制冰機(jī)落冰流道降噪分析與設(shè)計(jì)

張丹偉 王利亞 江俊 李語亭

1. 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311；

2. 合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

目前，消費(fèi)者對(duì)于生活品質(zhì)的要求在不斷提高，高端冰箱也不斷地走進(jìn)了普通用戶的家庭。與此同時(shí)，制冰技術(shù)也被應(yīng)用到家庭場(chǎng)景。從最初的手動(dòng)制冰到現(xiàn)在的自動(dòng)制冰，制冰機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邏輯控制等方面都進(jìn)行了多次的改進(jìn)。另外，消費(fèi)者對(duì)于健康生活的需求使得廠家更加關(guān)注制冰的衛(wèi)生問題?？傮w來看，家用制冰技術(shù)已基本走向成熟。

李玉穩(wěn)等[1]采用仿真分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)制冰機(jī)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，縮短了制冰周期，提高了冰塊質(zhì)量。李語亭等[2-3]依據(jù)能量守恒原理從降低初始彈性勢(shì)能、提高摩擦耗散和門封減振耗散的角度對(duì)冰箱抽屜碰撞噪聲進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)定量給出了碰撞噪聲的預(yù)測(cè)公式。程志明等[4]分析了流水式、浸水式和噴淋式制冰的原理，對(duì)該三種制冰方式的制冰性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。朱建高和張善房[5]介紹了日式制冰機(jī)軟件控制、零部件的工作原理和可靠性測(cè)試方法，對(duì)于提高產(chǎn)品可靠性具有借鑒意義。何四發(fā)等[6]對(duì)比測(cè)試了使用R290與R134a制冷劑的制冰機(jī)，說明了在商業(yè)制冰機(jī)中用R290代替R134a的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了R290制冷劑壓縮機(jī)的可靠性。徐延輝[7]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用熱氣除霜實(shí)現(xiàn)脫冰的過程中可以避免制冰機(jī)壓縮機(jī)液擊，保證此類制冰機(jī)性能可靠。陳秀麗[8]通過對(duì)風(fēng)機(jī)的脈沖寬度調(diào)制來控制制冷劑的溫度，提高換熱效率，進(jìn)而提高了制冰效率。王澤普等[9]提出雙蒸發(fā)器優(yōu)化方案，對(duì)比了單、雙蒸發(fā)器機(jī)組對(duì)不同流量的制冰溶液的降溫速度，提高了制冰效率。黃河源和范明升[10]基于對(duì)真空制冰原理的分析，提出了真空制冰機(jī)的合理化設(shè)計(jì)要求。楊志威等[11]對(duì)導(dǎo)冰通道和取冰盒做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，降低了制冰過程中的噪聲。楊寒星等[12]在儲(chǔ)冰盒內(nèi)設(shè)置用于承接冰塊的減振導(dǎo)軌，在保證制冰過程中冰塊外形規(guī)整度的同時(shí)又能夠降低儲(chǔ)冰噪聲。

從上述成果可以發(fā)現(xiàn)，制冰機(jī)的研究主要集中于制冰效率和可靠性方面，涉及制冰機(jī)降噪的研究相對(duì)較少。本文針對(duì)制冰機(jī)制得的冰塊在落冰流道內(nèi)下落時(shí)產(chǎn)生較大噪聲的問題，通過仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)流道進(jìn)行改進(jìn)，最終使得制冰機(jī)噪聲大幅下降，改善了用戶的聽感體驗(yàn)。

1 問題描述

某款高端類冰箱上搭載的制冰機(jī)在制冰過程中產(chǎn)生較大的噪聲，用戶聽感體驗(yàn)差。經(jīng)排查，噪聲主要來源于冰塊下落過程中與落冰流道的撞擊聲。制冰機(jī)模型如圖1所示，圖2為對(duì)應(yīng)的流道模型，冰塊自流道進(jìn)口上方0.2 m高度處自由下落。

圖1 制冰機(jī)模型

圖2 原始落冰流道模型

為了了解初始狀態(tài)下制冰過程的噪聲水平，在半消聲實(shí)驗(yàn)室中對(duì)制冰機(jī)的噪聲進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)我司《制冰機(jī)噪聲設(shè)計(jì)規(guī)范》，將傳聲器固定于冰箱出冰口正前方0.3 m、高1.5 m處，如圖3所示。其中，噪聲采集使用西門子聲振信號(hào)采集儀和PCB公司的ICP型傳聲器。

圖3 傳聲器測(cè)點(diǎn)方位圖

2 改善設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

觀察原始落冰流道的形狀后推測(cè)冰塊在下落過程中產(chǎn)生巨大的噪聲主要是由于冰塊與流道的撞擊力較大，并且冰塊反彈撞擊流道的次數(shù)也較多，因此考慮將原始流道改進(jìn)為包含更多圓弧面的流道，圖4為改進(jìn)的落冰流道模型。

圖4 改進(jìn)落冰流道模型

在制作落冰流道樣件之前，借助仿真軟件對(duì)冰塊在流道內(nèi)的下落過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。為了更接近于實(shí)際情況，冰塊模型選定為邊長10 mm的正方體，其密度設(shè)定為實(shí)際冰塊的密度，冰塊自流道進(jìn)口上方0.2 m高度處自由下落。圖5為流道改進(jìn)前后對(duì)單個(gè)冰塊下落過程中的垂直速度進(jìn)行仿真的結(jié)果。

圖5 單冰塊下落過程垂直速度時(shí)域圖

圖5中，冰塊垂直速度時(shí)域曲線圖中每出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)意味著冰塊與落冰流道發(fā)生一次撞擊。從上面的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，圖中共有18個(gè)拐點(diǎn)，表明該冰塊在下落過程中與原始流道的撞擊次數(shù)為18次，同理可知，該冰塊與改進(jìn)流道的撞擊次數(shù)降低為12次；并且流道改進(jìn)后，冰塊與流道發(fā)生撞擊的時(shí)間段也大幅減少。

為了更接近于實(shí)際情況，仿真工作亦考慮了多冰塊下落的情況。多冰塊下落仿真用六個(gè)冰塊作為研究對(duì)象，同樣地，使六個(gè)冰塊自流道進(jìn)口上方0.2 m高度處自由下落，如圖6所示。v0為冰塊下落至落冰流道進(jìn)口處的瞬時(shí)速度，其在此處的速度v0約為2 m/s。

圖6 多冰塊下落仿真模型

對(duì)于多冰塊下落的情況，采用圖7所示的應(yīng)力-時(shí)間圖描述冰塊與落冰流道的撞擊情況，圖中每出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力單峰意味著冰塊與流道的一次撞擊。從圖7中可以看出，流道改進(jìn)后，眾多冰塊與流道發(fā)生撞擊的時(shí)間段明顯縮減，撞擊應(yīng)力也有所下降。

圖7 多冰塊下落過程撞擊應(yīng)力時(shí)域圖

結(jié)合圖5和圖7所示的冰塊與落冰流道的撞擊情況，推測(cè)制冰機(jī)使用改進(jìn)流道后冰塊下落過程的噪聲會(huì)有所下降。為驗(yàn)證推測(cè)，制作原始和改進(jìn)流道的樣件，分別如圖8 a)和b)所示。

圖8 落冰流道樣件對(duì)比

將制作的落冰流道樣件安裝于制冰機(jī)中進(jìn)行噪聲測(cè)試，傳聲器連續(xù)測(cè)試一分鐘得到的噪聲時(shí)域結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖9 原始與改進(jìn)流道噪聲時(shí)域?qū)Ρ葓D

從測(cè)試結(jié)果看出，使用改進(jìn)的落冰流道后，制冰機(jī)的噪聲有顯著的下降，其噪聲平均值相較改進(jìn)之前降低了3.9 dB(A)。

另外，單純地改進(jìn)落冰流道形狀對(duì)于降噪具有很大的局限性，因此，考慮在流道內(nèi)部安裝橡膠圈，吸收削弱冰塊下落過程的動(dòng)能，從而進(jìn)一步降低撞擊噪聲，安裝的橡膠圈如圖10所示。

圖10 安裝在流道內(nèi)部的橡膠圈

將含有橡膠圈的落冰流道樣件安裝于制冰機(jī)中進(jìn)行噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

從圖11可以看出，在改進(jìn)的落冰流道內(nèi)安裝橡膠圈后，噪聲較之前有進(jìn)一步的降低，相較于單純使用改進(jìn)落冰流道的情況其噪聲平均值降低2.9 dB(A)。同時(shí)，用戶的聽感體驗(yàn)也有大幅提升。

圖11 原始與改進(jìn)流道（含橡膠圈）噪聲時(shí)域?qū)Ρ葓D

3 結(jié)論

制冰機(jī)中冰塊撞擊落冰流道的巨大噪聲嚴(yán)重影響用戶的聽感體驗(yàn)。本文針對(duì)某款高端冰箱中制冰機(jī)存在的噪聲問題，首先借助仿真手段對(duì)冰塊在流道內(nèi)的下落過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，對(duì)比分析了冰塊在原始與改進(jìn)流道內(nèi)的動(dòng)力學(xué)特性。最后制作流道樣件進(jìn)行實(shí)際降噪效果驗(yàn)證，同時(shí)采用在流道內(nèi)安裝橡膠圈的輔助降噪手段，使得流道噪聲進(jìn)一步降低2.9 dB(A)，改善后實(shí)測(cè)用戶聽感良好，達(dá)到了預(yù)期的改善效果。