駱春勇 羅 健 周 剛
(中山長虹電器有限公司 中山 528427)
隨著人們生活水平的提高和消費(fèi)升級的需求,采用變頻壓縮機(jī)的白電產(chǎn)品(空調(diào)/冰箱)因其可變的運(yùn)行工況,低功耗、快速制冷以及實(shí)時動態(tài)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng),越來越受到消費(fèi)者的青睞,也成為高端白電產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。一般來講,變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍從 10-75 Hz。
相較于定頻壓縮機(jī),采用變頻壓縮機(jī)的白電產(chǎn)品一般運(yùn)行時間更長,以變頻空調(diào)為例,當(dāng)房間溫度達(dá)到要求后,會將壓縮機(jī)調(diào)至低轉(zhuǎn)速連續(xù)不斷的運(yùn)行,若房間溫度較高,又會以較高的轉(zhuǎn)速快速拉低溫,因此,變頻壓縮機(jī)對其支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了持續(xù)的、寬幅變化的激勵,因而更易產(chǎn)生共振,進(jìn)而產(chǎn)生較大的噪聲或者影響零部件的使用壽命。
因此,本文針對變頻壓縮機(jī)寬幅的運(yùn)行頻率,對其支撐結(jié)構(gòu)開展研究,研究其受到的激勵與響應(yīng)的關(guān)系,并運(yùn)用模態(tài)仿真的分析方法,分析其產(chǎn)品較大振動的原因,驗(yàn)證設(shè)計優(yōu)化的方法和方案。
白電產(chǎn)品的變頻壓縮機(jī)通過橡膠底角安裝在支撐底板上,支撐底板與外箱殼連接,部分制冷管路也與外箱殼有接觸,接觸部位均包裹有減振的橡膠綿。因此,壓縮機(jī)振動的主要傳遞路徑有兩條,分別為:①壓縮機(jī)-底角-支撐底板-箱外殼,②壓縮機(jī)-管路-箱外殼。
本文以某款白電產(chǎn)品的壓縮機(jī)支撐底板為例,分析振動/噪聲的產(chǎn)生原因。
首先,先對該款白電產(chǎn)品進(jìn)行噪聲測試,將其置于半消聲室中,在其四周布置多個聲級計,記錄其穩(wěn)定運(yùn)行噪聲,每次采集30 s,取其平均值。
由圖1噪聲測試數(shù)據(jù)可以看出,該產(chǎn)品在低頻帶存在較大噪聲,分析其可能與壓縮機(jī)振動較大有關(guān)。因此進(jìn)行掃頻測試,確定各運(yùn)行頻率噪聲大小,如圖2、圖3所示。
測試結(jié)果顯示,壓縮機(jī)在65-68 Hz范圍產(chǎn)生共振,噪聲較大。
在壓縮機(jī)頂部和側(cè)壁粘貼振動加速度計,測量壓縮機(jī)豎直方向和水平方向振動,具體如圖4 。
振動加速度測試結(jié)果與噪聲測試結(jié)果相吻合,壓縮機(jī)在65-68 Hz存在較大振動,因此,需要對壓縮機(jī)支撐底板展開測試分析。
在壓縮機(jī)支撐底板和箱外殼側(cè)壁面中心位置布置振動加速度計,測量結(jié)果如圖5 。
壓縮機(jī)支撐底板振動頻率與壓縮機(jī)振動、噪聲的主要頻率吻合,而箱外殼側(cè)壁面振動相對較小,因此可以判斷,壓縮機(jī)在65-68 Hz的振動傳遞至壓縮機(jī)支撐底板,引發(fā)較大的振動,致使該頻率運(yùn)行時,整機(jī)噪聲較大。
模態(tài)分析的實(shí)質(zhì),是一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,即以系統(tǒng)的各階主振型所對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來代替物理坐標(biāo)。該仿真模型是以壓縮機(jī)支撐底板為研究對象,建立其自由振動的運(yùn)動方程如下:
式中[M]為質(zhì)量矩陣,[C]為剛度矩陣,[K]為剛度矩陣。{x(t)}、{x&(t)}、{&x&(t)}和{f(t)}分別為位移、速度、加速度和激振力列向量。方程(1)傅里葉變換后系統(tǒng)動力學(xué)方程如公式(2)所示。
圖3 掃頻測試結(jié)果2
圖4 壓縮機(jī)振動加速度測試
圖5 壓縮機(jī)支撐底板測試
將物理坐標(biāo)換成模態(tài)坐標(biāo),即{X}=[ψ]{q},由振動理論知,對線性時不變系統(tǒng)即線性定常系統(tǒng),系統(tǒng)任一點(diǎn)響應(yīng)均可表示為各階模態(tài)響應(yīng)的線性組合。對第l測點(diǎn)的響應(yīng)如式(3)所示。
式(4)中[φr] 為第r階模態(tài)向量,反應(yīng)該階模態(tài)的振動形態(tài),由各階模態(tài)向量組成的矩陣稱為模態(tài)振型矩陣,記為[]:
用模態(tài)坐標(biāo)替代物理坐標(biāo)后,剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣都已經(jīng)對角化了,即解耦了,對應(yīng)r階有:
圖6 某型號壓縮機(jī)支撐底板模型
圖7 一階陣型
圖8 二階陣型
仿真模型采用實(shí)際的壓縮機(jī)支撐底板為模型,通過網(wǎng)格劃分、輸入物性參數(shù)、約束條件等進(jìn)行仿真,仿真模型如圖6,計算結(jié)果如圖7-9所示。
由仿真結(jié)果可知,該壓縮機(jī)支撐底板在二階模態(tài)與實(shí)際測試情況吻合,存在共振的可能。
試驗(yàn)?zāi)B(tài)是通過力錘激勵,比較測試點(diǎn)與激勵源的振動頻率,以確定零部件的模態(tài),對于該型號壓縮機(jī)支撐底板,其試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果如圖10。
壓縮機(jī)支撐底板的第一階和第二階固有頻率分別為29 Hz、62.1 Hz,與仿真結(jié)果接近,可由于實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)時,部分位置因裝配零部件的原因,無法進(jìn)行有效的激勵,因此,存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差。
由前文所述,壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率最高值為75 Hz,因此,需要壓縮機(jī)支撐底板的低階次固有頻率高于75 Hz,因此必須改變支撐結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和約束等參數(shù),具體方案為:增加底板厚度、增加凹槽深度、縮減寬度、底部增加支撐點(diǎn),具體方案如圖11。
圖9 模態(tài)階次表
圖10 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
圖11 優(yōu)化改進(jìn)方案
圖12 優(yōu)化方案第1、第2階陣型
圖13 優(yōu)化方案模態(tài)階次表
優(yōu)化后壓縮機(jī)支撐底板第一階固有頻率為115 Hz,遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行最高頻率,避免了共振。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,新壓縮機(jī)支撐底板振動幅值遠(yuǎn)小于原壓縮機(jī)支撐底板,隨著壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的提高,壓縮機(jī)支撐底板振動緩慢增加,無共振點(diǎn),減振效果明顯。整機(jī)聲功率降低約1.2 dB(A)。
壓縮機(jī)的振動主要由底角傳遞至壓縮機(jī)支撐底板,并由支撐底板傳遞至其他位置,產(chǎn)生噪聲。變頻壓縮機(jī)因其寬幅的運(yùn)行頻率,導(dǎo)致了原有的支撐底板設(shè)計會導(dǎo)致運(yùn)行過程中產(chǎn)生底板共振現(xiàn)象,顯著增加了產(chǎn)品的運(yùn)行噪聲,因此,需要通過改變約束、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度,使壓縮機(jī)支撐底板的一階頻率高于壓縮機(jī)的最大運(yùn)行頻率。
本文通過該方法,將一款白電產(chǎn)品運(yùn)行時振動降低,消除原結(jié)構(gòu)的共振頻率,降低整機(jī)運(yùn)行噪聲1.2 dB(A)。