碳纤维复合材料小型压缩机阀片性能试验研究

章国江，郑传祥，刘远峰，朱谷昌，吴嘉懿

（1. 杭州钱江压缩机有限公司，杭州 310013；2. 浙江大学，杭州 310027）

碳纤维复合材料小型压缩机阀片性能试验研究

章国江1，郑传祥2，刘远峰1，朱谷昌1，吴嘉懿2

（1. 杭州钱江压缩机有限公司，杭州 310013；2. 浙江大学，杭州 310027）

针对目前小型压缩机噪声大、阀片抗疲劳性能低等问题，优化设计并试制出碳纤维复合材料阀片以替代传统的金属材质阀片。研究结果表明，这种先进复合材料阀片可使压缩机噪声有较大幅度的下降，抗疲劳寿命有所提高。最后通过试验加以验证。

碳纤维复合材料；压缩机阀片；噪声；抗疲劳；试制；测试

0 引言

1 压缩机阀片受力分析

我国冰箱、空调制冷压缩机市场十分巨大，发展速度很快，压缩机作为制冷系统的核心部件之一，其可靠性和工作效率直接影响着整个制冷系统的工作，所以一直以来为各个家电制造业巨头所重视。小型压缩机目前存在噪声大，阀片抗疲劳性能低等问题[1～4]，试验采用碳纤维复合材料阀片替代传统的金属阀片，使压缩机的噪声有较大幅度的下降，阀片抗疲劳寿命有所提高，最后通过试验加以验证。

1.1 压缩机排气阀片静应力分析

阀片在实际工作中的受力情况是一个流固耦合问题[5]，而在静强度分析中，只需分析阀片所承受的最大的载荷。因此，如图1所示仅需对阀片施加位移边界条件，使阀片达到最大的位移位置，从而得到其所承受的最大应力强度[6]。考虑到阀片厚度方向上的尺寸远小于长度方向上的尺寸，为便于计算，将模型采用壳属性。通用商业软件Abaqus被用于计算四边形网格用于阀片的划分，节点数13 651，单元数13 563，如图2所示。

厚度为0.152 mm的排气阀片在上述边界条件下的应力强度云图如图3所示。可以得到阀片上的最大压力强度是265.3 MPa。

根据以上分析，可以看出最大应力位于阀片根部，因此可以看成是一个受到弯矩作用的阀片，经过计算，当阀片上作用4.192 3 N.mm的弯矩的时候，其最大应力与阀片应力相同，根据这个载荷，可以对阀片进行复合材料的优化设计。

1.2 碳纤维复合材料阀片的优化设计

由于阀片的受力近似于平板受到弯矩的作用，因此将以上弯矩作为设计载荷，对阀片进行优化设计，同时考虑到阀片的厚度不能与原来阀片厚度相差很大，因此选择（0°±φ）s的复合方式，每一层的厚度为0.07 mm，对材料为T300、T700碳纤维预浸树脂单向纤维，分别进行碳纤维复合材料的纤维分布角度和层数的优化设计，可以得出图4～5所示的随角φ变化的度安全设计曲线，其中R＞1的角度是均为安全可选用的角度。T300碳纤维只有很小角度（＜10°）的情况下才是可选用的；选用T700碳纤维可以满足任意角度φ，考虑到市场上材料的可获得性，因此选用（0°±45°）s作为阀片的纤维敷设角度，层数为6层[7～10]。

图1 阀片所受约束和载荷

图2 阀片的网格划分

图3 阀片应力强度云图

最后得到试制的样品如图6所示。

2 试验研究与讨论

2.1 实验测试台结构与原理

图4 0°(0°±φ)s T300碳纤维安全设计曲线

图5 (0°±φ)s T700碳纤维安全设计曲线

图6 碳纤维复合材料阀片样品

按照GB/T5733-2004《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》，采用第二制冷剂量热法设计试验装置，试验台主要由电量热器、水冷却系统和压缩机组成。采用电量热器法，它的基本原理是利用电加热器发出的热量来抵消压缩机的制冷量，从而达到平衡[11～14]。图7为压缩机性能测试台原理图，图8为压缩机性能测试台。

2.2 测试结果与讨论

在该试验台上分别对压缩机的制冷性能和噪声进行了测试，测试结果为COP值1.85，与传统Sandvik金属阀片相比基本相同，噪声为61 dB与传统金属阀片相比降低4 分贝。由于复合材料阀片与金属阀体的表面贴合略差于金属与金属的贴合度，而碳纤维复合材料表面无法进行打磨，因此导致制冷效率略有下降。同时由于碳纤维复合材料与金属的碰击声音要小于金属与金属碰撞引起的噪音，所以噪音有了较大幅度的下降[15～18]。

图7 压缩机性能测试台原理图

图8 压缩机性能测试台

3 结论

针对目前小型压缩机存在噪声大、阀片抗疲劳性能低等问题，本研究提出采用碳纤维复合材料阀片替代传统的金属阀片，这种高强度复合材料可以使压缩机的噪声有较大幅度的下降，阀片抗疲劳寿命有所提高，最后通过试验加以验证。测试结果为COP值1.85，与传统Sandvik金属阀片相比基本相同，噪声为61 dB，与传统金属阀片相比降低降低4 dB。由于复合材料阀片与金属阀体的表面贴合略差于金属与金属的贴合度，而碳纤维复合材料表面无法进行打磨，因此导致制冷效率略有下降。同时由于碳纤维复合材料与金属的碰击声音要小于金属与金属的碰撞，所以噪音有了较大幅度的下降。

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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

章国江（1957-），男，杭州人，高级工程师，主要从事压缩机研究；通讯作者：郑传祥，教授，博士，主要从事复合材料结构设计与强度计算，(电子信箱)zhchx@zju.edu.cn。