基于弯管机工艺约束的空调管路优化及应用.pdf

基于弯管机工艺约束的空调管路优化及应用纪红刚王 煜王继承（广东省珠海市质量计量监督检测所）摘要：某空调器进行可靠性性能测试时，运行至 ，冷凝器进气管支管出现泄露，晶相分析结果显示为管路在大应力作用下，出现低周疲劳，开裂的原因是空调器频繁启停时热应力导致。引入管路加工的工艺约束，对冷凝器进气管支管的管路进行优化后，管路的热应力由原管路 降低至 ，低于管路疲劳极限 ，满足弯管生产的工艺要求及可靠性要求，且未出现管路断裂。关键词：空调器；管路；优化；热应力 ：，：；前言大冷量段空调控温技术广泛应用于农业保鲜或农产品储运中。空调器具有制冷量大，布置方便、容易并联组合的特点，与普通环境空气调节不同，农产品的保鲜温度应低于普通环境要求。由于其房间保温效果效果较差，导致空调器一般处于频繁的启、停机状态。因此，对空调器的可靠性要求较高。空调器失效的一种重要原因是空调器管路的应力开裂。因此，空调器厂在管路设计、管路仿真等方面进行大量的研究，引入了有限元及优化算法，主要针对管路的共振、随机振动等对管路可靠性的影响。但未考虑空调器热应力的可靠性问题及管路弯管工艺对弯路结构的影响。本文将管路生产中弯管工艺对管路结构的要求作为工艺约束条件，加入管路优化方法，并将管路的应力可靠性加入到优化中，即热应力作用下，管路的应力应小于铜管的疲劳应力。优化后，管路满足空调器管路可靠性及生产工艺的要求，并且能批量生产。冷凝器进气管支管断裂泄露分析室内果蔬保鲜与居住环境温度调节的空调器不同，其需要大制冷量，且室内温度较低，但田间果蔬的存放房间保温效果一般，从而导致空调机组工作纪红刚等：基于弯管机工艺约束的空调管路优化及应用时，室内温度在设定点附近波动频繁，压缩机频繁启停。因此，厂家需模拟运行条件，验证系统的可靠性，确保产品稳定、可靠。某空调器厂研发了用于果蔬保鲜的空调器，为验证空调器的可靠性，模拟使用场景，进行频繁启停可靠性测试。实验证明：在连续运行至 ，机组的冷凝器进气管支管的根部出现制冷剂的泄露，如图 所示。图 冷凝器进气管支管泄露图在冷凝器进气管支管出现制冷剂泄露的部位，将出现裂纹段的管路拆解后，用显微镜观察，可见明显的裂缝。其原因包括：焊接缺陷、管路材质缺陷或管路应力开裂等。因此，对断裂处进行晶相分析，如图 所示。结果为穿晶断裂，说明空调器工作的过程中，管路受大载荷的作用，应力较大，属于大应力低周疲劳问题。图 进气支管断裂处晶相图空调器管路工作过程中，主要载荷为压缩机工作时的动态载荷，是通过吸排气管施加给空调器的整个管路系统；同时，温度变化时，管路会受热应力作用，即受热后，管路件的热膨胀效应导致管路变形，造成某些管路受大应力的作用。空调器的工作过程：（）压缩机压缩制冷剂，将其变为高温高压气体后，从排气口排出，再输运至冷凝器。（）冷凝器在散热风扇的作用下，高温高压的制冷剂通过其翅片与室外的空气进行热量交换后，冷却为低温的制冷剂液体。（）制冷剂通过空调的节流器件，变为低温低压的液体，通过管路输运至室内机，在风扇的作用下，蒸发器与室内空气进行热量交换，从而降低室内的温度。空调在启停工作过程中，排气温度高达 以上，而环境温度一般在 以下。在空调器频繁启停时，管路承受温度变化的热应力。根据管路受热的情况，进行管路的热应力分析。管路在热应力作用下，管路的变形情况如图 所示。由图可知，管路在热应力的作用下，发生变形，在管路变形时，由于进气管对进气管支管的约束作用，导致进气管支管存在大应力的状态，进气支管的应力分布如图 所示。最大应力分布的位置同冷凝器进气管支管出现裂纹的位置吻合。最大应力为 ，远高于铜管 的疲劳极限，故由于空调器在工作的过程中，由于空调在到达设定温度停机和和高于设定温度启动的循环中不断转变，由此产生的热应力致使冷凝器进气管支管出现低周疲劳断裂。?图 管路受热时的变形图图 进气支管应力图 冷凝器进气管支管结构优化 弯管的工艺约束空调器的管路是在弯管机床上通过折弯机折弯冷加工而成。弯管机的弯管设备如图 所示。管路冷加工是通过送料臂的送料来保证管路的直线段长度，并在折弯管路一个折弯后，送料的时候，同步旋转管路，实现管路不同折弯平面的夹角。夹模把管路同动模压制，通过夹模和动模之间的摩擦力，使得夹模和动模一起旋转的时候，带动管路，对管路进行 计量与测试技术 年第 卷第 期折弯，完成管路弯制的加工。图 管路加工设备弯制管路时，若与弯管模具发生干涉，导致两者碰撞，出现管路变形，则该管路结构不具有生产性。建立了弯管机的结构，如图 所示。在弯管过程中，对管路和弯管机进行干涉检查，若两者未发生干涉，则其结构满足弯管机的工艺要求，具有可生产性。?图 管路弯管加工 图 管路优化以冷凝器进气管支管的质量作为目标函数。约束条件包括：冷凝器进气管支管的最大应力不大于 。折弯时管路的直线段、折弯角和旋转角都满足生产加工的极限尺寸，同时，把管路加工中，同弯管机的干涉作为约束条件，只有在不发生干涉的情况下，该参数的管路结构才具有可加工性。优化算法为：式中：为冷凝器进气管支管管路质量，。（）（）（）式中，最大应力，；第 段管路直线度长度，；第 个 转 弯 角 度，；第 个旋转角度，；管路所在空间；弯管摸具所在空间。优化后管路的结构如图 所示，各参数如表 所示。优化后的冷凝器进气管支管的热应力分布如图 所示。最大应力为 ，小于铜管疲劳极限。表 结构参数表（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）?图 优化后的管路结构图图 优化后管路的应力分布图将生产的优化后的冷凝器进气管支管装配到整机，进行可靠性测试，管路未出现失效，因此，满足特殊环境下，机组对管路可靠性的要求。结论（）由于使用环境温度的需求，使空调器频繁启停，空调器管路受热产生热变形，从而导致管路出现大应力的情况，使空调器的管路出现低周疲劳断裂。（）管路优化时，需考虑弯管机的工艺约束，使优化后的管路具有可加工性，满足批量生产的要求。（）通过采用管路所在的空间同模具空间是否存在交集，处理管路加工的工艺性。（）优化后，管路由原来的热应力 降至 ，通过可靠性试验，验证了其可靠性。参考文献 杜永玲 空调控温技术在玉米储藏中的应用研究 郑州：河南工业大学，康波，王奎超，翟林鹏，等 河南玉米与东北玉米在空调控温储粮过程中的差异 现代食品，（）：单国伟，穆平安，徐剑峰 空调管路系统的有限元分析及优化设计 噪声与振动控制，（）：张敬东，起雪梅，杜仕武 空调管路振动性能分析及优化设计 重庆邮电大学学报（自然科学版），（）：段传学 空调管路系统振动建模与分析 上海交通大学，王枫，周文广 基于试验设计的空调管路结构参数优化设计 大连交通大学学报，（）：纪红刚等：基于弯管机工艺约束的空调管路优化及应用