一．概述
空調系統（特別是空調壓縮機）在啟動、運轉、停止時配管各部分都會產生相應的應力及振動，對于壓縮機銅管關鍵部位進行應力應變和振動測試，以確保制品使用的安全性、可靠性是非常必要的。空調壓縮機在運行過程中，內部的銅管一直受強迫振動。如果壓縮機運行激發的頻率接近銅管的固有頻率，就會產生共振，劇烈的振動不僅會極大的縮短銅管的疲勞壽命，而且會產生更大的噪聲，降低產品的人體舒適度。為了延長壓縮機銅管的使用壽命、提高產品的人體舒適度，我們需要避免共振的發生——通過合理的結構設計，讓銅管的固有頻率遠離壓縮機運行時的激勵頻率。
圖1.空調已成為我們生活必需品
二．測試目的
1.銅管的振動固有頻率
當系統做自由衰減振動時包括了各階固有頻率成分，時域波形反映了各階頻率下自由衰減波形的線性疊加，通過對時域波形做FFT變換就可以得到其頻譜圖，從而我們可以從頻譜圖中各峰值處得到系統的各階固有頻率。
2.壓縮機運行過程中激勵的強迫振動頻率
開啟壓縮機后測試銅管的振動并進行頻譜分析。
3.銅管關鍵部位的應力應變值
在空調的制冷過程中，流動的制冷劑將會使管路中產生動應力，尤其是在壓縮機的啟動和停止時，引起的動應力更大。在交變應力的長期作用下，管路的變形集中部位，如焊接接頭處會出現疲勞裂紋導致制冷劑的泄漏。
三．測試系統組成
表1.測試系統組成
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序號
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設備名稱
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型號
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數量
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1
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多通道數據采集系統一套
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TMR-200系列
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一套
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TMR-211 控制模塊 一臺
TMR-221 全橋應變模塊 一臺
TMR-281 顯示單元 一臺
SB-120B 橋盒 1個
CR-4010 電壓衰減線纜 1根
TMR-7630動態分析軟件 一套
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2
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應變片
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F系列
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若干
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3
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小型加速度傳感器
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ARF系列
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1個
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圖2.測試系統組成
四．測試步驟
1.加速度傳感器的布置：參考有限元分析結果，我們將ARF-100A加速度傳感器布置在如下圖所示位置，并完成接線；
圖3.加速度傳感器安裝位置
2.應變片安裝：動應力測試應將應變片貼在結構的疲勞薄弱部位，因為這些部位的壽命決定著整體的壽命。在空調管路系統中，考慮管路彎曲的形狀、角度，應變片應粘貼在管路變形集中或應力較大的地方，如管路的彎曲處和焊接接頭處。其中納子帽和焊接處成90°布置2個應變片。折彎處布置一個應變片。在空調器啟動停止、運轉時進行應力測定。
圖4.應變片粘貼位置示意圖
注意：
1）安裝應變片時，銅配管應完全脫脂，應變片粘貼時應無氣泡，粘貼到彎曲、焊口附近的光滑位置。
2）單軸應變片要嚴格沿著管路流動的軸線方向，嚴禁出現傾斜。
3）應力儀與被測空調、電腦一定要共地，安全接地，避免受噪音影響；如果利用電源線接地則需要在通電狀態下檢查波動情況。
4）要考慮啟動時應力的離散性，進行3次以上測量。
3.儀器開機并完成參數設置工作，為了達到比較好的測試效果，需通過試敲查看振動大小來選取合適的量程和采樣頻率（1000Hz）；
4.應力測量（隨機選取一個通道）記錄銅管啟動、運行、停止等狀態的關鍵部位的應力應變值。
5.振動測試（固有頻率的測試）
保持空調壓縮機關閉，無規律的敲擊銅管各部位，采集數據并實時分析，采集時間持續1分鐘；
通過力錘敲擊銅管的某部位，使得銅管進行自由衰減振動，通過TMR-200動態數據記錄儀記錄下銅管關鍵部位的振動時域信號。空調壓縮機關閉的時候隨機激勵的振動時間波形和FFT頻譜分析后得到的功率譜如下圖所示，從功率譜中可以清晰的看出銅管的前兩階固有頻率分別為83Hz和125Hz；
圖6.空調壓縮機關閉時隨機激勵時振動時間波形和FFT功率譜
6.開啟空調壓縮機后，開始采集數據并實時分析，采集時間1分鐘。
空調壓縮機開啟后并疊加較小的隨機激勵時的振動波形和FFT頻譜分析后得到的功率譜如下圖所示，從功率譜中可以清晰的看到，除了隨機激勵的83Hz和125Hz，還有明顯的100Hz、200Hz成分，包括后面不是特別明顯的300Hz、400Hz，這些50Hz的2X就是壓縮機運行時激勵出的強迫振動部分。
圖7.空調壓縮機開啟后疊加隨機激勵時振動時間波形和FFT功率譜
7.關閉壓縮機，將加速度傳感器更換位置，無規律的敲擊銅管各部位，采集數據并實時分析，采集時間持續1分鐘。如下圖所示：左邊是以前的儀器在同一點測得的功率譜，右邊是TMR-200測得的功率譜，新老儀器測得的固有頻率數據一致性好。
圖8.新老儀器測得數據對比
五．試驗結論
通過上面的試驗，我們得到了空調壓縮機運行時激勵的主要頻率成分和銅管自身的結構固有頻率如下：
表2.激勵強迫振動和銅管固有頻率分布
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階次
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強迫振動/Hz
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銅管固有頻率/Hz
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1
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100
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83
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2
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200
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125
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3
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300
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167
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4
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400
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未見明顯4階
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銅管的各階固有頻率都不在強迫激勵的主要頻率成分（50Hz的2X倍頻）附近，設計是合理的，銅管沒有發生共振。銅管的固有頻率后續還能和有限元分析結果做比對，驗證優化有限元模型。
六、實驗所用設備介紹
1. TML應變計
F系列 箔式應變計
F系列應變計敏感柵材料為銅鎳合金，基底材料為特殊塑料，具有電氣絕緣特性。應變計具備溫度自補償，并根據試件材料對基底進行顏色區分。除一般用途應變計外，還有應力集中和殘余應力測量的應變計可選。
2. ARF-A系列加速度傳感器
ARF-A 低量程加速度傳感器 10 ~ 500m/s2
ARF-A加速度傳感器用于測量機械、汽車、船舶、土木工程結構和建筑物等受振動時的加速度。該傳感器小型輕量，并可測量直流電平。
產品特點：
直流電平測量
結構緊湊
易于安裝
3. TMR-300小型多通道動態數據記錄儀
TMR-300系列是一款小型多通道數據采集系統，可根據測量目的連接多種傳感器測量單元?？梢詼y量應變、應變式傳感器、直流電壓信號、溫度、振動加速度等。它小型輕量，不僅可以在現有結構如機械、橋梁等有限空間內安裝，而且可實現移動物體如汽車、飛機和船舶上的測量。一臺控制單元最多可同時控制10臺測量單元，測量單元也可根據需要分布放置在傳感器附近。
產品特點
? 最多測量80通道（同步連接4臺控制單元最多可測320通道）
? 單元間的分布連接
? 支持高分辨率模式（0.1×10-6）（全橋應變單元和應變1G2G4G單元）
? 采樣速度最高100kHz
? 提供USB和LAN接口
? 最大支持32G SD卡
? 斷電恢復后自動重啟測量
? 配備UPS電路
? DC電源供電
? 結構緊湊防振，適于車載測量
? 可根據需要組合多種測量單元
? 支持多種傳感器輸入，如應變、溫度、電壓、轉速等
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技術支持：service@epc.com.hk
