冰箱压缩机限位板结构优化设计

董杰鸿

摘要：往复式压缩机的性能直接影响着制冷家电的使用寿命，因此对其进行性能优化一直是研发重点。制冷压缩机运作过程中，排气阀片受到气体的冲击不断开启关闭，因此极易损坏。在压缩机的故障统计中，排气阀片断裂在故障原因统计中占比较高，阀片的断裂机理是应力集中导致的疲劳失效，因此解决阀片断裂问题对提高阀片使用寿命以及优化压缩机的性能具有重要意义。国内外学者对改善压缩机阀片断裂的研究从未间断。

关键词：冰箱；压缩机

1 建立阀片力学模型及优化变量

1.1 阀片力学模型

压缩机排气过程中，当气缸与管道的压差足以克服阀片自身惯性力时，排气阀片(简称为阀片)开启，与限位板发生碰撞后贴绕在限位板上，待气体逐渐排出后，阀片落回阀座上。循环往复，排气阀片在交变载荷力的作用下容易产生应力集中现象，最终导致疲劳断裂。且阀片与限位板碰撞产生的冲击也对阀片使用寿命有直接影响；因此合适的限位板结构对改善阀片的应力集中具有明显作用，进而达到延长阀片寿命的目的。

往复式压缩机的排气阀片由限位板约束在阀座上，一端固定，另一端自由。在阀片整个运动过程中，所受的力主要有3种，即气体力、弹性力及惯性力。根据其运动特性，可简化为单质点梁运动系统，假设载荷集中在排气孔(口)的中心。

阀片的运动微分方程为:

式中：hv为阀片位移，m; θ为曲轴转角，rad; mv为有效工作质量，kg; ω为曲轴转速，rad/s; Fg为气体力，N;Fsp为弹性力，N。

气体力Fg为：

式中：β为气体推力系数；d为排气口直径；pd为排气腔压力差；ψ为气缸内气体压力与排气阀腔压力比。

弹性力Fsp会随着阀片的位移发生改变，表达式为：

式中：E为弹性模量，N/m2;J为阀片截面惯性矩，m4;L为阀片有效工作长度，m; r为阀片弯曲半径，m。

1.2 目标函数及优化变量

根据排气阀片设计要求需减小阀片两侧压差，从而降低阀片表面应力，因此选取表面应力σ最小为目标函数，即：

minσ=σ (4)

优化变量以及约束条件如式(5)～式(8):

式中：S为限位板与阀片的压紧面面积，mm2;R为限位板弧面半径，mm; h为限位板高度，mm。

限位板结构的优化可以理解为寻找满足式(6)～式(8)时式(4)的解，由于式(4)无法通过函数表示，因此采用数值方法求解；其中限位板高度对阀片表面应力的影响已有研究，当h=1.2 mm时最优，因此本文主要计算S、R对σ的影响。

2 基于Ansys Static Structural仿真与分析

2.1 建立仿真模型

阀片在实际工作中的受力情况是流固耦合问题，而在静强度分析中，只需分析阀片所承受的最大载荷，模型材料属性如表1所示。

表1 模型材料属性

零件	密度/(kg·m-3)	泊松比	弹性模量/MPa
限位板	7 850	0.3	2.02×1011
阀片	7 855	0.285	2.02×105

2.2 仿真结果分析

将不同弧面半径的限位板和压紧面面积的阀组模型导入Ansys static structural软件进行计算，观察等效应力变化趋势。可以看出，阀片表面等效应力随着弧面半径和压紧面面积的增加而降低，因此应在工艺允许前提下适当增加限位板的弧面半径及压紧面面积。

在弧面半径和压紧面面积共同影响下阀片表面的最大应力值变化，可以看出，当S=14.29 mm2、R=110 mm时阀片表面等效应力最小，可以看出阀片的危险截面明显前移，等效应力最大值也由原来的988.23 MPa降低到512.9 MPa, 降低了48.1 %,因此设计时应尽量保证尺寸与上述数值相近。综上所述，根据优化要求，优化后限位板的压紧面面积S=14.29 mm2,弧面半径R=110 mm, 加工后与原限位板进行实验对比，验证可行性。

3 加速寿命实验

3.1 实验方案

阀片正常工况下使用寿命可达8～10年，因此常规寿命实验需要占用较多的实验资源，增加了研究成本，为了验证优化后限位板结构是否有效延长了阀片使用寿命，采用恶劣工况下使其快速达到寿命期限的加速寿命实验。以某型号变频压缩机为测试对象，目的是变频压缩机的转速可控，定频压缩机实际转速只有2 960 r/min, 因此变频压缩机能在相同实验条件下增加阀片的工作频次，压缩机实验工况如表2所示。

表2 压缩机实验工况

转速/ (r·min-1)	持续运行 时间/h	环境温度/ ℃	排气压力/ Pa	吸气压力/ Pa
7 200	500	23	8	0

基于以上工况，对优化后限位板结构进行实验验证。本次实验采用对比实验的方法进行验证，2种方案各选取3台样机，确保实验的可靠性。目前阀片厚度主要有3种：0.152 mm、0.203 mm、0.254 mm, 考虑到阀片厚度与其抗拉强度成正比关系，为了实验结果更加明显可靠，实验选用0.152 mm的阀片，加速寿命实验方案如表3所示。

表3 加速寿命实验方案

方案	压紧面面积/mm2	限位板弧面半径/mm	样机数量/台
1	10.35	0	3
2	14.29	110	3

实验所用平台位于企业的加速寿命实验室内，主要由替代制冷系统、电气控制系统、事故报警系统、数据采集与监控系统和控制软件及数据库系统组成，保证实验环境温度维持在22 ℃,避免环境影响的同时保证实验安全性和结果准确性。

3.2 实验结果分析

方案1的3台样机中，有2台样机出现阀片断裂现象，且损伤部位均在腰部。通过电子显微镜扫描断口发现，阀片表面形成了明显的疲劳源区，进而产生疲劳裂纹，最终导致阀片断裂。第3台样机腰部位置已经形成压凹痕，产生局部损伤并逐渐形成了疲劳裂纹。方案2的3台样机均未出现断裂，在限位板中加入弧面结构并增大与阀片的重合面积后，阀片腰部位置的应力集中得到明显改善，实现了排气阀片零故障。实验数据统计如表4所示，综上所述，优化后限位板结构能够有效延长排气阀片使用寿命。

表4 实验数据统计

零件	密度/(kg·m-3)	泊松比	弹性模量/MPa
限位板	7 850	0.3	2.02×1011
阀片	7 855	0.285	2.02×105

5 结语

本文以某定频压缩机为研究对象，针对排气阀片出现的疲劳断裂现象，使用Ansys Static Structural软件对限位板结构进行了分析和优化设计，降低了阀片表面的等效应力，设计并完成了疲劳寿命实验和性能测试实验，结论如下。

1)仿真计算结果表明压紧面面积及限位板弧面结构对阀片表面等效应力影响较大，优化后使阀片表面应力下降了了48.1 %;通过加速寿命实验验证了优化后的限位板结构可以明显延长阀片使用寿命，并且实验中实现了排气阀片零故障率。

2)通过性能测试实验，得到两种方案下的性能指标的主要参数以及变化趋势图，结果表明应用优化限位板结构后，压缩机性能表现良好，在4种不同工况下，其性能均趋于平稳，并无下降趋势，符合设计要求。

参考文献

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