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通風換氣次數_壓縮機吸氣閥基本原理與求解如何使用玻璃鋼風機發(fā)
1 引言
簧片閥是冰箱壓縮機的重要部件，也是易損件，直接影響壓縮機的性能。如果對其設計不當，將會增大閥片疲勞斷裂的可能，從而導致壓縮機非正常停機、使用壽命降低等不良后果。因此，如何正確設計簧片閥，對于提高壓縮機使用壽命，避免非正常停機具有重要意義。
目前，針對壓縮機簧片閥已經開展了很多研究工作。王毅、譚偉華，給出了氣閥運動規(guī)律的數學模型[1]，何國庚、肖彪在此基礎之上又對簧片閥的結構進行了部分優(yōu)化[2]。通過對已有研究工作的分析我們發(fā)現，針對簧片閥的設計理論還不完善，存在的主要問題是多數研究工作都是對簧片閥工作性能的研究，優(yōu)化設計只是針對單一參數分別進行優(yōu)化，還不能做到多目標、多參數同步優(yōu)化。
本文使用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH，對我公司某型號壓縮機吸氣閥片進行了較為全面的多目標、多參數同步優(yōu)化設計。在獲得氣閥運動過程中的應力分布的基礎上，通過優(yōu)化設計，有效地降低了氣閥的工作應力，提高了氣閥可靠性和安全性。采用文中的多目標、多參數同步優(yōu)化設計方法可以有效地縮短設計周期，對多目標和多參數零件和結構優(yōu)化設計具有普遍的指導意義。
2 基本原理與求解
2.1 大變形單元剛度方程
考慮到吸氣閥片工作狀態(tài)下的變形較大，排氣系統(tǒng)屬于大變形問題。整體結構的非線性有限元剛度方程具有以下的形式：
[K(u)]{U}={P}（1）
從上式可以看出，在考慮大變形的條件下，剛度矩陣依賴于待求位移。在局部坐標系下，包括大變形的單元剛度方程為：
式中，
[K]e為單元剛度矩陣，[K0]e是小變形剛度矩陣，[Kσ]e是初應力剛度矩陣，[Kl]e是大變形剛度矩陣。{p}e,{f}e,{r}e分別為等效節(jié)點載荷、單元所受到的節(jié)點力和初應力節(jié)點力。由單元剛度矩陣經坐標變換可以通過組集來建立整體結構的剛度方程。
2.2 目標函數和優(yōu)化設計變量
根據壓縮機吸氣閥片的設計要求，選取四個目標函數，即：工作應力最小、結構應變與變形最小，結構反作用力適當。其表達式為：
將優(yōu)化設計變量取為：
其中：
h—底圓圓心豎直方向高度
t—最細截面1/2寬度
α—閥片伸展角度
r—最細截面過渡圓弧半徑
R—底部圓弧半徑
根據設計要求,確定的約束條件如下：
吸氣閥片的多目標多參數優(yōu)化設計可表述為尋找滿足約束條件式（8）-（17）時式（4）-（6）的解。由于式（4）-（6）不能用函數表示，只能采用數值方法求解。考慮到約束條件較多，文中通過優(yōu)化設計參數的敏感性分析確定了2個對目標函數影響最大的參數。
3 模型與求解
3.1 有限元建模與網格劃分
打開Design Model，模型選用牛頓-毫米（N-mm）單位制。首先按照自底向上的方式創(chuàng)建1/2簧片閥模型，然后使用軸對稱命令，建立完整的閥片模型。最后，將(7)式中的優(yōu)化設計變量設置為優(yōu)化設計輸入參數，見圖1。
圖1 吸氣簧片閥參數模型圖
在Design Space下，設置材料參數彈性模量E=2.1*1011Pa,泊松比μ=0.3。共劃分3030個空間單元，如圖2所示。
圖2 吸氣簧片閥網格圖
3.2 邊界條件及求解
根據閥片的實際工作狀況，在吸氣閥片根部施加零位移約束，在閥片中心位置施加垂直于閥片的Z向位移。根據選取的目標函數,將結構等效應力、等效應變、總體變形設置為優(yōu)化設計響應參數保存在Design Space中,同時考慮結構反作用力對優(yōu)化設計參數的響應。
在Design Xplore下，通過參數設置選項對輸入參數進行賦值，創(chuàng)建驅動參數Stiffness,把它定義為結構反作用力的目標函數。
4 敏感性分析與優(yōu)化結果分析
目標函數對優(yōu)化設計變量的敏感度分析表明: 優(yōu)化設計變量t和α，即閥片最細截面寬度和閥片伸展角度兩個參數對目標函數的影響最大, 等效應力敏感度的分析見圖3, 等效應變的敏感度圖顯示（圖略），等效應變受t和α的影響更大，但對r和R并不敏感。分析中通過定義反作用力與系統(tǒng)剛度的函數關系，研究了優(yōu)化設計參數對吸氣閥片整體剛度的影響。
圖3 應力敏感度圖
圖4繪出了簧片閥最細截面寬度與應力關系�？梢钥闯�，結構最大應力隨著t的增大而增大。為了降低氣閥的工作應力，應在考慮工藝條件允許的情況下，適當減小最細截面處的寬度。圖5則顯示了最細截面寬度與閥片伸展角度共同影響結構應力的變化關系。當t=1, α=9度時應力最小，設計時應盡量將上述兩個參數設置在這個值附近；而當t=1.2，α=9度時結構應力最大，設計時應予以避免。
圖4 最細截面寬度與應力關系
圖6反映了系統(tǒng)剛度的變化情況。最細截面寬度、閥片伸展角度是影響它的兩個重要因素。如果希望增大系統(tǒng)剛度，應同時增大兩個參數的取值；如果希望獲得一個較低的系統(tǒng)剛度，應盡量減小這兩個參數的取值。
圖5最細截面寬度-角度-應力關系 圖6最細截面寬度-角度-剛度關系
圖7反映了結構等效應變隨著閥片伸展角度、底部圓弧半徑的改變而變化的趨勢。減小閥片伸展角度同時增大底部圓弧半徑有助于降低結構的等效應變。
圖7角度-底圓半徑-應變關系 圖8. 方案B結構應力云圖
5 簧片閥設計實例
根據Design Xplore優(yōu)化設計要求[3]，將上述參數進行重新篩選組合，備選設計方案(表1),并對被選方案進行驗證。
通過對表1各候選方案的計算發(fā)現，經優(yōu)化設計之后的吸氣簧片閥工作應力明顯降低（表2）。綜合閥片剛度的設計要求，我們選擇了方案B作為最終設計方案。圖8為方案B經Design Space綜合優(yōu)化設計后的等效應力結果。應力由原來的577MPa降低到532MPa，降低了7.8%。圖9為經過優(yōu)化設計之后的壓縮機簧片閥實物圖，目前它已經應用于我公司新型號壓縮機的樣機制造。
圖9 優(yōu)化后的簧片閥
6 結論
6.1使用Design Xplore對壓縮機吸氣簧片閥進行優(yōu)化設計可以有效地降低它的工作應力，提高使用安全性。
6.2采用文中的優(yōu)化設計方法可以有效地縮短簧片閥的設計周期，將原有的設計時間從4周縮短到3天，不僅提高了工作效率，而且避免了大量的重復勞動。
6.3文中的優(yōu)化設計方法對多目標和多參數零件和結構優(yōu)化設計具有普遍的指導意義。
中國風機產業(yè)網 風機類型有良多，在現今的市場中泛起了良多科技型的風機類型，其中就包括了玻璃鋼風機，那這種新型的風機類型能在使用中為用戶帶來什么樣的效果呢？它在場所中能起到什么意義呢？良多用戶對選擇玻璃鋼風機都非常質疑，因此我們需要了解玻璃鋼風機畢竟為什么能獲得那么多用戶的喜愛和認可。
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風機銷售盡在
近日，東方電氣首臺擁有自主知識產權的1.5MW直驅型風電機組在內蒙烏吉爾風場成功帶負載100KW并網發(fā)電。烏吉爾首臺風電的并網發(fā)電，標志著東方電氣直驅型風電機組已正式打入市場，并成功邁入國內大容量直驅型風電制造商行列。
中投顧問高級研究員李勝茂指出，當前國內主流風電機組的單機容量即為1.5MW，但是這個級別的風電機組又可分為雙饋式和直驅式兩種，而關于這兩種技術路線孰優(yōu)孰劣的問題，業(yè)界一直存在爭論。這之前東方電氣已經能夠生產1.5MW，甚至更高級別的雙饋式風電機組，此次其又成功將新研發(fā)出的直驅式風電機組推向市場，實際上標志著東方電氣兼顧兩種技術路線的經營戰(zhàn)略取得了初步成效。
李勝茂認為，雙饋式和直驅式的風電機組各有優(yōu)劣，東方電氣采取雙管齊下的經營思路，充分體現了其一貫穩(wěn)健的經營風格。一方面，盡管東方電氣在國內風機設備制造行業(yè)位于第一梯隊，但是其與華銳風電和金風科技兩家業(yè)界巨頭相比，不管是在產銷規(guī)模，還是技術研發(fā)實力方面都還存在不小的差距，而目前華銳風電、金風科技分別專注于雙饋式和直驅式風機的研發(fā)和生產，東方電氣采取“兩邊下注”的經營戰(zhàn)略，實際上是一種差異化競爭策略，應該說，風電行業(yè)內扮演追趕者角色的企業(yè)時常運用該策略。
另一方面，從具體的技術特點來看，近年來興起的直驅式風力發(fā)電機組的確有著許多優(yōu)點，市場前景非常廣闊。中投顧問最近發(fā)布的《2010-2016年中國風力發(fā)電行業(yè)投資分析及前景預測報告》指出，由于直驅型風電機組省去了常規(guī)風機所必需的齒輪箱，而齒輪箱恰好是風機設備中最容易損壞的零部件，所以直驅型風機具有結構簡單、可靠性高、效率高、維護量低的優(yōu)點。需要特別指出的是，直驅式風機低風速運轉的性能較好，非常適合在國內廣袤的三類風區(qū)使用。
中投顧問研究總監(jiān)張硯霖指出，目前在國家相關部門主持召開的幾期風電特許權招標會上，直驅式風機和雙饋式風機都有中標的記錄，這表明政府部門希望國內風機類型盡量多元化，風電特許權招標工作會為兩種風機技術的競爭提供一個平臺，而作為央企的東方電氣，領會了相關部門的這一戰(zhàn)略意圖，試圖在兩種技術路徑上都有所斬獲。
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