圖10所示,主對角線上是模態(tài)向量的自相 關(guān)系數(shù)等于1,非主對角線上模態(tài)向量的互相關(guān)系數(shù)約等于0,這表明實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試識(shí)別出的前四階振型是正交的,模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果是可信的。

    圖10 前四階固有頻率的相關(guān)程度

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