章國江，鄭傳祥，劉遠(yuǎn)峰，朱谷昌，吳嘉懿

（1. 杭州錢江壓縮機(jī)有限公司，杭州 310013；2. 浙江大學(xué)，杭州 310027）

碳纖維復(fù)合材料小型壓縮機(jī)閥片性能試驗(yàn)研究

章國江1，鄭傳祥2，劉遠(yuǎn)峰1，朱谷昌1，吳嘉懿2

（1. 杭州錢江壓縮機(jī)有限公司，杭州 310013；2. 浙江大學(xué)，杭州 310027）

針對目前小型壓縮機(jī)噪聲大、閥片抗疲勞性能低等問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)并試制出碳纖維復(fù)合材料閥片以替代傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)閥片。研究結(jié)果表明，這種先進(jìn)復(fù)合材料閥片可使壓縮機(jī)噪聲有較大幅度的下降，抗疲勞壽命有所提高。最后通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

碳纖維復(fù)合材料；壓縮機(jī)閥片；噪聲；抗疲勞；試制；測試

0 引言

1 壓縮機(jī)閥片受力分析

我國冰箱、空調(diào)制冷壓縮機(jī)市場十分巨大，發(fā)展速度很快，壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的核心部件之一，其可靠性和工作效率直接影響著整個(gè)制冷系統(tǒng)的工作，所以一直以來為各個(gè)家電制造業(yè)巨頭所重視。小型壓縮機(jī)目前存在噪聲大，閥片抗疲勞性能低等問題[1～4]，試驗(yàn)采用碳纖維復(fù)合材料閥片替代傳統(tǒng)的金屬閥片，使壓縮機(jī)的噪聲有較大幅度的下降，閥片抗疲勞壽命有所提高，最后通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1.1 壓縮機(jī)排氣閥片靜應(yīng)力分析

閥片在實(shí)際工作中的受力情況是一個(gè)流固耦合問題[5]，而在靜強(qiáng)度分析中，只需分析閥片所承受的最大的載荷。因此，如圖1所示僅需對閥片施加位移邊界條件，使閥片達(dá)到最大的位移位置，從而得到其所承受的最大應(yīng)力強(qiáng)度[6]?？紤]到閥片厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于長度方向上的尺寸，為便于計(jì)算，將模型采用殼屬性。通用商業(yè)軟件Abaqus被用于計(jì)算四邊形網(wǎng)格用于閥片的劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)13 651，單元數(shù)13 563，如圖2所示。

厚度為0.152 mm的排氣閥片在上述邊界條件下的應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖3所示?？梢缘玫介y片上的最大壓力強(qiáng)度是265.3 MPa。

根據(jù)以上分析，可以看出最大應(yīng)力位于閥片根部，因此可以看成是一個(gè)受到彎矩作用的閥片，經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)閥片上作用4.192 3 N.mm的彎矩的時(shí)候，其最大應(yīng)力與閥片應(yīng)力相同，根據(jù)這個(gè)載荷，可以對閥片進(jìn)行復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 碳纖維復(fù)合材料閥片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于閥片的受力近似于平板受到彎矩的作用，因此將以上彎矩作為設(shè)計(jì)載荷，對閥片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到閥片的厚度不能與原來閥片厚度相差很大，因此選擇（0°±φ）s的復(fù)合方式，每一層的厚度為0.07 mm，對材料為T300、T700碳纖維預(yù)浸樹脂單向纖維，分別進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的纖維分布角度和層數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得出圖4～5所示的隨角φ變化的度安全設(shè)計(jì)曲線，其中R＞1的角度是均為安全可選用的角度。T300碳纖維只有很小角度（＜10°）的情況下才是可選用的；選用T700碳纖維可以滿足任意角度φ，考慮到市場上材料的可獲得性，因此選用（0°±45°）s作為閥片的纖維敷設(shè)角度，層數(shù)為6層[7～10]。

圖1 閥片所受約束和載荷

圖2 閥片的網(wǎng)格劃分

圖3 閥片應(yīng)力強(qiáng)度云圖

最后得到試制的樣品如圖6所示。

2 試驗(yàn)研究與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)測試臺(tái)結(jié)構(gòu)與原理

圖4 0°(0°±φ)s T300碳纖維安全設(shè)計(jì)曲線

圖5 (0°±φ)s T700碳纖維安全設(shè)計(jì)曲線

圖6 碳纖維復(fù)合材料閥片樣品

按照GB/T5733-2004《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》，采用第二制冷劑量熱法設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)臺(tái)主要由電量熱器、水冷卻系統(tǒng)和壓縮機(jī)組成。采用電量熱器法，它的基本原理是利用電加熱器發(fā)出的熱量來抵消壓縮機(jī)的制冷量，從而達(dá)到平衡[11～14]。圖7為壓縮機(jī)性能測試臺(tái)原理圖，圖8為壓縮機(jī)性能測試臺(tái)。

2.2 測試結(jié)果與討論

在該試驗(yàn)臺(tái)上分別對壓縮機(jī)的制冷性能和噪聲進(jìn)行了測試，測試結(jié)果為COP值1.85，與傳統(tǒng)Sandvik金屬閥片相比基本相同，噪聲為61 dB與傳統(tǒng)金屬閥片相比降低4 分貝。由于復(fù)合材料閥片與金屬閥體的表面貼合略差于金屬與金屬的貼合度，而碳纖維復(fù)合材料表面無法進(jìn)行打磨，因此導(dǎo)致制冷效率略有下降。同時(shí)由于碳纖維復(fù)合材料與金屬的碰擊聲音要小于金屬與金屬碰撞引起的噪音，所以噪音有了較大幅度的下降[15～18]。

圖7 壓縮機(jī)性能測試臺(tái)原理圖

圖8 壓縮機(jī)性能測試臺(tái)

3 結(jié)論

針對目前小型壓縮機(jī)存在噪聲大、閥片抗疲勞性能低等問題，本研究提出采用碳纖維復(fù)合材料閥片替代傳統(tǒng)的金屬閥片，這種高強(qiáng)度復(fù)合材料可以使壓縮機(jī)的噪聲有較大幅度的下降，閥片抗疲勞壽命有所提高，最后通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。測試結(jié)果為COP值1.85，與傳統(tǒng)Sandvik金屬閥片相比基本相同，噪聲為61 dB，與傳統(tǒng)金屬閥片相比降低降低4 dB。由于復(fù)合材料閥片與金屬閥體的表面貼合略差于金屬與金屬的貼合度，而碳纖維復(fù)合材料表面無法進(jìn)行打磨，因此導(dǎo)致制冷效率略有下降。同時(shí)由于碳纖維復(fù)合材料與金屬的碰擊聲音要小于金屬與金屬的碰撞，所以噪音有了較大幅度的下降。

[1] 沈維道, 蔣智敏, 童鈞根. 工程熱力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001: 42.

[2] Wang X. D, Hwang Y, Radermacher R. Investigation of potential benefits of compressor cooling[J]. AppliedThermal Engineering, 2008, 28(14): 1 791-1 797.

[3] Ribas F. A. Thermal analysis of reciprocating compressors[A]. Nineteenth International Compressor Engineering Conference, USA: Purdue University, 2008.

[4] Bonjoura J, Bejan A. Optimal distribution of cooling during gas compression[J]. Energy, 2006, 31(4): 409-424.

[5] 李蓉. 制冷壓縮機(jī)過程模擬及節(jié)能技術(shù)開發(fā)研究[D].浙江大學(xué), 2014.

[6] 馬野, 袁志丹, 曹金鳳. ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 10.

[7] 汪海芳. 復(fù)合材料支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[8] 鄭傳祥, 魏雙, 陸希, 等. 基于微觀力學(xué)失效分析對碳纖維復(fù)合材料衛(wèi)星支架桿件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2016, 41(2): 29-33.

[9] 章令暉, 李甲申, 王琦潔, 等. 航天器用復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 纖維復(fù)合材料, 2013, 12(4): 62-67.

[10] Stephen W. Tsai, Composite design: Strength and life prediction[M]. ISBN: 0961809000, 2012.

[11] 王曉燕. 小型制冷壓縮機(jī)全自動(dòng)性能測試臺(tái)研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(8): 52-57.

[12] Nagata, Nozaki T, Akizawa T. Analysis of dynamic behavior of suction valve using strain gauge in reciprocating compressor[A]. Twentieth International Compressor Engineering Conference, USA: Purdue University, 2010: 8.

[13] Bulgan G, Paone N, Revel G M. Valve lift measurement by optical techniques in compressors[A]. Sixteenth International Compressor Engineering Conference, USA: PurdueUniversity, 2002: 8.

[14] Lmmlato M. Contarini, impact fatigue on suction valve reed: new experimental approach[A]. Seventeenth International Compressor Engineering Conference, USA: Purdue University, 2004.

[15] Han Jianping, Qin Yingjie, Gao Wei, et al. Effects of thermal cycling on mechanical and physical properties of high performance carbon/epoxy composites applied to satellite antenna[C]. Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC, 2014, 8: 5 859-5 866.

[16] T. Gerhard, C. Friedrich. Mechanical fastening of carbon composite tubes, numerical calculation of axial loading capacity and experimental verification[J]. Composites: Part B , 2014, (67): 391-399.

[17] Hana P., Inneman A., Daniel V., et al. Mechanical properties of carbon fiber composites for applications in space[C]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2015.

[18] West Stephen, White Charles, Celestino Chris, et al. Design and testing of deployable carbon fiber booms for cube sat non-gossamer applications[C]. 56th AIAA/ASCE/ AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2015.

Performance experimental research of carbon fi ber composite valves of small compressor

ZHANG Guo-jiang1, ZHENG Chuan-xiang2, LIU Yuan-feng1, ZHU Guo-chang1, WU Jia-yi2
( 1. Hangzhou Qianjiang Compressor Co., Ltd, Hangzhou 310013 China; 2. Zhejiang University, Hangzhou 310027 China )

Aiming at the problem of heavy noise and low fatigue life of the valve, the carbon fiber composite valve plate is optimal designed to replace the traditional metal valve. The results show that this kind of advanced composite valve can reduce the compressor noise greatly, and the fatigue life is improved. Finally, it is verified by experiment.

carbon fiber composite materials; compressor valves; noise; fatigue resistance; manufacture; test

TB334; TH45

A

1007-9815（2016）06-0053-04

定稿日期: 2016-12-15

章國江（1957-），男，杭州人，高級工程師，主要從事壓縮機(jī)研究；通訊作者：鄭傳祥，教授，博士，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算，(電子信箱)zhchx@zju.edu.cn。