【关键词】疲劳抑制技术；空调机组；承重结构设计；实践应用

引言

由于空调机组大型、高性能化，机组的承重结构疲劳问题日渐严重。在受到压缩机的振动载荷、风动载荷以及外部环境的腐蚀等各种载荷的影响下，传统的结构设计很难保证可靠性。本文从最新的重型装备抗疲劳问题的解决方案出发，对空调机组的工况进行探讨，给出系统的解决方案，以期对增加空调机组的使用寿命、运行可靠性提供技术依据。

一、重型装备疲劳抑制技术概述

疲劳破坏是重载机械部件在反复荷载作用下的主要破坏形式之一。它的破坏机理包含裂纹的形成和扩展两个过程，在部件的应力集中位置，如表面、缺陷处等。裂纹先萌生，然后在交变荷载的作用下得到扩展，从而造成部件的破坏。其疲劳破坏过程与载荷、材料、环境密切相关，不同的载荷类型（交变荷载比静荷载破坏性更大）、不同的材料（强度越大裂纹扩展的门槛值越高）、不同的环境（腐蚀性介质会导致裂纹扩展加剧）均会对疲劳破坏的机理造成影响[1]。

机械故障疲劳失效的抑制方法技术上有以下途径：通过结构设计（改变零件几何（使应力集中部位进行圆角、端角等结构渐变）、加强结构、配置加强筋结构优化设计以改变负荷分布）减少局部应力集中；通过选用具有良好韧性、抗脆性高的材料（如使用高韧的低合金高强度钢、高性能的复合材料等）提高零件材料抵抗疲劳损坏的能力和材料组织性能；通过表面强化技术（喷丸技术可使表面形成残余压应力以减小疲劳裂纹开裂或激光强化技术产生深层压应力）提高抗裂纹敏感度；通过振动抑制技术（设置消振装置或主动控制振动等方式）进行振动抑制，防止结构构件因振动效应产生疲劳破坏。

二、空调机组承重结构的疲劳问题分析

空调机组结构在实际使用过程中会受到复杂的载荷条件的影响，其中静载荷是指设备自身重量以及制冷剂充注的重量；动载荷是由于制冷系统压缩机往复振动以及风机在旋转过程中产生的偏心力所引起的；冲击载荷是指空调设备启停和运输过程中产生的振动情况，这3种载荷共同作用，使结构始终处于变应力状态，从而诱发疲劳破坏[2]。

导致结构部件产生损伤的薄弱位置集中分布在两种位置：焊接接头位置的热影响区晶粒粗大和残余应力叠加。疲劳安全系数一般为母材的60%～70%；螺栓连接处因螺栓预紧力松弛及微动磨损成为裂纹起源点，占结构部件失效的80%以上。

疲劳破坏宏观特征表现形式是：裂纹最初发生在焊接热影响区，并以毫米级的裂纹沿着晶界发展到目视可见的裂纹；发生在螺栓处的疲劳裂纹或者连接板孔周边的放射形裂纹；承载的梁产生的弯曲变形、支架形成的塑性铰等隐患性损伤在承载的极限临界状态显现的。

究其原因主要包括三个方面：设计的载荷谱没有充分考虑压缩机工作过程中的变化带来的动载因素，工作应力的应力幅值大于设计应力幅值；设计选用的材料比对静态强度的要求满足，考虑的疲劳要求不足；结构的设计有应力集中因素，比如直角过渡、一面加强等。上述原因综合作用大大缩短了结构的实际寿命。

三、疲劳抑制技术在承重结构设计中的实践应用

（一）承载结构的优化与有限元分析

空调机组的承载结构从传统的经验型设计模式向基于计算机辅助工程的优化设计发展，而有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是工程优化的关键技术之一。分析人员借助参数化三维模型来分析机组在不同工况下的受力状况[3]，如一个知名品牌的商用空调机组，其早期的支撑框架在压缩机工作频率范围内存在共振，模态分析得到23.5 Hz固有频率与压缩机激励频率相同，设计人员在框架结构的拓扑优化基础上，增加了斜撑，并对斜撑的截面形状进行变化，增加了斜撑的数量，使框架结构的固有频率提高到28 Hz，即避开共振区域，利用FEA使结构的关键部位应力集中系数由3.2下降到1.8。