激光位移傳感器在冰箱壓縮機測試中的應(yīng)用

楊仲 黃剛 肖帥 宋東東 殷田甜

安徽美芝制冷設(shè)備有限公司 安徽合肥 230031

1 引言

壓縮機在承受載荷時會發(fā)生微小變形，變形的大小將直接影響零部件之間的裝配以及余隙容積等，因此準確測試結(jié)構(gòu)的變形對結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證至關(guān)重要。測試與分析結(jié)構(gòu)微變形的方法有很多種[1-8]，最傳統(tǒng)最常用的是千分表（如圖1所示）測試，通過機械探針接觸被測物體表面，讀取表盤的指針獲得結(jié)構(gòu)的變形量，該方法的精度可以達到1 um，但是千分表在使用過程中存在一些缺陷：首先，探針必須與被測物體接觸，而對某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待測表面，不太容易將探針伸進去；其次，千分表是靠人工讀數(shù)，當結(jié)構(gòu)變形比較快時（如振動），人工讀數(shù)是很難實現(xiàn)的。因此，在這樣的背景下，需要開發(fā)新的測試方法來解決這些問題。

本文應(yīng)用激光位移傳感器（如圖2所示）開發(fā)一套位移測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)很好地解決了千分表存在的缺陷，實現(xiàn)了非接觸式快速測試，同時通過數(shù)據(jù)采集卡和軟件系統(tǒng)可以快速記錄測試數(shù)據(jù)，并且在軟件里面快速進行數(shù)據(jù)處理，提取有價值的信息。

圖1 千分表（指針式、數(shù)字式）

圖2 激光位移傳感器

2 測試裝置

圖3為測試系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)主要包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、定制化測試軟件幾個部分。圖4為測試裝置實物圖，激光位移傳感器集成了激光的發(fā)射與接受裝置：探頭首先發(fā)出激光束，打在被測試結(jié)構(gòu)表面，被測試表面反射回激光束，傳感器接受裝置測試反射回的激光，通過內(nèi)部信號處理器計算出傳感器和被測物體之間的距離，通過自身顯示屏顯示距離數(shù)值并且輸出等比例的模擬電壓，精度達到1 um，最高響應(yīng)頻率為10 kHz，可滿足結(jié)構(gòu)微變形與振動的高精度測試需求。模擬信號數(shù)據(jù)采集卡的作用是將傳感器的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給計算機。定制化測試軟件主要是獲取數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號，并進行信號處理，如傅里葉變換等頻率分析功能，本文的測試軟件（如圖5所示）采用LabVIEW環(huán)境開發(fā)。

圖3 測試系統(tǒng)原理示意圖

3 測試裝置在往復(fù)式壓縮機中的驗證

本文采用該測試系統(tǒng)對往復(fù)式壓縮機的結(jié)構(gòu)變形與吸氣閥片的固有頻率進行測試驗證，同時與千分表和有限元仿真結(jié)果對比，激光傳感器測試結(jié)果與千分表測試結(jié)果以及理論分析結(jié)果基本一致。

圖5 測試系統(tǒng)軟件界面

3.1 氣杠蓋與連桿大頭的位移量測試驗證

往復(fù)式壓縮機在壓縮氣體的時候，氣體分別給活塞以及閥組一對反作用力，如圖6所示，在氣體力的作用下，閥組連同氣缸蓋將會向遠離曲軸的方向發(fā)生微小位移，而活塞將會推動連桿向靠近曲軸的方向位移，兩者之差會在氣缸內(nèi)部產(chǎn)生余隙容積，從而降低壓縮機的制冷量。因此，在壓縮機開發(fā)測試過程中，需要準確測試缸蓋與連桿大頭在氣體力下的位移量，盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小這兩處變形。

圖6 施加在活塞和閥組上的氣體壓力

針對某一款往復(fù)式壓縮機，取出機芯結(jié)構(gòu)并固定在臺鉗上，連接排氣管與高壓氣瓶，將激光傳感器安裝在三軸升降臺上，通過升降臺微調(diào)使得激光測試點準確打到待測點上，注意測試過程中不能遮擋激光光線，連接激光傳感器信號端到數(shù)據(jù)采集卡，再將數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦USB口，實現(xiàn)軟件硬件的數(shù)據(jù)通信。實驗測試過程中，將排氣管逐漸充入3 MPa壓強的氣體，采用激光測試系統(tǒng)、千分表、有限元三種方法進行對比驗證。圖7為激光傳感器測試系統(tǒng)，圖8為應(yīng)用CAE軟件分析得到的曲軸箱變形云圖，圖9給出了三種方法測試結(jié)果的對比曲線。以千分表數(shù)據(jù)作為基準，激光法與千分表測試結(jié)果基本一致，偏差在5%以內(nèi)，有限元理論分析得到的數(shù)據(jù)作為間接驗證，與激光法和千分表法得到的數(shù)據(jù)偏差在10%左右。通過三種方法的對比，驗證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準確性。

圖7 激光位移傳感器測試氣缸蓋軸向位移

圖8 有限元分析氣體力作用下結(jié)構(gòu)軸向位移

圖9 激光法、千分表、CAE三種方法測試數(shù)據(jù)對比

圖10 激光位移傳感器測試吸氣閥片振動

圖11 吸氣閥片振動位移信號及其頻域分析程序界面

圖12 有限元分析吸氣閥片的基頻與對應(yīng)的模態(tài)

3.2 吸氣閥片的振動測試驗證

往復(fù)式壓縮機在運行過程中，其吸氣閥片不斷的開啟與閉合，頻率與曲軸旋轉(zhuǎn)頻率一致。為了使得閥片有好的跟隨性，同時避免引起共振，閥片一階固有頻率應(yīng)遠高于壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率。因此在閥片設(shè)計過程中，需要分析測試閥片的一階固有頻率，本文通過激光位移傳感器進行振動測試，同時用有限元方法進行模態(tài)分析，將兩者的結(jié)果進行對比驗證。圖10為激光傳感器測試閥片振動裝置，去掉壓縮機上其他多余的零件，只把閥片固定在機架上，激光探頭打在閥片中心，人為撥動閥片產(chǎn)生自由振動，通過激光測試系統(tǒng)獲取振動的位移信號（如圖11所示），再通過軟件分析得到其頻率，測試結(jié)果顯示該型號閥片基頻為168.9 Hz，有限元分析為162.8 Hz（對應(yīng)的模態(tài)如圖12所示），兩者基本一致（千分表無法測量振動）。分別對不同厚度的閥片進行實驗測試與理論分析，得到的數(shù)據(jù)如表1所示，激光測試與有限元分析偏差小于4%，從而驗證了激光傳感器應(yīng)用在壓縮機振動測試中的準確性與可行性。

表1 激光法與有限元法對比測試不同厚度閥片基頻

4 結(jié)語

本文主要建立了一套激光位移傳感器測試系統(tǒng)，并且應(yīng)用在往復(fù)式壓縮機的變形與振動測試中，通過與千分表和有限元結(jié)果的對比，驗證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準確性。對比千分表等傳統(tǒng)測試手段，激光位移測試系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢，如非接觸式、高精度（1 um）、可測試動態(tài)過程（振動）、可使用軟件實時記錄并分析數(shù)據(jù)等。而且，對比其他非接觸式測試方法，該系統(tǒng)成本很低。因此，在冰箱壓縮機開發(fā)與測試中應(yīng)用本文的激光位移傳感測試系統(tǒng)是可行的。