变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法
【专利摘要】本发明涉及空调，提供一种变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，需结合变频空调器每年在制冷、制热季节的工作工况及各频率点对管路振动的实际贡献量，对变频空调器管路振动疲劳寿命进行估算。通过加权计算变频空调器的平均运行频率，并确定变频空调器的工作工况和各运行频率点的权重，再根据管路材料本身的疲劳特性及测试得到的各频率点下振动最大应力值，分别计算变频空调器在一年内启动、运行、停机状态下管路的疲劳损伤，通过疲劳损伤累积计算得到变频空调器管路系统振动疲劳寿命。本发明适用于变频空调器。
【专利说明】
变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及空调，尤其涉及变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法。
【背景技术】
[0002] 目前，空调行业普遍采用管路应力应变测试来评价管路振动可靠性以及评估管路 振动寿命，通常是以测得的管路振动最大应力值进行评价和疲劳寿命计算，如果最大应力 值超出企业内定标准，即视为不合格，但变频空调器不同于定频压缩机单一频率点的工作 模式，其工作频率点众多，在压缩机启动、运行、停止过程中各频率点对管路振动贡献量并 不相同，且在空调器正常工作过程中各频率点运行的概率也不一样，因此对变频空调器管 路振动疲劳寿命计算不同于定频空调器的计算方法。但是，目前尚未针对变频空调器提出 一种计算管路系统振动疲劳寿命的方法，而企业里对变频空调管路振动疲劳寿命的计算方 法仍按定速机的计算方式，即采用恒定的许用应力[σ]来估算管路的振动疲劳寿命。
[0003] 随着空调行业变频化的形成，变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法的局限性更 加明显，以管路单一许用应力来计算管路振动疲劳寿命的方法已无法满足变频空调器管路 振动可靠性评价及设计的要求，需结合变频空调器实际工作工况及各频率点对管路振动的 实际贡献量提出一种准确计算变频空调器管路振动疲劳寿命的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是:针对变频空调器管路振动评价及疲劳寿命计算方法 存在的不足，提供一种变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，需结合变频空调器实际工 作工况及各频率点对管路振动的影响，对变频空调器管路振动疲劳寿命进行估算。
[0005] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案是:变频空调器管路振动疲劳寿命计算 方法，包括以下步骤：
[0006] a.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度，确定各个温度下的频 率，并将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率；
[0007] b.基于变频空调器的平均运行频率以及一年内总运行时间，求出变频空调器一年 内在运行状态的振动次数，以及变频空调器一年内启动次数、停机次数；
[0008] 基于启动状态和停机状态下各频率点发生的时间、以及变频空调器一年内总运行 时间，确定变频空调器在启动状态和停机状态在各频率点的权重；
[0009] 基于变频空调器一年内总运行时间、运行状态下各频率发生的时间、以及启动状 态和停机状态下发生的总时间，确定变频空调器在运行状态下各频率点的权重；
[0010] 根据管路材料本身的疲劳特性及各频率点下测试得到的振动最大应力，确定管路 在运行状态下各频率点的振动疲劳寿命；同时，根据启动应力和停机应力分别确定管路在 启动应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿命；
[0011] c.基于变频空调器一年内启动次数、启动状态各频率点以及在各频率点的权重、 启动应力下的振动疲劳寿命，计算启动状态下各频率点的疲劳损伤；
[0012] 基于变频空调器一年内停机次数、停机状态各频率点以及在各频率点的权重、停 机应力下的振动疲劳寿命，计算停机状态下各频率点的疲劳损伤；
[0013] 基于变频空调器一年内在运行状态的振动次数、运行状态下各频率点以及在各频 率点的权重、运行状态下各频率点的振动疲劳寿命、所述平均运行频率，计算运行状态下各 频率点的疲劳损伤；
[0014] d.通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累 积疲劳损伤；
[0015] e.综合变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤，计算变 频空调器管路系统振动疲劳寿命。
[00?6]具体的，步骤a具体包括：
[0017] al.根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立频率-温度数学关系；
[0018] a2.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度以及所述频率-温度 数学关系，确定各个温度下的频率；
[0019] a3.将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率。
[0020] 具体的，步骤b中通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和 停机状态的时间过程和频率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率 点发生的时间。
[0021] 具体的，步骤b在求启动状态或运行状态或停机状态下振动疲劳寿命时，包括以下 步骤：
[0022] bl.根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对管路振动可靠性进行分析，建立管路振 动应力与振动疲劳寿命之间的数学模型；
[0023] b2.基于启动状态或运行状态或停机状态下在各频率点测试得到的振动最大应力 以及所述数学模型，确定该状态下的振动疲劳寿命。
[0024]进一步的，步骤b2中振动最大应力的获得步骤包括：
[0025] b21.对变频空调压缩机管路系统进行仿真分析，确定变频空调管路系统振动疲劳 最薄弱部位，将最薄弱部位作为管路应力测试时的测试点；
[0026] b22.从低到高设定变频压缩机的各频率点，并逐点测试各个测试点在各频率点对 应的主应力，通过比较各测试点的主应力，确定运行状态各频率点的最大主应力，所述各频 率点的最大主应力即为运行状态各频率点的振动最大应力；
[0027] 逐点测试各个测试点在启动状态、停机状态下各频率点的主应力，通过比较各测 试点的主应力，确定启动状态、停机状态各频率点的最大主应力，所述启动状态、停机状态 各频率点的最大主应力即分别启动状态、停机状态各频率点的振动最大应力。
[0028] 进一步的，步骤b22通过频闪仪和应变计测试各个测试点的主应力。
[0029]进一步的，步骤b22测试主应力的具体步骤为：
[0030] b221.将连接空调器压缩机排气口的管路的第一弯位和第二弯位、以及连接空调 器压缩机吸气口的管路的第一弯位和第二弯位作为待测弯位，并将待测弯位上对应其分角 线的部位作为可能粘贴应变计的初级测试部位；
[0031] 用频闪仪观察管路系统的U型弯的振动方向，通过U型弯的振动方向，在所述初级 测试部位上确定具体的应力测试点，其中，所述U型弯为与所述测试弯位连接的弯位，并且 所述U型弯处于管路系统的下端；
[0032] b222,在所述应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计，其中，轴向为沿 管路中心轴线的方向，径向为沿管路的截面半径的方向；
[0033] b223.通过应变计确定应力测试点处的轴向应力值和径向应力值，根据弹性力学 原理，得到应力测试点的主应力。
[0034] 本发明的有益效果是:通过建立频率-温度数学关系，能够确定任意工况下变频空 调器的工作频率。通过变频空调器启动、停机过度工况各频率点运行的权重，并考虑了变频 空调器启动和停机状态对管路造成的振动疲劳损伤，能更加全面、准确的计算管路振动疲 劳寿命，避免了当前变频空调器管路振动可靠性评价与疲劳寿命计算中因主观判定造成的 错误。
【附图说明】
[0035]图1是变频空调器压缩机管路系统正面图；
[0036]图2是变频空调器压缩机管路系统背面图；
[0037]图3是应变计设置方式示意图。
[0038] 图中编号：1为压缩机，2为管路，3为应变计，4为待测弯位的分角线，5为U型弯，Mi、 M2、M3、M4为各个测试点。
【具体实施方式】
[0039] 本发明通过加权计算变频空调器平均运行频率，同时确定变频空调器工作工况以 及各频率点运行权重，进而获得变频空调器在启动、运行、停机状态下各频率点对管路造成 的疲劳损伤，通过疲劳损伤累积计算，从而得到变频空调器管路系统的疲劳寿命。以下通过 附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明，实施例的具体步骤如下：
[0040] 1、首先根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立变频空调器运行频率与 室外温度的数学关系，其中，制冷:f 1 lAiTi+Bi、制热:f2 = A2T2+B2;再根据变频空调器每年在 制冷和制热季节发生的各个温度以及所建立的频率-温度数学关系，确定变频空调器每年 在制冷和制热季节下发生的频率f l3，其总时间为Η小时，将各个温度下的运行频率加权计算 得到变频空调器的平均运行频率为f Hz，则变频空调器一年内在运行状态的振动次数为m =H*f*60*60次，本实施例按每小时变频空调器启、停各一次计算，得一年启动次数为m、停 机次数为n2，m = n2 = W：^。
[0041 ] 2、变频空调器各频率的权重的确定：
[0042] a、通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和停机状态的时 间过程和频率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率点发生的时 间。其中，变频空调器一年内总时间为Η小时，启动状态运行的频率点fii及对应运行时间为 hil，则启动状态各频率点运行的权重为匕=^ :停机状态运行的频率点fi2及对应运行时间 II 为h12，则停机状态各频率点运行的权重为乃2 = I。
[0043] b、用户确定变频空调器每年需要制冷和制热的各温度Tl3以及各温度Tl3下的运行 频率f13;确定变频空调器在各频率下f13的运行时间；再基于变频空调器一年内总运行时 间、各频率下发生的时间、以及启动状态和停机状态的总时间，确定变频空调器运行时在各 频率点的权重。其中，启动状态、停机状态的总时间分别为m、h 2，变频空调器一年内总运行 时间为H、各频率fl3下的运行时间为hl3,则各频率点的权重pl3为
[0044] 3、根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对铜管振动可靠性进行理论分析，建立铜 管振动应力S与振动疲劳寿命N之间的数学模型为LogS = ALogN+B。利用启动、运行、停机状 态下各频率点的管路振动应力，可以快速得到启动、运行、停机状态下各频率点的振动疲劳 寿命N。变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位将决定管路系统的整体寿命，因此，应选用 在启动、运行、停机状态下管路疲劳最薄弱的部位作为测试点，即管路上发生最大应力的部 位。具体步骤如下：
[0045] a.变频空调管路系统振动疲劳最薄弱部位的确定：
[0046] 对变频空调压缩机管路系统进行有限元仿真分析，确定压缩机管路系统中应力最 大的部位，通常压缩机管路2系统中应力较大的部位主要位于压缩机1排气口的第一弯位和 第二弯位，吸气口的第一弯位和第二弯位以及振幅最大部位相邻的弯位，将这些应力较大 的部位作为管路应力测试时的待测弯位。
[0047] b.应力测试点和主应力的确定：
[0048]首先，将待测弯位上对应其分角线4的部位作为初级测试部位，应变计3可能粘贴 在初级测试部位四周的任何位置，因此还需进一步确定具体的测试点。
[0049] 然后，用频闪仪观察管路系统的U型弯5的振动方向，将与U型弯5的振动方向相同 的方向作为应变计3在所述初级测试部位上的方位，从而确定在所述初级测试部位上的具 体的应力测试点，其中，这里所说的U型弯5为与所述测试弯位连接的弯位，并且所述U型弯5 处于管路2系统的下端，如图1和图2所示。具体的来说，如果与U型弯5的振动方向相同的方 向为前后振动方向，则如图3所示应将测试点选在弯位的前方再进行应变计粘贴，或者选在 弯位的后方再进行应变计粘贴;如果与U型弯5的振动方向相同的方向为左右振动方向，则 应将测试点选在弯位的内侧或者外侧，再进行应变计粘贴。本例中各个应力测试点如图1所 示，分别记为:测试点施、测试点此、测试点M 3、测试点M4。
[0050] 最后，如图3所示，在应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计3,其中， 轴向为沿管路中心轴线的方向；径向为沿管路的截面半径的方向。由此可得到管路2上各测 试点处的轴向和径向应力值〇\和~，根据弹性力学知识，可得测试点的主应力 〇为：
，主应力σ的方向爻
[0051] c.测试变频空调器在启动、运行、停机状态下管路振动的最大应力值：
[0052] i、测试变频空调器在运行状态下各个工作频率点对应的最大应力值。使用频率设 定器手动设定变频压缩机的运行频率点从低到高运行进行逐点测试，得到各测试点此、 M2、…、Μη在工作频率fi下的主应力，分别记为δΜη，δΜ2?，…，δΜι?，将测试点中的最大应力值作 为该工作频率fi下管路振动的最大应力值，即3i=max{3Mii，δ??，…，δΜι?};
[0053] ii、测试变频空调压缩机启动状态时管路振动的最大应力值，反复5次，分别记录 各测试点]?1、]\12、'"、]^，5次测试的数据为：<5；1&1，4 2，43，44，45其中1^=1，2，"，11; 取5次的平均值为最终结果，即
，则启动状态的最大 应力值δι为
[0054] iii、同理根据步骤ii中的测试方法，获得变频空调压缩机停机状态管路振动的最 大应力值δ2^
其牛
k=l，2，.·_，η〇
[0055] d.通所建立的数学模型以及步骤c中求得的最大应力值，确定管路在运行状态下 各频率点的振动疲劳寿命，以及在启动应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿 命。
[0056] 4、结合步骤1、2、3所求参数，计算各种状态下各频率点的疲劳损伤：
[0057] a、启动状态下各频率点的疲劳损伤Ru为：
其中，Nu为管路在的启动 应力下各频率点的疲劳寿命，m为一年内变频空调器启动次数，(：η = Η*60*60*?·η*ρη为启 动状态下各频率点fil管路的振动次数，Pil为启动状态各频率点fil运行的权重；
[0058] b、停机状态下各频率点的疲劳损伤Rl2为：
，其中，Nl2为管路在停机应 力下各频率点的疲劳寿命，n2为一年内变频空调器停机次数，Ci2 = H*60*60*f i2*pi2为停机 状态下各频率点fi2管路的振动次数，Pi2为停机状态各频率点fi2运行的权重；
[0059] c、变频空调器运行状态下各频率点的疲劳损伤Ri3为：
其中，m = H*60* 60*fi3*pi3为变频空调器一年内管路在该频率点的振动次数，Pi3为运行状态下各频率点fi3 的权重，变频空调器在频率fi下运行时管路产生的最大应力为Si，则Ni为在最大应力δ?作用 下的疲劳寿命。
[ΟΟ?Ο] 此外，在计算m时，本实施例可以采用加权计算后的平均运行频率f，此时m = n3* Pi3*fi3/f，则
，其中，Pi3为运行状态下各频率点fi3的权重。技术人员在计算 时，常常需要快速估算运行状态下某一频率点的疲劳损伤Rl3，这里基于平均运行频率f，我 们可以快速地估算运行状态下任意频率点fi3的疲劳损伤Ri3。
[0061] 需要说明的是，步骤2-4的顺序不局限于实施例，实际应用时是可以相互交换的。
[0062] 5、通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累 积疲劳损伤：
[0063] a.启动状态下管路的累积疲劳损伤办为：
，其中，nu为启动状态运行 的频率点个数；
[0064] b.停机状态下管路的累积疲劳损伤此为：
，其中，1112为停机状态运行 的频率点个数；
[0065] c.运行状态下管路的累积疲劳损伤R3为：
_其中，m3为运行状态的频率点 个数。
[0066] 6、变频空调器工作一年后，各种状态下管路的疲劳损伤累积R为:RzRi+fc+fc，得 到变频空调器管路系统的疲劳寿命T为:Γ " A
[0067]需要指出的是，上面所述只是用图解说明本发明的一些原理，由于对相同技术领 域的普通技术人员来说是很容易在此基础上进行若干修改和改动的。因此，本说明书并非 是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应 修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。
【主权项】
1. 变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤： a. 根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度，确定各个温度下的频率， 并将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率； b. 基于变频空调器的平均运行频率以及一年内总运行时间，求出变频空调器一年内在 运行状态的振动次数，以及变频空调器一年内启动次数、停机次数； 基于启动状态和停机状态下各频率点发生的时间、以及变频空调器一年内总运行时 间，确定变频空调器在启动状态和停机状态在各频率点的权重； 基于变频空调器一年内总运行时间、运行状态下各频率发生的时间、以及启动状态和 停机状态下发生的总时间，确定变频空调器在运行状态下各频率点的权重； 根据管路材料本身的疲劳特性及各频率点下测试得到的振动最大应力，确定管路在运 行状态下各频率点的振动疲劳寿命；同时，根据启动应力和停机应力分别确定管路在启动 应力下的振动疲劳寿命、停机应力下的振动疲劳寿命； c .基于变频空调器一年内启动次数、启动状态各频率点以及在各频率点的权重、启动 应力下的振动疲劳寿命，计算启动状态下各频率点的疲劳损伤； 基于变频空调器一年内停机次数、停机状态各频率点以及在各频率点的权重、停机应 力下的振动疲劳寿命，计算停机状态下各频率点的疲劳损伤； 基于变频空调器一年内在运行状态的振动次数、运行状态下各频率点以及在各频率点 的权重、运行状态下各频率点的振动疲劳寿命、所述平均运行频率，计算运行状态下各频率 点的疲劳损伤； d. 通过累积计算，分别得到变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲 劳损伤； e. 综合变频空调器一年内在启动、运行、停机状态下管路的累积疲劳损伤，计算变频空 调器管路系统振动疲劳寿命。2. 如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤a具 体包括： al.根据建筑负荷与变频空调器的制冷、制热能力建立频率-温度数学关系； a2.根据变频空调器每年在制冷和制热季节发生的各个温度以及所述频率-温度数学 关系，确定各个温度下的频率； a3.将各个温度下的频率加权计算得到变频空调器的平均运行频率。3. 如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b中 通过模拟变频空调器用户使用工况，确定变频空调器启动状态和停机状态的时间过程和频 率分布，从而确定启动状态和停机状态下运行的频率点及各频率点发生的时间。4. 如权利要求1所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b在 求启动状态或运行状态或停机状态下振动疲劳寿命时，包括以下步骤： bl.根据管路材料的疲劳寿命实验数据，对管路振动可靠性进行分析，建立管路振动应 力与振动疲劳寿命之间的数学模型； b2.基于启动状态或运行状态或停机状态下在各频率点测试得到的振动最大应力以及 所述数学模型，确定该状态下的振动疲劳寿命。5. 如权利要求4所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b2中 振动最大应力的获得步骤包括： b21.对变频空调压缩机管路系统进行仿真分析，确定变频空调管路系统振动疲劳最薄 弱部位，将最薄弱部位作为管路应力测试时的测试点； b22.从低到高设定变频压缩机的各频率点，并逐点测试各个测试点在各频率点对应的 主应力，通过比较各测试点的主应力，确定运行状态各频率点的最大主应力，所述各频率点 的最大主应力即为运行状态各频率点的振动最大应力； 逐点测试各个测试点在启动状态、停机状态下各频率点的主应力，通过比较各测试点 的主应力，确定启动状态、停机状态各频率点的最大主应力，所述启动状态、停机状态各频 率点的最大主应力即分别启动状态、停机状态各频率点的振动最大应力。6. 如权利要求5所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b22 通过频闪仪和应变计测试各个测试点的主应力。7. 如权利要求6所述的变频空调器管路振动疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤b22 测试主应力的具体步骤为： b221.将连接空调器压缩机排气口的管路的第一弯位和第二弯位、以及连接空调器压 缩机吸气口的管路的第一弯位和第二弯位作为待测弯位，并将待测弯位上对应其分角线的 部位作为可能粘贴应变计的初级测试部位； 用频闪仪观察管路系统的U型弯的振动方向，通过U型弯的振动方向，在所述初级测试 部位上确定具体的应力测试点，其中，所述U型弯为与所述测试弯位连接的弯位，并且所述U 型弯处于管路系统的下端； b222,在所述应力测试点粘贴轴向和径向两片相互垂直的应变计，其中，轴向为沿管路 中心轴线的方向，径向为沿管路的截面半径的方向； b223.通过应变计确定应力测试点处的轴向应力值和径向应力值，根据弹性力学原理， 得到应力测试点的主应力。
【文档编号】G06F19/00GK106033498SQ201610288432
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】邓培生, 李越峰, 李峰, 冷少华
【申请人】四川长虹空调有限公司