冰箱管路系統(tǒng)的振動(dòng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

鮑 敏 李乾坤 馬長(zhǎng)州 張 波 王 瑤

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著人們生活水平提高，對(duì)冰箱噪聲也越來(lái)越關(guān)注。對(duì)于冰箱來(lái)說(shuō)，主要噪聲包括結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲，結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲主要是壓縮機(jī)振動(dòng)通過(guò)底板、管路向箱體傳遞，管路振動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致管路疲勞破壞以及產(chǎn)生各種噪聲，影響產(chǎn)品的可靠性和舒適度，故壓縮機(jī)管路設(shè)計(jì)非常重要。張奎、朱小兵等開(kāi)展冰箱管路減振研究，在排氣管側(cè)進(jìn)行吸振器設(shè)計(jì)，排氣管振動(dòng)改善明顯，低頻噪聲明顯降低[1]。周更生、張磊等研究冰箱壓縮機(jī)配管研究，優(yōu)化配管結(jié)構(gòu)，共振頻率聲壓級(jí)降低，同時(shí)減小配管的長(zhǎng)度[2]。方文杰、李忠華等研究管路壓力脈動(dòng)，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)管道壓力脈動(dòng)進(jìn)行仿真，優(yōu)化后管道對(duì)冰箱低頻噪聲有較大改善[3]。劉劍華、鄭志輝等研究研究壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)同步引起與之連接的吸氣管和排氣管振動(dòng)，分析配管振動(dòng)及應(yīng)力[4]。

目前我司市場(chǎng)反饋某型號(hào)風(fēng)冷冰箱管路振動(dòng)較大的維修量比例高，本文以該變頻冰箱為例，研究管路振動(dòng)較大的根本原因，通過(guò)模態(tài)仿真結(jié)合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確定管路振動(dòng)異常根本原因——管路產(chǎn)生共振[5]。通過(guò)對(duì)管路結(jié)構(gòu)及配重塊進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比分析各種方案減震效果，確定管路設(shè)計(jì)方案，并完成大批量試制驗(yàn)證。

1 冰箱管路模態(tài)分析

1.1 三維模型

壓縮機(jī)管路系統(tǒng)，包括吸氣管和排氣管，排氣管采用一個(gè)配重塊減振，因此本文以某冰箱壓縮機(jī)、吸氣管、排氣管、配重塊及壓縮機(jī)腳墊為研究對(duì)象，為便于計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，管路三維模型保持與實(shí)物一致，建立其三維幾何模型如圖1所示。

1.2 模態(tài)仿真

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種方法，一般應(yīng)用在工程振動(dòng)領(lǐng)域。其中，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析這些模態(tài)參數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析[6]。

根據(jù)模態(tài)理論，模態(tài)多自由度系統(tǒng)模態(tài)分析與模態(tài)參數(shù)：

式中：

[M]為床身質(zhì)量矩陣；

[K]為剛度矩陣；

解得，其特征方程為：

式中： f為系統(tǒng)的固有頻率。

將幾何模型導(dǎo)入仿真軟件，對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行有限元數(shù)值仿真，有限元模型建立如圖2。

提交分析，計(jì)算得到管路系統(tǒng)的固有頻率及振型，前20階固有頻率如表1。

由表可知，前3階固有頻率與壓縮機(jī)工作頻率較為接近，存在共振的風(fēng)險(xiǎn)。

2 振動(dòng)測(cè)試

根據(jù)需求，對(duì)壓縮機(jī)、吸氣管、排氣管分別布加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，管路質(zhì)量較小，因此必須采用較小質(zhì)量的加速度傳感器測(cè)試，管路質(zhì)量要大于10倍傳感器質(zhì)量，此時(shí)傳感器質(zhì)量造成振動(dòng)結(jié)果的影響才可以忽略。由于制冷劑的流動(dòng)，管路振動(dòng)不是單向的，因此管路布置三向加速度傳感器，同時(shí)測(cè)試管路3個(gè)方向的振動(dòng)大小。壓縮機(jī)自動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)速?gòu)? 200-4 500-1 200 r/min循環(huán)，測(cè)試吸氣管和排氣管振動(dòng)結(jié)果如下圖3、圖4。

由測(cè)試結(jié)果可看出，吸氣管Z向振動(dòng)較小，X/Y方向在70～75 Hz振動(dòng)明顯變大，突變明顯；74 Hz，壓縮機(jī)頂部最大振動(dòng)0.15 m/s2，管路——3.5 m/s2；

排氣管Y向振動(dòng)較X/Z向變化較大，在 58 Hz附件，壓縮機(jī)頂部——0.25 m/s2，但管路Y向——12 m/s2，管路模態(tài)仿真第二階頻率57.6 Hz，存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

3 優(yōu)化方案

3.1 管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 回氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

壓縮機(jī)吸氣管設(shè)計(jì)為S彎、減振圈形狀，避免對(duì)管路對(duì)壓縮機(jī)的拉扯力，使得壓縮機(jī)自由狀態(tài)；模態(tài)仿真結(jié)果顯示S彎固有頻率和原狀態(tài)變化不大，回氣管優(yōu)化方案確定為S彎狀。

圖1 管路系統(tǒng)三維模型

圖2 管路系統(tǒng)有限元模型

表1 管路模態(tài)分析結(jié)果

3.1.2 排氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

排氣管Y向振動(dòng)突變明顯，降低Y向振動(dòng)是優(yōu)化重點(diǎn)，對(duì)排氣管結(jié)構(gòu)分析，排氣口靠近壓縮機(jī)位置管路為一直線，易造成振動(dòng)大，增加排氣管靠近壓縮機(jī)處剛度，同時(shí)可降低對(duì)壓縮機(jī)拉扯力，采用豎彎、S彎和圓圓等形式，建立三維幾何模型，并進(jìn)行模態(tài)仿真，計(jì)算各種狀態(tài)的固有頻率。

模態(tài)仿真結(jié)果顯示前4階固有頻率差別不大，高階固有頻率優(yōu)化后比原狀態(tài)大，管路的剛度提高，振動(dòng)降低，根據(jù)分析，最終排氣管方案采用豎彎。

圖3 吸氣管X/Y/Z三方向振動(dòng)

3.2 配重塊位置優(yōu)化

圖4 排氣X/Y/Z三三方向振動(dòng)

圖5 吸氣管優(yōu)化方案

確定了回氣管和排氣管結(jié)構(gòu)，對(duì)配重塊質(zhì)量、配重塊數(shù)量及安裝位置進(jìn)行優(yōu)化；制定優(yōu)化方案，并制作不同質(zhì)量配重塊的樣件，具體如表2。

根據(jù)分析及測(cè)試，配重塊里面添加有鐵粉，硬度也較大，減振效果不理想，確定最終方案——取消配重塊設(shè)計(jì)。

3.3 振動(dòng)測(cè)試

圖6 排氣管優(yōu)化方案

圖7 排氣管優(yōu)化方案模態(tài)分析結(jié)果

表2 配重塊優(yōu)化方案

對(duì)以上優(yōu)化方案制作樣件，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可靠性，回氣管、排氣管管路布置三向加速度傳感器，同時(shí)測(cè)試管路3個(gè)方向的振動(dòng)大小。壓縮機(jī)自動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)速?gòu)? 200-4 500-1 200 r/min循環(huán)，和原狀態(tài)管路振動(dòng)對(duì)比結(jié)果如下圖8，圖示紅色線為原狀態(tài)振動(dòng)曲線，綠色為方案優(yōu)化后振動(dòng)曲線。

優(yōu)化后Y向振動(dòng)明顯降低，最大振動(dòng)降低75 %， Z向振動(dòng)有所降低，最大振動(dòng)降低67 %，X向最大振動(dòng)不變。

3.4 批量驗(yàn)證

樣機(jī)測(cè)試樣本較少，考慮到管路整形及箱體一致問(wèn)題，將本優(yōu)化方案進(jìn)行大批量試制驗(yàn)證，并抽檢800臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，未見(jiàn)振動(dòng)異常的情況（以往統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)老狀態(tài)管路異常振動(dòng)概率8 %），X/Y/Z三方向平均降低50 %以上，從根本上解決冰箱管路振動(dòng)異常的問(wèn)題，同時(shí)降低管路平均振動(dòng)。

圖8 優(yōu)化前后振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某款小風(fēng)冷冰箱管路為例，設(shè)計(jì)不同回氣管、排氣管、配重塊優(yōu)化方案?；谀B(tài)分析及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了管路形狀、配重塊質(zhì)量及位置對(duì)振動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)比分析可知：

1）研究冰箱管路系統(tǒng)，用模態(tài)分析理論指導(dǎo)管路設(shè)計(jì)，對(duì)冰箱成本、開(kāi)發(fā)周期的縮減以及產(chǎn)品品質(zhì)的改善意義重大；

2）針對(duì)不同的壓縮機(jī)和箱體，存在一致性問(wèn)題，因此需通過(guò)大批量驗(yàn)證，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論統(tǒng)計(jì)振動(dòng)平均值及異常情況，最終證明方案的可行性。