关于管路运输应力应变的影响因素总结分析报1.doc

检测中心实验室分析报告 【秘密3年】 关于管路运输应力应变的影响因素总结分析报告检测中心 温展泉 贺春辉 编号：(1407)FXBG-43-009摘要：目前空调管路系统由于振动引起应力过大而导致管路疲劳断裂的问题较为突出，针对空调室外机包装运输过程中管路疲劳断裂问题，运输管路应力应变试验是作为对样机管路抗振能力进行验证的主要检测手段之一，其准确性一直以来运输管路应力应变试验也一直困扰实验室，本文讲述了运输管路应力应变试验原理，并针对影响运输管路应力应变试验的因素进行试验总结分析并提出改善建议，以减少不良因素对管路运输应力应变试验的影响。此报告也可作为后续生产过程中样机结构检查的依据，从生产源头开始控制，杜绝影响管路结构抗振能力的不良因素产生。关键词：运输应力应变、断裂、设计、装配、材料、测试；引言:运输管路应力应变试验是振动试验的升级，在运输振动过程检测管路的应变值以确定管路抗振能力，从而评估管路的可靠性，由于运输管路应力应变是在外部激振力提供的振动台上完成测试的，影响运输管路应力应变测试因素除了振动台构造参数影响外，管路的设计、生产过程的装配、测试使用的材料仪器、以及测试操作的偏差都可能会影响实验结果。正文一、运输管路应力应变限值的理论依据根据机械工程材料教材中所述，对于铜等有色金属材料，通常取循环次数108次所对应的应力作为疲劳极限。因此，在拉应力、弯曲应力、切应力时，工程上经常采用将应力控制在运行次数108次所对应的值以下，来保证试件的可靠性（实际上还需要考虑缺陷和一致性等问题）。铜的弹性模量E = 1.10 1011 Pa（公司取应力限定值基于铜的弹性模量E=1.121011Pa），空调使用的铜管并非金属原材，要达到使用要求，需经过了拉拔、热处理、弯曲以及焊接，所以工程上常采用S-N曲线进行疲劳分析，它反映的是一个试件在一定应力的反复作用下，对应能循环多少次的一条曲线，其中纵坐标是应力，横坐标是循环次数，如下图：图1 铜管的S-N（应力-循环次数）曲线（日本大金公司）从S-N曲线可以看出，铜受应力作用108次所对应的应力略小于40MPa(也有资料推荐为41.2MPa)。而运输管路应力应变试验是扫频定频试验衍生而来，冲击次数取18000次，对应的疲劳极限，它的疲劳极限若在77.0MPa87.5MPa间，根据公式=/E，应变值则在690780，目前标准采用690判定。二、影响运输管路应力应变的因素可以通过以下鱼骨图进行分解： 图2 管路应力影响因素鱼骨图（1）、设计方面：问题1：管路走向、管径设计不合理影响。典型案例：机型：GWH28QE-K1NTA1B（内部管路结构如下图3、4），在测试管路运输应力试验时，发现冷进管第一支管根部侧面应力值超标：1246.91/-1148.02布点位置以及测试数据如下（图5、6所示） 图3实物图 图4三维图 图5冷进管根部布点位置 图6冷进管根部应力最大值整改后：四通阀的整体高度降低60mm，冷凝器进管增加下沉“U”形设计，更改管径：16改为12，增加管路的柔性（如下图7所示），此时冷进管第一支管根部应力最大值为：459/-445。 图7整改后内部管路结构 图8冷进管根部应力最大值总结分析：四通阀、冷进管设计不合理；压缩机、四通阀是主要的振动源，在测试过程中四通阀有明显很大的晃动，而四通阀C管连接冷凝器这一段管路缓冲结构未起到作用，反而形成了杠杆形式，导致最大应力值都集中在冷进根部，更改管路后应变数据下降非常明显，可见管路管径大小、走向的设计非常重要，应尽量多采用“U”型结构，增加管路柔性，以起到缓冲的效果，避免共振现象，且喇叭口位置应该多采用二次缩口，加强强度。问题2：压缩机脚垫影响，压缩机脚垫磨损，脚垫软、变形等，导致管路运输应力应变超标； 图9 压缩机脚垫变形 图10 压缩机脚垫磨损典型案例：机型：GWH28QE-K1NTA1B 测试管路运输应力应变试验时：A、压缩机脚垫状态：完好 管路运输应力应变最大数值为：516/-619（数据如下图11-1）；B、压缩机脚垫状态：磨损（如上图10所示）管路运输应力应变最大数值为：807/-840（如图11-2）；C、压缩机脚垫状态：严重变形（如上图9所示）管路运输应力应变最大数值为：1234.84/-1173.89如图11-3。 图11-1完好时最大应力值 图11-2磨损时最大应力值 图11-3变形时最大应力值总结分析：不同硬度的压机脚垫，运输过程中，压缩机会存在上下、左右的晃动，此时压缩机螺栓、脚垫、螺母三者间配合间隙不合理（S2）会导致压缩机晃动幅度增大从而加大了压缩机振动传递到管路上，管路振幅加大，作为动静“交点”位置应力值也随之增大。整改建议：目前商用机组采用增加橡胶圈（如图13）方式进行整改，达到减小压缩机脚的活动范围，其次压缩机脚垫材料影响，更换硬度较大的压缩机脚垫（此方案需要考虑运行振动情况）。 图12 压缩机脚垫比较 图13压缩机脚垫加橡胶圈问题3：边板孔位影响，导致管路运输应力应变超标。 图14 实物图 图15通孔三维图典型案例：机型：GWH18QD-K1NTA1C测试管路运输应力应变试验。A、边板孔为翻边孔时（ 如图14）管路运输应力应变最大数值为953/-887； 图16-1 图16-2最大应力值B、边板孔为通孔时（ 如图15）管路运输应力应变最大数值为：498/-496；总结分析：当冷凝器边板使用翻边孔时（如图16），由于管路与边板之间的间隙很小，当管路收到空间各个方向的加速度而产生相对位移时，当受力时，较大的形变就会在此点产生，此处的应力值就体现为最大。当使用通孔，U管与边板之间的间隙变大，当分气管收到空间各个方向的加速度而产生相对位移时，我们就可以把点2或者靠近更靠近弯曲处的某处看成这根U管的理论受力支点。当受到同样大小的力时，由于力矩变大，在点2处的受力将有所减小，且此处为弯曲处，能承受更大的形变。因此，原断管处的应力值自然减小，相当于传递至U管弯曲处。此种理论仅为分析，改为通孔，理论支点不一定会延伸至弯管处，需要一定的试验验证其可靠性，建议冷进管根部边板孔为通孔纳入设计规范。如图16 通孔管路结构（2）、装配方面：问题：管路变形、角度偏差影响典型案例：机型GWC12MB-K3NND8B小批测试运输管路应力应变试验时：A、 变形管路、角度存在偏差（如图17），测试数据：951.6/-736.9（不合格）B、 正常管路（如图18），测试数据：540.5/-489.1（符合标准要求） 图17变形管路 图18 正常管路总结分析：以上案例数据可见在试制、生产过程人为操作不当造成管路变形、出现角度偏差的将影响数据已达400，管路一旦改变方向，振动方向可能完全不一样，进而导致出现应力数据偏差大现象，生产、试制过程必须严格进行质量把关，确保产品结构可靠性。问题2：管路焊接时管路过烧、有焊瘤 图19 冷进根部焊瘤 图20冷进根部过烧典型案例：机型GWC12NB-D1NNA3D小批测试运输管路应力应变试验时：A、有焊瘤管路（如图19），测试数据：692.0（不合格）；B、正常管路，测试数据：258.9（符合标准要求）；总结分析：焊接管路时焊瘤、过烧，容易使管路铜管材质发生改变，铜晶粒间隙变大，使铜管更容易产生形变，一般情况在常温下，铜晶粒之间的间隙为2.0-3.5um，正常烧焊后晶粒的间距有所拉长，约65-80um，而过度的烧焊，那么晶粒的间距就会在110um以上，导致管路应力集中，应变值变大，这也是为什么焊点过烧、焊瘤位置管路易断的原因之一。（3）、材料方面问题1：应变片选用不一致单轴双轴（平行型）双轴（叠加型）三轴单向应力片双向（水平）应变计，轴向相互垂直，并排分布双向（垂直）应变计，轴向相互垂直，相互重叠三向应变计，轴向相互垂直，并排分布电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为电信号的敏感器件，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起发生形变，使应变片电阻发生改变，从而使加在电阻上的电压发生改变，通过电桥、仪器等放大进而显示出数据，从理论上可知双向应变片为两个方向电阻应变片构成，则可以测试两个方向的应力值，如切向、纵向（见图21），而三向应变计则可以测试更多方向的应力值（并且可以根据公式计算主应力值），可见双向以及多向应变片测试时采集到的管路上具体位置所受应力更全面，更精确，目前包装运输采用双向、三向应变片进行测试，取消了单向应变片的使用。 图21 应变片结构与多向应变片布点情况（4）测试方面1、布点位置影响，相同管路冷进根部，正面、侧面应变数据相差非常大。典型案例： GX140184.05 GWC15MC-K3NNC1E在测试运输管路应力应变时在冷进管路根部位置上面、侧面、下面分别布点（如图22），测试数据如下（如图23，通道1、2为管路上面数据，通道3、4为管路下面数据，通道5、6为管路侧面数据）： 图22 上、侧、下三个位置布点 图23 测试数据总结分析：样机振源为压缩机、四通阀组件等，冷进管根部位置一般受这些振源影响，从而将振动传递到根部位置，管路的振动方向尤为关键，必须确定最大拉力方向（F1），在其根部侧布点为最佳布点位置，才能反映管路最大应力。图24冷进管路受力图2、布点应力片注意事项：A、胶水不宜采用过多，导致整个管路出现“薄膜”现象，可能对应变片产生干涉。B、打磨纱纸选用颗粒较细的砂纸，目前实验室采购的砂纸中推荐选用800#砂纸C、管路打磨均匀光滑，不能出现“沟”痕，避免影响应变片粘贴效果，且表面必须清理干净。 图25 胶水的用量过多 图26纱布的选用 图28 管路打磨面不光滑三、总结 本文阐述了运输管路应力应变试验原理以及测试特点，总结分析了影响实验准确性的各个方面原因，包括设计、装配、材料、测试等等方面，从设计到生产，再到测试各个环节都需要重视质量把关，才能提高测试准确性，并提出了一些改善意见：1、 设计方面：采用最优的设计，应该列入设计规范：A、 冷进管多采用“U”型结构，避免焊点、根部受力，管路设计完成后，对于整机机型一次应力的模态分析，优化改进管路；B、 7、8、9等管径较大管路，配管多采用二次缩口；C、 边板应该采用通孔设计；