往復式冰箱壓縮機吸氣閥片模態(tài)參數(shù)測量及分析

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

0 引言

    壓縮機是冰箱的主要噪聲源,閥片是安裝在壓縮機氣缸上控制氣體進出的部件,它交替開啟與關閉閥座氣體通道,控制著壓縮機的吸氣、壓縮、排氣和膨脹四個過 程。吸氣閥片是壓縮機的重要組成部件,也是易損件,直接影響壓縮機的性能。如果設計不當,會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 機吸氣閥片進行實驗及理論模態(tài)分析,掌握其振動特性,對提高壓縮機工作性能和可靠性、降低壓縮機輻射噪聲具有重要意義。

    往復式冰箱壓縮機吸氣閥片屬于輕薄彈性體,常規(guī)的模態(tài)實驗方法對其并不適用,其振動激勵方式及振動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 動特性的影響。對于輕薄彈性體的實驗測量,李雷等人采用了聲激勵方式對薄鋁板的模態(tài)參數(shù)進行了識別,得到了與傳統(tǒng)激勵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聲器箱體振動速度隨頻率的變化規(guī)律,進而改進了小型揚聲器系統(tǒng)的聲學特性。針對往復式冰箱壓縮機吸氣閥片的結構特性,本文提 出了應用聲激勵進行激振,應用激光測振儀測量吸氣閥片振動響應的模態(tài)實驗方案,并與理論模態(tài)計算進行了比較。

1 模態(tài)分析理論概述

    模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法,是系統(tǒng)辨識方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性,每一階模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和 振型。如果是通過實驗將采集的輸入與輸出信號經過參數(shù)識別獲得系統(tǒng)模態(tài)參數(shù),稱為實驗模態(tài)分析;如果是由有限元計算的方法取得,則稱為理論模態(tài)分析。本文 采用了LMS Test.Lab實驗模態(tài)分析軟件對壓縮機吸氣閥片進行了模態(tài)參數(shù)識別,并與LMS Virtual.Lab的理論模態(tài)計算結果進行比較。

    振動模態(tài)是彈性結構固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結構在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態(tài)的特性,就可能預測結構在此頻率范圍內外部或內部各種振源作用下的實際振動響應。因此,模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。

    頻率響應函數(shù)矩陣的表達式為

   (1)

    式中H_ij表示激勵第j點時第i點的頻率響應函數(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j處激振,而在其他各點拾振,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行單點激勵,移動激光測點測出一列21個頻響函數(shù),經最小二乘復指數(shù)LSCE算法識別得到吸氣閥片模態(tài)參數(shù)的。

2 吸氣閥片模態(tài)實驗系統(tǒng)設計

    某型號往復式冰箱壓縮機吸氣閥片形狀如圖1,閥片長50mm,寬42mm,厚0.2mm,屬于輕薄彈性體。對于輕薄彈性結構體的測量只能考慮非接觸方式的激振和拾振。

    圖1 某型號往復式冰箱壓縮機吸氣閥片平面簡圖

    根據輕薄彈性體模態(tài)實驗測量的需要,決定使用LMS體積加速度聲源對吸氣閥片進行聲激勵,使用Polytek激光測振儀測量吸氣閥片的振動響應,實驗測量 方案如圖2;實驗測量系統(tǒng)由壓縮機吸氣閥片樣件、加速度體積聲源、激光測振儀、LMS信號采集前端及計算機等五部分組成。

    圖2 實驗測量系統(tǒng)結構示意圖

    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在質量大、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振動模態(tài)的影響造成精度和重復性差。激光測點在壓縮機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 激光測點在吸氣閥片上的分布

    檢查各儀器接線無誤后,啟動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)據處理平臺,調整激光測振儀的水平豎直位置,使其高度與壓縮機吸氣 閥片測點中心處等高,使用自動對焦功能將激光測振儀的激光測點聚焦,當激光測振儀信號滿格時,停止調節(jié),鎖死激光測振儀。激勵信號采用 200-4096Hz寬帶噪聲。

3 模態(tài)實驗數(shù)據測量及分析

    利用LMS Test.Lab的建模軟件建立一個吸氣閥片的平面模型,進行振動數(shù)據采集,然后利用最小二乘復指數(shù)LSCE算法對所采集的數(shù)據進行分析,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下,通過移動激光測點,測得21組頻響函數(shù),這21個頻響函數(shù)就是式(4)中頻響矩陣的一列。圖5為測點1的頻響函數(shù),此頻響函數(shù)相當于式(4)中的[_rH_1j]。LSCE算法就是通過對頻響矩陣的一列的識別而得到吸氣閥片模態(tài)參數(shù)的,LSCE算法識別模態(tài)參數(shù)的優(yōu)勢在于可以處理低阻尼結構的模態(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1的頻響函數(shù)

    應用LMS Test.Lab軟件中的LSCE算法對測得的頻響函數(shù)進行分析,結合寬帶噪聲激勵下壓縮機吸氣閥片數(shù)據的穩(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 實驗模態(tài)分析第一階振型圖

    圖7 實驗模態(tài)分析第二階振型圖

    圖8 實驗模態(tài)分析第三階振型圖

    圖9 實驗模態(tài)分析第四階振型圖

    實驗模態(tài)測試結果的優(yōu)劣可以通過模態(tài)置信判據(MAC)來判斷,模態(tài)置信判據表征的是兩個模態(tài)向量的相關程度,若MAC≈1,說明這兩個模態(tài)向量本質上是 同一模態(tài),若MAC≈0,意味著兩個模態(tài)向量具有正交關系,是兩個不同的真實物理模態(tài)。本實驗前四階的相關系數(shù)如圖10所示,主對角線上是模態(tài)向量的自相 關系數(shù)等于1,非主對角線上模態(tài)向量的互相關系數(shù)約等于0,這表明實驗模態(tài)測試識別出的前四階振型是正交的,模態(tài)參數(shù)識別結果是可信的。

    圖10 前四階固有頻率的相關程度

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