基于仿真分析的冰箱回氣管優(yōu)化設(shè)計(jì)

鐘澤 江俊 李語(yǔ)亭 王利亞 趙圣宇

美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部用戶與產(chǎn)品中心 安徽合肥 230601

0 引言

經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)帶動(dòng)了人們消費(fèi)水平的提高，冰箱作為主要的家電產(chǎn)品已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，冰箱在帶給人們生活便利的同時(shí)，其噪聲問(wèn)題成為影響人們生活品質(zhì)的因素之一，冰箱的噪聲大小也成為人們衡量產(chǎn)品性能的一大指標(biāo)。

冰箱的噪聲問(wèn)題一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)，其噪聲來(lái)源主要為壓縮機(jī)的振動(dòng)、制冷劑流動(dòng)、風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、材料的熱脹冷縮以及管路的共振等方面[1]，冰箱機(jī)械室的管路共振則是噪聲的主要表現(xiàn)之一?；貧夤芎团艢夤茏鳛楸錂C(jī)械室內(nèi)連接壓縮機(jī)和冷凝器等重要部件，是制冷劑運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ溃苈返慕Y(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，解決管路共振問(wèn)題通常是通過(guò)進(jìn)行合理的配管設(shè)計(jì)，減小管路的振幅，使得管路的固有頻率避開冰箱壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率。

何少勇[2]等人分析了風(fēng)冷變頻冰箱的噪聲主因，并針對(duì)管路提出了部分改善建議；鮑敏[3]等人通過(guò)對(duì)小型風(fēng)冷冰箱的壓縮機(jī)管路進(jìn)行模態(tài)仿真分析確定了管路振動(dòng)異常原因，并對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化；楊愷[4]等人提出一種基于反共振原理的管路吸振器調(diào)諧方法通過(guò)調(diào)諧動(dòng)力吸振器固有頻率，改變管路振動(dòng)傳遞函數(shù)的反共振區(qū)域，從而改變管路振動(dòng)傳遞特性，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制；邱文輝[5]等人針對(duì)配管停機(jī)應(yīng)力超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真兩種手段，對(duì)配管系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率及對(duì)應(yīng)振型，并對(duì)配管系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以上的研究為解決管路噪聲指引了方向。

本研究針對(duì)我司某一型號(hào)冰箱的壓縮機(jī)管路共振問(wèn)題展開，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)兩種手段對(duì)回氣管進(jìn)行固頻分析，借助仿真分析對(duì)回氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，有效地避開了壓縮機(jī)固有頻率，降低了管路的剛度，為解決管路共振問(wèn)題提供了方案依據(jù)。

1 冰箱管路建模分析

1.1 管路三維模型

冰箱機(jī)械室內(nèi)的管路系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、回氣管和排氣管及底板等，壓縮機(jī)是振動(dòng)源，能量由管道傳遞到箱體和底板上，能量在傳遞的過(guò)程中引發(fā)管路振動(dòng)，由此將其作為一個(gè)整體研究對(duì)象，同時(shí)為了便于計(jì)算，對(duì)小型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立三維模型如圖1所示。

圖1 管路系統(tǒng)三維模型

1.2 仿真分析

壓縮機(jī)作為振源，管路作為其振源傳遞路徑之一。而管路結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)屬性——振動(dòng)模態(tài)是影響管路共振噪聲的主要原因，文章的目的是基于管路結(jié)構(gòu)本身的屬性進(jìn)行研究，而不是把整個(gè)機(jī)械室作為研究對(duì)象而考慮。而壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中是通過(guò)將產(chǎn)生的振動(dòng)力傳遞給管路，引起管路振動(dòng)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與管路結(jié)構(gòu)本身的頻率同等時(shí)會(huì)引發(fā)共振，故而對(duì)管路結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，更多的把壓縮機(jī)作為激勵(lì)源進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。仿真分析是作為研究管路結(jié)構(gòu)常用的一種方法，本研究從管路的固頻和剛度兩個(gè)方面分析壓縮機(jī)管路共振問(wèn)題，固頻是管路材料的本身特性，只與系統(tǒng)的剛度、阻尼以及質(zhì)量有關(guān)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程主要為：

式（1）中：{a}、{v}、{x}、{f}分別是加速度向量、速度向量、位移向量和載荷向量，[M]、[C]、[K]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣。當(dāng)物體為彈性體時(shí)，可忽略阻尼作用，則可得：

式（4）中：f為材料的固有頻率。

而材料受到外力的刺激會(huì)產(chǎn)生彈性形變，根據(jù)胡克定律可得：

式（5）中：F為力的大小，K為彈性系數(shù)，x為位移。

將建立好的幾何模型導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行仿真分析，有限元回氣管模型如圖2所示。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的邊界條件可得到回氣管的固有頻率。

圖2 回氣管仿真分析

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)我司某一款冰箱機(jī)械室的管路共振問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)裝配狀態(tài)下的管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，獲取回氣管路的相關(guān)參數(shù)。采用錘擊法對(duì)回氣管進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)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(guò)單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的方法，在回氣管的不同測(cè)點(diǎn)處分別布置加速度傳感器，采用PCB壓電傳感器，單相和三相振動(dòng)探頭進(jìn)行測(cè)試，具體技術(shù)參數(shù)為：傳感器質(zhì)量5.4 g；尺寸11.4 mm立方體；量程±100 g；軸向靈敏度（25℃）100 mV/g（160 Hz）；頻率響應(yīng)（±1 dB）1～5000 Hz；工作溫度-54℃～121℃。

在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處測(cè)量三個(gè)方向上的加速度，同時(shí)選定激勵(lì)點(diǎn)進(jìn)行敲擊，通過(guò)加速度傳感器獲得輸出響應(yīng)。

2.1 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析其相干性可得回氣管頻響函數(shù)如圖3所示，從中提取回氣管的固有頻率，回氣管的實(shí)驗(yàn)與仿真的固有頻率如表1所示，針對(duì)回氣管的固頻研究只考慮在低階固頻上，所以本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只采集120 Hz以下進(jìn)行分析，由表中數(shù)據(jù)分析可得實(shí)驗(yàn)與仿真的固有頻率誤差在3%以內(nèi)，證明了仿真的準(zhǔn)確性和可行性。

圖3 回氣管頻響函數(shù)曲線

表1 回氣管實(shí)驗(yàn)和仿真固有頻率（Hz）

2.2 回氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)頻響函數(shù)曲線進(jìn)行分析可知，在回氣管的z方向上振動(dòng)變化明顯，由此降低回氣管z方向的振動(dòng)是優(yōu)化的重點(diǎn)方向?；貧夤芘c壓縮機(jī)相連，整體形狀以直線為主，容易造成回氣管在壓縮機(jī)附近的剛度變化，將回氣管設(shè)計(jì)進(jìn)行形狀優(yōu)化，設(shè)計(jì)成一個(gè)豎彎形狀和兩個(gè)豎彎形狀，對(duì)其建立三維模型如圖4所示，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究，得到其固頻分布，如表2所示，由表中數(shù)據(jù)可知在回氣管在兩端固定且邊界條件恒定下，回氣管管路豎彎的存在極大地降低了固頻值，同時(shí)隨著管路中豎彎的增加，固頻值減小，有利于避開共振頻率。

表2 三種不同形狀回氣管仿真固頻（Hz）

圖4 兩種豎彎形狀回氣管

同時(shí)，與壓縮機(jī)相連的回氣管受力會(huì)發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生位移，繼而會(huì)影響回氣管的剛度變化，于是在仿真模擬中在回氣管的一端測(cè)點(diǎn)處施加相同大小的敲擊力道，記錄三種不同形狀的回氣管在三個(gè)方向上的的位移變化特征，根據(jù)計(jì)算公式可得剛度變化結(jié)果，如表3所示。

表3 三種不同形狀回氣管仿真位移和剛度

由表3中數(shù)據(jù)可得，將回氣管設(shè)置成豎彎形狀，回氣管的三個(gè)方向上的位移都增大，其中在y和z方向上變化更為明顯，y方向剛度最大變化率達(dá)到25.47%，z方向上最大變化率達(dá)到46.06%；同時(shí)回氣管路中隨著豎彎的個(gè)數(shù)增加其剛度逐漸降低，在x方向上剛度減小45.53%，y方向上減小48.65%，z方向上變化最大，減小了63.58%。

2.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

該實(shí)際優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)已在我司產(chǎn)品上得到應(yīng)用，經(jīng)測(cè)試管路振動(dòng)減小，整機(jī)噪聲也有明顯改善，各驗(yàn)證模型實(shí)際噪聲和振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 三種不同形狀回氣管實(shí)際噪聲和振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文針對(duì)我司某款冰箱管路共振優(yōu)化問(wèn)題，利用實(shí)驗(yàn)及仿真的方法對(duì)管路噪聲進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)對(duì)回氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真分析得到了管路的頻響函數(shù)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果十分吻合，證實(shí)了模型的可行性。

（2）對(duì)回氣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將回氣管形狀增加一個(gè)豎彎會(huì)降低回氣管的固頻和剛度，從而在一定程度上可以避開共振頻率，減少共振噪聲；同時(shí)隨著回氣管路豎彎的個(gè)數(shù)增加，管路的固頻和剛度會(huì)繼續(xù)降低，在y和z方向上表現(xiàn)明顯。