一．概述
空调系统（特别是空调压缩机）在启动、运转、停止时配管各部分都会产生相应的应力及振动，对于压缩机铜管关键部位进行应力应变和振动测试，以确保制品使用的安全性、可靠性是非常必要的。空调压缩机在运行过程中，内部的铜管一直受强迫振动。如果压缩机运行激发的频率接近铜管的固有频率，就会产生共振，剧烈的振动不仅会极大的缩短铜管的疲劳寿命，而且会产生更大的噪声，降低产品的人体舒适度。为了延长压缩机铜管的使用寿命、提高产品的人体舒适度，我们需要避免共振的发生——通过合理的结构设计，让铜管的固有频率远离压缩机运行时的激励频率。
图1.空调已成为我们生活必需品
二．测试目的
1.铜管的振动固有频率
当系统做自由衰减振动时包括了各阶固有频率成分，时域波形反映了各阶频率下自由衰减波形的线性叠加，通过对时域波形做FFT变换就可以得到其频谱图，从而我们可以从频谱图中各峰值处得到系统的各阶固有频率。
2.压缩机运行过程中激励的强迫振动频率
开启压缩机后测试铜管的振动并进行频谱分析。
3.铜管关键部位的应力应变值
在空调的制冷过程中，流动的制冷剂将会使管路中产生动应力，尤其是在压缩机的启动和停止时，引起的动应力更大。在交变应力的长期作用下，管路的变形集中部位，如焊接接头处会出现疲劳裂纹导致制冷剂的泄漏。
三．测试系统组成
表1.测试系统组成
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序号
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设备名称
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型号
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数量
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1
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多通道数据采集系统一套
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TMR-200系列
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一套
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TMR-211 控制模块 一台
TMR-221 全桥应变模块 一台
TMR-281 显示单元 一台
SB-120B 桥盒 1个
CR-4010 电压衰减线缆 1根
TMR-7630动态分析软件 一套
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2
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应变片
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F系列
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若干
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3
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小型加速度传感器
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ARF系列
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1个
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图2.测试系统组成
四．测试步骤
1.加速度传感器的布置：参考有限元分析结果，我们将ARF-100A加速度传感器布置在如下图所示位置，并完成接线；
图3.加速度传感器安装位置
2.应变片安装：动应力测试应将应变片贴在结构的疲劳薄弱部位，因为这些部位的寿命决定着整体的寿命。在空调管路系统中，考虑管路弯曲的形状、角度，应变片应粘贴在管路变形集中或应力较大的地方，如管路的弯曲处和焊接接头处。其中纳子帽和焊接处成90°布置2个应变片。折弯处布置一个应变片。在空调器启动停止、运转时进行应力测定。
图4.应变片粘贴位置示意图
注意：
1）安装应变片时，铜配管应完全脱脂，应变片粘贴时应无气泡，粘贴到弯曲、焊口附近的光滑位置。
2）单轴应变片要严格沿着管路流动的轴线方向，严禁出现倾斜。
3）应力仪与被测空调、电脑一定要共地，安全接地，避免受噪音影响；如果利用电源线接地则需要在通电状态下检查波动情况。
4）要考虑启动时应力的离散性，进行3次以上测量。
3.仪器开机并完成参数设置工作，为了达到比较好的测试效果，需通过试敲查看振动大小来选取合适的量程和采样频率（1000Hz）；
4.应力测量（随机选取一个通道）记录铜管启动、运行、停止等状态的关键部位的应力应变值。
5.振动测试（固有频率的测试）
保持空调压缩机关闭，无规律的敲击铜管各部位，采集数据并实时分析，采集时间持续1分钟；
通过力锤敲击铜管的某部位，使得铜管进行自由衰减振动，通过TMR-200动态数据记录仪记录下铜管关键部位的振动时域信号。空调压缩机关闭的时候随机激励的振动时间波形和FFT频谱分析后得到的功率谱如下图所示，从功率谱中可以清晰的看出铜管的前两阶固有频率分别为83Hz和125Hz；
图6.空调压缩机关闭时随机激励时振动时间波形和FFT功率谱
6.开启空调压缩机后，开始采集数据并实时分析，采集时间1分钟。
空调压缩机开启后并叠加较小的随机激励时的振动波形和FFT频谱分析后得到的功率谱如下图所示，从功率谱中可以清晰的看到，除了随机激励的83Hz和125Hz，还有明显的100Hz、200Hz成分，包括后面不是特别明显的300Hz、400Hz，这些50Hz的2X就是压缩机运行时激励出的强迫振动部分。
图7.空调压缩机开启后叠加随机激励时振动时间波形和FFT功率谱
7.关闭压缩机，将加速度传感器更换位置，无规律的敲击铜管各部位，采集数据并实时分析，采集时间持续1分钟。如下图所示：左边是以前的仪器在同一点测得的功率谱，右边是TMR-200测得的功率谱，新老仪器测得的固有频率数据一致性好。
图8.新老仪器测得数据对比
五．试验结论
通过上面的试验，我们得到了空调压缩机运行时激励的主要频率成分和铜管自身的结构固有频率如下：
表2.激励强迫振动和铜管固有频率分布
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阶次
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强迫振动/Hz
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铜管固有频率/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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未见明显4阶
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铜管的各阶固有频率都不在强迫激励的主要频率成分（50Hz的2X倍频）附近，设计是合理的，铜管没有发生共振。铜管的固有频率后续还能和有限元分析结果做比对，验证优化有限元模型。
六、实验所用设备介绍
1. TML应变计
F系列 箔式应变计
F系列应变计敏感栅材料为铜镍合金，基底材料为特殊塑料，具有电气绝缘特性。应变计具备温度自补偿，并根据试件材料对基底进行颜色区分。除一般用途应变计外，还有应力集中和残余应力测量的应变计可选。
2. ARF-A系列加速度传感器
ARF-A 低量程加速度传感器 10 ~ 500m/s²
ARF-A加速度传感器用于测量机械、汽车、船舶、土木工程结构和建筑物等受振动时的加速度。该传感器小型轻量，并可测量直流电平。
产品特点：
直流电平测量
结构紧凑
易于安装
3. TMR-300小型多通道动态数据记录仪
TMR-300系列是一款小型多通道数据采集系统，可根据测量目的连接多种传感器测量单元。可以测量应变、应变式传感器、直流电压信号、温度、振动加速度等。它小型轻量，不仅可以在现有结构如机械、桥梁等有限空间内安装，而且可实现移动物体如汽车、飞机和船舶上的测量。一台控制单元最多可同时控制10台测量单元，测量单元也可根据需要分布放置在传感器附近。
产品特点
• 最多测量80通道（同步连接4台控制单元最多可测320通道）
• 单元间的分布连接
• 支持高分辨率模式（0.1×10-6）（全桥应变单元和应变1G2G4G单元）
• 采样速度最高100kHz
• 提供USB和LAN接口
• 最大支持32G SD卡
• 断电恢复后自动重启测量
• 配备UPS电路
• DC电源供电
• 结构紧凑防振，适于车载测量
• 可根据需要组合多种测量单元
• 支持多种传感器输入，如应变、温度、电压、转速等
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