管翅式换热器气压胀接铜管与密封圈拉脱力研究

刘雪涛，宋忠义，杨庆勇，林高伟，彭岗举，蒋占四，

(1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004；2.珠海华星智能技术有限公司，广东珠海 519000)

0 前言

在资源节约型和绿色发展的新时代背景下，对空调的低功耗、高效能要求越来越高，引发空调行业间的竞争越发激烈。家用空调器的重要、核心部件是换热器。当下市场上的家用空调器通常采用管翅式换热器，由内螺纹铜质换热管和亲水铝箔翅片组成。目前国内主流生产加工设备是机械式胀管机或基于机械式胀管机改进而来的微收缩胀管机。但机械胀管采用胀管芯轴硬力使内螺纹铜管发生局部塑性变形，存在内螺纹损伤、设备耗材、铜管浪费等工艺性问题。超高压流体胀管技术可使铜管发生均匀塑性变形，性能稳定，技术先进。液压胀接技术采用高压液体充入管子内部，利用不同的液体压力、液压力加载路径、保压时间等方法对管子进行均匀胀接，而气压胀接技术则是将高压气体充入铜管内部，采用一定的加压方式和保压时间对管径进行胀接，2种高压流体胀接技术均涉及到密封性问题和密封圈拉脱力可靠性分析问题，此为关键一环。颜惠庚和李培宁研究了轴向载荷对液压胀接接头残余接触压力分布的影响，推导出接头最大理论拉脱强度的表达式。段成红和钱才富通过试验和有限元分析研究了换热器液压胀接拉脱力大小和失效形式；研究表明:在拉力作用下，胀接接头的破坏主要是管子与管板接触面间的拉脱破坏。胡玉红等进行高温下换热器管板胀接接头的拉脱实验研究；当温度在100 ℃内,拉脱力随温度升高显著增大、受胀管率影响较大。李文静等设计了一种换热器拉脱力检测装置并进行仿真分析对比，经过仿真研究分析检测换热器拉脱力是否处于合格范围，为换热器拉脱力仿真分析提供方法和思路。杨建强等对某转向外拉杆极限拉脱力进行仿真分析与试验验证仿真，结果表明:设计的转向外拉杆的极限拉脱力满足设计要求，外拉杆符合使用要求。类似地，管子与管板之间的拉脱力分析相关研究还包括李莺歌等、倪鹏等人、盛国福等各位学者的研究，研究结论均能对后续业内学者对铜管与换热器进行拉脱力研究时提供文献资料查询和技术支持。

气压式胀管机主要采用30 MPa超高压流体使铜管发生塑性变形，翅片发生弹性变形。当工件泄压后，铜管塑性变形不回弹，而翅片发生弹性变形回弹，从而使铜管和翅片发生过盈配合，保证在此过程中密封圈和铜管间的配合达到密封性、可靠性、稳定性要求。以气压胀接技术中铜管与胀接气嘴支架缸体间的接触配合问题为依据，通过理论研究、仿真分析、试验验证，系统地研究在管翅式换热器气压胀管时，聚氨酯密封圈和TP2铜管之间的拉脱力大小，确保在气胀过程中主要部件间的密封性、可靠性、稳定性。

1 理论分析

1.1 问题描述

空调换热器内螺纹铜管和铝箔翅片气压式胀接技术涉及到高压气体的密封、铜管和胀管气嘴接头处的抱紧力(拉脱力)是否符合安全使用需求、高压下密封圈的可靠性及使用寿命等问题，是确保气压胀接工作正常进行和提升效率的重要方面。在现有与企业合作的气压胀接设备中，该问题虽然已经通过工程师的经验初步解决，但仍需要对拉脱力等问题进行理论分析、仿真研究及简化模型的试验验证，确保后期气胀机操作人员的安全和明确重要部件的可靠性。

简化模型如图1所示，模型由3个零件组成：铜管(TP2紫铜)、密封圈(聚氨酯)和支架缸体(结构钢)；铜管和密封圈的接触设置为有摩擦接触，摩擦因数设定为0.2，铜管与支架缸体的接触设置为无摩擦接触，密封圈与缸体的接触设置为有摩擦接触，摩擦因数设定为0.2。给定密封圈一个压力，大小在1 500～2 000 N之间，测量密封圈在不同压缩量下，对应的拉脱力值。

图1 原理分析

1.2 理论分析

由图1可知:铜管的密封拉力本质上等同于铜管与密封圈的摩擦力。铜管与密封圈的接触面存在摩擦关系，密封圈对铜管的抱紧力越大，铜管的密封拉力越大。密封圈上下2个端面及周围外壁均有限制，其中一个端面受到压力的作用，另一端面与套筒顶部接触，密封圈受压后被限制住，密封圈的周围外壁同样被套筒限制。因此对密封圈施加压力越大，密封圈的压缩量越大，其对铜管的抱紧力越大，所需的拉脱力也就越大。

试验状态下：密封圈外圈端面面积：=π=3.14×5.5mm=94.985×10m；密封圈内圈端面面积：=π=3.14×3.5mm=38.465×10m；密封圈受压面积：=-=94.985-38.465=56.52mm。公式=,式中：为压力；为施加力；为受压面积。当密封圈端面受到1 000、1 500、2 000 N的施加力时，转换成密封圈的压力分别为17.69、26.54、35.39 MPa。

2 仿真分析

2.1 有限元建模

SolidWorks软件设计仿真模型并导入ANSYS Workbench中进行静力学有限元分析，模型由3个零件组成:铜管(TP2紫铜)、密封圈(聚氨酯)和支架缸体(结构钢),简化模型2D图的主要几何尺寸和等轴侧视图如图2所示，零件材料属性参数如表1所示。

图2 简化模型

表1 模型零件材料属性

2.2 单元类型及网格划分

在固定密封圈施加力为1 500 N时，分别设置网格大小为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 mm，查看网格划分情况(以覆盖两层网格线为标准，施加1 500 N、密封圈0.5 mm网格云图如图3所示)，及查看对应的铜管受到的最大力、密封圈的压缩量等数据，如表2所示。可知：网格大小在1～0.4 mm之间对于密封圈压缩量大小几乎没有影响，对于铜管受力的影响也不大，因此最终确定选用0.5 mm网格作为有限元仿真试验的网格单元大小，整体网格划分如图4所示。因模型简单，3个零件的单元类型全部设置为三维六面体网格。网格划分后的全部单元节点为122 592，全部单元数为64 347，全部体单元数为47 392。

图3 施加1 500 N密封圈0.5 mm网格云图

表2 不同网格划分对比

图4 整体划分0.5 mm网格单元

2.3 边界条件及载荷分析

Frictionless用于模拟无摩擦的单边接触。所谓单边接触，一旦2个物体之间出现了分离，则法向力就为零。因此当外力发生改变时，接触面之间可能会分开，也可能会闭合。这种情况下假设摩擦因数为零，即当发生切向相对滑动时，没有摩擦力。

Frictional：有摩擦的接触。这是最实际的情况，2个接触面之间既可以法向分离，也可以切向滑动，当切向外力大于最大静摩擦力后，发生切向滑动。一旦发生切向滑动后，会在接触面之间出现滑动摩擦力，该滑动摩擦力要根据正压力和摩擦因数来计算，此时需要用户输入摩擦因数。

此模型分析中，铜管和密封圈之间的接触类型为Frictional，摩擦因数为0.2；铜管和支架缸体之间的接触类型为Frictionless；密封圈和支架缸体之间的接触类型为Frictional，摩擦因数为0.2。ANSYS有限元分析中，铜管和支架缸体的边界条件设置为固定支承，对密封圈施加1 500～2 000 N的压力，求铜管的固定支承产生的支座反力如图5所示，数值大小如图6所示，支座反力大小即为抱紧力的大小。

图5 有限元分析支座反力

图6 支座反力数值大小

2.4 有限元分析结果

有限元仿真分析结果汇总如表3所示，可知：当密封圈受力为1 500～2 000 N范围时，网格大小统一设置为0.5 mm，随着密封圈受到的压力逐渐增加，铜管受到的最大力和密封圈的压缩量也呈现逐步增加的趋势，仿真分析符合实际情况。

表3 有限元分析结果统计

3 试验分析

3.1 试验方案

在气压式空调换热器铜管和翅片的实际胀接工况中，用于气胀的高压气体气路分为两路:一路用来充入铜管内部，使其产生的高压流体对铜管进行均匀胀管;另一路高压气体作用于推力杆上，产生使密封圈抱紧铜管的作用力。两路气体同时作用方可进行气压胀接操作。套筒内部和铜管处存在高压气体，密封圈受到高压气体产生的压力对推力杆作用的推力。密封圈受压时，铜管内部有高压气体反作用于铜管内壁抵抗密封圈对铜管的抱紧力，使得铜管不会发生破坏。

故在此简化试验模型中，此次试验采用一个推力来模拟高压气体对密封圈产生的压力。由于试验中铜管内部没有高压气体作用于铜管内壁抵抗密封圈因受压产生的抱紧力，若直接采用中空铜管进行试验，铜管会产生受压破坏失效，如图7所示。因此采用一个直径为7 mm的铜棒(材质相同)，代替实际的7 mm铜管，为了尽可能还原实际工况，采用图8所示的试验原理。推力杆对密封圈施加一个推力代替压力，当预设一个推力大小(由推力传感器实时测量)并且达到稳定时，密封圈受到推力杆产生的推力受压变形抱紧铜棒，此时产生密封圈对铜棒的抱紧力，再对铜棒施加一个用来拉脱铜棒与密封圈的拉力(由拉力传感器实时测量)，随着拉力的增大，当大于等于密封圈与铜棒的最大静摩擦力时，铜棒发生移动，密封圈与铜棒的摩擦力由静摩擦力转变为滑动摩擦力，随着铜棒的移动，铜棒与密封圈的接触面积越来越小，拉力也越来越小。

图7 铜管受压破坏失效 图8 试验原理

3.2 试验步骤

根据试验方案设计如图9所示的试验平台。

图9 试验平台

图9(a)为设计试验平台的三维模型，图9(b)为实际操作试验平台。试验中的推力和拉力分别用力传感器测量大小，传感器通过连接东华测试仪，再运用测试系统软件对推力和拉力传感器进行力的信号采集，采集频率为100 Hz。具体试验步骤：

(1)试验装置台的搭建。铜棒与密封圈、推力杆及套筒等按照三维模型搭建装配好，力传感器分别与东华测试仪通道1和通道9相连接。

(2)力的施加与采集。通过推力施加器(如千斤顶)施加推力给密封圈，的大小根据力传感器确定，待达到目标值大小后，对传感器进行信号采集。通过装置上方的拉力施加器(如旋转手轮)对铜棒施加一个拉力，当铜棒完全脱离密封圈后，结束信号采集。

(3)试验数据导出。通过东华测试仪导出采集的推力和拉力信号，并用MATLAB显示数据图像信号。

3.3 试验结果分析

按照上述试验步骤，做多组不同推力下的拉力试验。理论上，在密封拉力施力到铜棒被拉出的过程中，所采集到的密封拉力信号近似一个矩形脉冲信号。铜棒有一小段长度是伸入密封圈里面，当密封拉力达到最大静摩擦力时，铜棒开始移动，此时铜棒与密封圈内圈接触面积不变，密封拉力一段时间保持不变;随着铜棒的移动距离增大，铜棒与密封圈内圈接触面积变小，密封圈与铜棒脱离的部分变形加剧，抵消掉一部分推力，所以推力逐渐变小，密封拉力随着接触面积的减小也逐渐变小。

重复共计近50组的推力拉力测试试验，图10所示为其中4组试验数据用MATLAB图表显示的推力拉力关系图。可以看出：试验数据与理论分析较吻合，与仿真分析数据较匹配，仿真分析存在理想化误差，试验存在系统误差，测试平台多为人为操作，故存在人为因素误差。但综合考虑，此次自设平台试验结果较为满意。

图10 推力拉力关系

4 结论

在空调管翅式换热器气压胀接技术上，密封圈和铜管抱紧力的确定是十分重要的一个环节。采用此次研究的简化模型进行仿真分析并通过改进试验平台对其进行试验验证，从而在理论和试验中确定了抱紧力的大小，为工程应用提供了数据支撑。

试验平台装置较为简单，存在一些误差是可以接受的，试验中推力和拉力的施加没有采用匀速旋转加力装置，可改进方面很多，但通过此试验平台，仍完成了此次研究的试验分析。

在此基础上，为了推进换热器气胀技术的研发和工程应用，还需对密封圈的性能问题，如使用寿命等，作进一步的研究，即使不采用此次研究的模型进行气胀机设计，目前研究热门的小管径高压流体的均匀胀管仍避免不了密封相关问题的分析。