基于固有頻率的冰箱排氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃文才 王利亞 江俊 李語亭 鐘澤 胡海宏

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)水平不斷地提升了人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求，各種高端家電產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，成為了家庭生活中必不可少的存在，冰箱作為其中的一員，與人們的生活緊密相關(guān)。越來越多的功能化、高端化需求已經(jīng)成為決定人們購(gòu)買意愿的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)品的性能優(yōu)點(diǎn)也成為人們?cè)u(píng)價(jià)產(chǎn)品的一個(gè)維度，靜音冰箱就是當(dāng)今人們對(duì)人性化設(shè)計(jì)的追求之一。

冰箱作為全天候運(yùn)行的設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)的特性，其內(nèi)部各部件功能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的噪聲。其中冰箱噪聲主要包括管路共振噪聲、冷媒波動(dòng)噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲、壓縮機(jī)噪聲等幾方面，而管路噪聲作為機(jī)械室主要噪聲源之一，一直以來都是研究的重點(diǎn)。趙穎[1]等人通過對(duì)原排氣管路進(jìn)行了氣流脈動(dòng)和管路振動(dòng)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管路振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過增加脈動(dòng)衰減器，改變排氣管路布置，增加支撐結(jié)構(gòu)管等措施對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行改造從而降低了管路振動(dòng)；張占義[2]等人采用測(cè)振儀對(duì)螺桿式壓縮機(jī)排氣管現(xiàn)場(chǎng)采集多點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，并利用建模軟件對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行建模和模態(tài)分析，獲得管道的固有頻率和振型、流體軌跡，進(jìn)而找出了引起壓縮機(jī)排氣管強(qiáng)烈振動(dòng)的關(guān)鍵性原因是氣流脈動(dòng)和管道共振，經(jīng)改進(jìn)后使振動(dòng)幅度大大降低；鮑敏[3]等人對(duì)壓縮機(jī)管路進(jìn)行模態(tài)仿真，獲得壓縮機(jī)管路振動(dòng)特性，對(duì)壓縮機(jī)管路進(jìn)行優(yōu)化，并確定最終改進(jìn)方案，通過驗(yàn)證管路平均振動(dòng)降低50%以上；馬堅(jiān)[4]等人通過測(cè)試獲得壓縮機(jī)工作工況下的主要激勵(lì)頻率，結(jié)合有限元仿真軟件對(duì)冰箱管路進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，模態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化管路走向會(huì)改變其固有頻率，進(jìn)而避開壓縮機(jī)共振區(qū)；鄧向濤[5]等人綜合運(yùn)用仿真優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)分析等方法，針對(duì)冰箱機(jī)械室共振問題提出了改善方案，成功解決了冰箱低頻噪音大的問題。但是，針對(duì)于排氣管本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究較少，同時(shí)尚未從去掉減振錘的角度進(jìn)行減振降噪研究。

根據(jù)2020年冰箱用戶體驗(yàn)調(diào)研，冰箱的管路共振噪音在固有聲源噪聲中排在前列，用戶投訴的重點(diǎn)主要集中在機(jī)械室的壓縮機(jī)噪聲，而實(shí)際走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)機(jī)械室的噪聲主要來源于管路共振噪聲。由于運(yùn)輸及人工安裝過程中存在不合理的操作易造成管路變形及碰撞，從而導(dǎo)致共振噪聲的問題，其中管路的結(jié)構(gòu)變形是最重要的原因，因此對(duì)排氣管結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是本次研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)。管路減振降噪的一般措施是在管路的相應(yīng)位置施加減振錘來規(guī)避共振帶，但減振錘的存在無疑增加了相應(yīng)的成本。因此針對(duì)排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化解決管路共振噪聲是本文研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)某款對(duì)開門冰箱的排氣管路進(jìn)行機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究，得到了管路共振噪聲的問題要點(diǎn)，通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣管路結(jié)構(gòu)，結(jié)合仿真分析，使管路達(dá)到有減振錘的減振降噪效果，為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。

管路共振的本質(zhì)是壓縮機(jī)啟動(dòng)工作中，由于電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到冰箱外殼或管路而引起的同頻振動(dòng)[6]。通常為減小壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)噪音，壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)是由彈簧固定的，并且壓縮機(jī)的固定也采用橡膠支撐，已經(jīng)起到了很好的減振效果。排氣管路作為冰箱壓縮機(jī)配管，是連接壓縮機(jī)與冷凝器等重要構(gòu)成部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性一直都是影響配管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素[7]。

解決冰箱管路共振問題主要是使排氣管路的固有頻率避開壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，減小管路振動(dòng)幅度。采用減振錘的措施可以大幅度降低管路的振動(dòng)幅度，降低管路的振動(dòng)頻率，從而達(dá)到避開共振頻率點(diǎn)的目的。這種方法的不足主要是在生產(chǎn)工藝中減振錘的安放位置容易因人為操作導(dǎo)致偏差，同時(shí)減振錘的存在也會(huì)增加成本預(yù)算?；诖?，本文通過我司某型號(hào)冰箱管路進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明所建排氣管路模型的合理性，基于仿真固有頻率和振動(dòng)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使新設(shè)計(jì)的排氣管路達(dá)到原有性能效果。

2 冰箱壓縮機(jī)管路共振分析

管路共振噪聲是機(jī)械室噪聲的主要來源之一，其主要激勵(lì)源為壓縮機(jī)的振動(dòng)，壓縮機(jī)通過橡膠墊安裝在壓縮機(jī)安裝底板上，壓縮機(jī)通過吸氣、排氣管路等與冰箱箱體相連。

壓縮機(jī)啟動(dòng)是通過內(nèi)部電機(jī)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)簡(jiǎn)諧激勵(lì)，振動(dòng)能量進(jìn)而傳遞到壓縮機(jī)外表面殼體，殼體則將振動(dòng)能量傳遞到機(jī)械室管路上，最后傳給箱體產(chǎn)生噪聲輻射。排氣管管路形狀相對(duì)復(fù)雜，對(duì)壓縮機(jī)管路共振影響較大。

當(dāng)前某款冰箱型號(hào)排氣管的管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用以下特征，如圖1所示，管路激勵(lì)源主要集中體現(xiàn)在壓縮機(jī)與管路接口端，同時(shí)其也作為約束端，最大振動(dòng)點(diǎn)則為豎直方向的最遠(yuǎn)端，最遠(yuǎn)端管路振動(dòng)大小決定著管路一階固頻特征分布。

本文采用建模仿真方法對(duì)排氣管路三進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于固有頻率測(cè)試分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證得出最佳管路設(shè)計(jì)方案。

圖1 管路特征

3 冰箱壓縮機(jī)管路仿真分析

3.1 排氣管管路模型的建立

針對(duì)我司某款型號(hào)的冰箱壓縮機(jī)排氣管路進(jìn)行建模分析，實(shí)際管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，該排氣管主要特征為在相應(yīng)的位置上施加了四個(gè)減振錘，具體位置如圖2所示。

圖2 排氣管管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次研究結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行建模仿真，借助模擬仿真軟件能夠從設(shè)計(jì)端進(jìn)行方案的優(yōu)化分析，查尋方案的問題點(diǎn)，從而可以避免方案設(shè)計(jì)的盲目性。本次采用仿真軟件中的模態(tài)仿真模塊，模態(tài)仿真是針對(duì)材料固頻及剛度等固有屬性進(jìn)行研究分析，通過將設(shè)計(jì)的管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽殼處理，導(dǎo)入軟件模塊中設(shè)置激勵(lì)源及物性材料參數(shù)從而進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析。

本次模擬研究的重點(diǎn)是針對(duì)排氣管管路固有頻率分布特征，進(jìn)行管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也考慮仿真工作的計(jì)算復(fù)雜性，在排氣管管路兩端設(shè)置好相應(yīng)的約束邊界條件，以滿足實(shí)際壓縮機(jī)、箱體以及減振錘對(duì)管路的約束影響，排氣管采用的是鋼材料，具體參數(shù)如表1所示。

表1 排氣管主要物性參數(shù)

同時(shí)在管路相應(yīng)位置處施加相同大小的減振錘，將建立好的模型導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行模擬分析，管路采用殼單元，單元大小為1 mm，減振錘采用四面體結(jié)構(gòu)，單元大小為2 mm，在管路管口兩端施加固定約束，在減振墊與管路接觸處施加碰撞約束。可得固有頻率仿真結(jié)果如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)我司某一款冰箱機(jī)械室的排氣管管路共振問題的研究，對(duì)裝配狀態(tài)下的管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，獲取排氣管管路的相關(guān)參數(shù)。采用錘擊法對(duì)排氣管進(jìn)行激勵(lì)固有頻率測(cè)試，通過智能數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備對(duì)回氣管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)通過單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的方法，在排氣管不同測(cè)點(diǎn)處分別布置加速度傳感器，同時(shí)選定激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行敲擊，通過加速度傳感器獲得輸出響應(yīng)變化曲線，從而得到管路的固有頻率分布，如圖4為實(shí)際加速度傳感器布點(diǎn)測(cè)試。

圖3 有減振錘—排氣管管路固有頻率仿真分析

圖4 實(shí)驗(yàn)排氣管固有頻率激勵(lì)采集

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的排氣管路頻響函數(shù)變化如圖5所示，主要分析50 Hz以下的各階振動(dòng)固有頻率，從中進(jìn)行提取相應(yīng)的固有頻率，一般取低階測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 排氣管頻響函數(shù)曲線

表2 排氣管固有頻率實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

3.3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

將實(shí)際測(cè)試得到的固有頻率結(jié)果與模擬仿真測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，對(duì)比仿真模擬固有頻率結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到的仿真固有頻率結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分接近，各階固有頻率誤差均在8%以內(nèi)，仿真精度達(dá)到要求，由此說明該模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)方案設(shè)計(jì)提供可靠性基礎(chǔ)驗(yàn)證。

同時(shí)為了凸顯減振墊在此管路的作用特征，需將減振錘去掉，再對(duì)排氣管管路進(jìn)行模擬仿真分析，得到仿真結(jié)果圖6所示。

圖6 無減振錘—排氣管路固有頻率仿真分析

將所得模擬仿真結(jié)果記錄如表3所示。

表3 排氣管模擬仿真固有頻率

由表3可知，在排氣管上沒有減振錘時(shí)，排氣管管路固有頻率較高，引起管路共振的風(fēng)險(xiǎn)也就越高；施加減振錘后，管路的固有頻率得到優(yōu)化，整體固有頻率減小，從而在很大程度上降低了共振概率。

3.4 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于上述仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，針對(duì)此排氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到去掉減振錘的同時(shí)保持管路原有性能不變的目的。管路的固定約束端位置保持不變，結(jié)合固有頻率仿真分析結(jié)果，排氣管一階振動(dòng)主要集中在上下方向上，故需要將此作為優(yōu)化方向。通過不斷設(shè)計(jì)和分析，可得改后管路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

將所得排氣管結(jié)構(gòu)方案導(dǎo)入模擬仿真軟件中，所有的邊界條件如上文所述，整體管長(zhǎng)保持不變，將減振錘去掉，可得仿真結(jié)果如圖8所示。

將得到的仿真結(jié)果與原方案模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得表4，由表可知，新的排氣管固有頻率與原有減振墊管路結(jié)果十分接近，誤差率在3%以下，而且一階固有頻率結(jié)果誤差僅在0.063%，同時(shí)去掉減振墊，節(jié)約了預(yù)算成本，由此證明該設(shè)計(jì)方案的有效性。

圖7 排氣管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖8 排氣管模擬仿真結(jié)果

圖9 管路方案制作樣件及組裝效果

圖10 方案前后噪音頻譜特征對(duì)比圖

表4 新方案與原方案仿真果對(duì)比

綜合以上方案對(duì)比分析結(jié)果，對(duì)優(yōu)化的方案進(jìn)行實(shí)際制作樣件，驗(yàn)證其實(shí)際特征值變化，如圖9所示為管路方案樣件，對(duì)所制作的管路樣件進(jìn)行組裝，對(duì)其進(jìn)行噪音測(cè)試可得如圖10所示頻譜特征圖，從頻譜特征圖可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的噪音有明顯下降，主要集中在壓縮機(jī)基頻段，證實(shí)了方案的可行性。

依據(jù)以上模擬仿真及測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決管路共振噪聲可以從管路本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，結(jié)合仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種方式進(jìn)行優(yōu)化，通過形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)既能減少成本，又可以達(dá)到降低管路共振的效果。

4 結(jié)論

本文對(duì)某款型號(hào)冰箱管路采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真計(jì)算兩種方式進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性，并結(jié)合仿真分析對(duì)排氣管管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了原有管路施加減振錘方案的效果，同時(shí)進(jìn)一步控制了成本，降低了管路共振風(fēng)險(xiǎn)，為解決管路共振噪聲提供了研究方向和思路。