空調(diào)配管對(duì)其振動(dòng)噪音影響的研究與應(yīng)用

張國(guó)元

廣東美的制冷設(shè)備有限公司　廣東佛山　528311

1　引言

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)于空調(diào)的需求已經(jīng)從簡(jiǎn)單的制冷、制熱功能向多維度、高標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)體驗(yàn)轉(zhuǎn)化[1]。除了正常的換熱功能外，還要從性能、能耗、舒適性、振動(dòng)噪音等多個(gè)方面去評(píng)價(jià)空調(diào)的品質(zhì)。其中振動(dòng)噪音正逐漸成為評(píng)價(jià)空調(diào)品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[2]。

目前，針對(duì)空調(diào)振動(dòng)噪音的研究主要集中于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)隔振、阻尼減振研究，空調(diào)系統(tǒng)減振結(jié)構(gòu)和減振器設(shè)計(jì)，振動(dòng)源、噪聲源診斷，薄板結(jié)構(gòu)阻尼減振研究，壓機(jī)腔隔音棉、隔音罩設(shè)計(jì)等方面，側(cè)重于從噪音源頭解決振動(dòng)問題進(jìn)而減小空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)噪音[3]。但是，單純依靠?jī)?yōu)化壓縮機(jī)、優(yōu)化壓機(jī)腳墊來解決振動(dòng)噪音問題會(huì)帶來較大試錯(cuò)、試驗(yàn)工作量，同時(shí)也無法完全保證優(yōu)化后的空振振動(dòng)噪音能夠滿足系統(tǒng)目標(biāo)，甚至還可能影響空調(diào)系統(tǒng)的換熱性能。

所以工程師逐漸考慮從振動(dòng)傳播路徑上解決振動(dòng)噪音問題，即靠?jī)?yōu)化配管系統(tǒng)進(jìn)行空調(diào)的減振降噪[4]。

配管是空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)噪音的主要傳播路徑，可以直接決定內(nèi)外機(jī)音質(zhì)和外機(jī)噪音值。合理優(yōu)良的配管可以阻隔壓縮機(jī)振動(dòng)的傳播進(jìn)而減小空調(diào)振動(dòng)噪音，反之會(huì)放大壓縮機(jī)的振動(dòng)，造成室外機(jī)噪音值變大，甚至斷管[5]。探究空調(diào)配管對(duì)振動(dòng)噪音的影響具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2　空調(diào)振動(dòng)噪音與配管模態(tài)

2.1　空調(diào)振動(dòng)噪音簡(jiǎn)析

對(duì)于分體空調(diào)來說，噪音來源分為室內(nèi)機(jī)噪音和室外機(jī)噪音，噪音屬性主要有噪音值（dBA）和音品質(zhì)（異音）。

影響室內(nèi)機(jī)噪音值的核心模塊是貫流風(fēng)道，風(fēng)噪的大小決定了室內(nèi)機(jī)運(yùn)行噪音值的大小。然而，如果壓縮機(jī)不穩(wěn)定、配管消聲器選取不合理，則會(huì)引起室內(nèi)機(jī)異音：低頻壓縮機(jī)共振聲、高頻嘯叫聲。除了正常風(fēng)噪、高低頻異音，空調(diào)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)時(shí)常伴隨冷媒流動(dòng)聲即冷媒音。冷媒音跟系統(tǒng)壓力有關(guān)，同一臺(tái)變頻空調(diào)，在不同頻率下運(yùn)行時(shí)，如果恰逢其分配器分流不合適，就會(huì)引起該頻率下的冷媒流路不均，進(jìn)而導(dǎo)致湍流嚴(yán)重冷媒音加大[6]。通常，解決室內(nèi)機(jī)噪音問題的方法無非兩種，一是針對(duì)噪音值，優(yōu)化貫流風(fēng)道；二是針對(duì)音品質(zhì)，優(yōu)化消聲器。

決定室外機(jī)噪音值的模塊主要有壓縮機(jī)、配管、隔音棉和外機(jī)鈑金等。如果壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)制造過程中，動(dòng)平衡沒能得到保證或者消聲腔設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)造成壓縮機(jī)本體的振動(dòng)噪音惡化，即空調(diào)外機(jī)的振動(dòng)源變大，進(jìn)而使外機(jī)噪音值增大、音質(zhì)變差。配管是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)噪音的核心模塊，如果配管設(shè)計(jì)不合理，將無法控制室外機(jī)噪音值、致使異音嚴(yán)重，甚者會(huì)與室內(nèi)機(jī)產(chǎn)生共振。隔音棉是隔絕壓縮機(jī)本體噪音的有效部件，一套優(yōu)良的隔音棉可以阻隔、吸收絕大部分壓縮機(jī)腔體內(nèi)的空氣噪音，但是如果隔音棉沒有包裹合適或者經(jīng)過跌落運(yùn)輸發(fā)生錯(cuò)位抵到壓縮機(jī)、鈑金則會(huì)造成一定異音，同時(shí)加大室外機(jī)噪音值。室外機(jī)鈑金是隔絕噪音的最后一道屏障，如果鈑金密封性足夠好確實(shí)會(huì)在一定程度上降低噪音值，但是過薄的鈑金亦有很大幾率造成殼體共振[7]。

綜上，影響空調(diào)振動(dòng)噪音的核心模塊應(yīng)為風(fēng)道、壓縮機(jī)和配管，其中風(fēng)道、壓縮機(jī)均與系統(tǒng)的換熱性能有關(guān)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，所以解決空調(diào)振動(dòng)噪音問題的最直接有效的手段即為優(yōu)化配管[8]。

2.2　配管結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

從如圖1所示的空調(diào)外機(jī)振動(dòng)噪音路徑上分析，壓縮機(jī)作為振動(dòng)源，其動(dòng)不平衡衍生的本體扭轉(zhuǎn)/擺動(dòng)，一方面通過配管或底盤傳遞到殼體上再由殼體輻射噪音，一方面通過空氣振動(dòng)直接傳遞本體噪音。無論以哪種方式輻射噪音，都與配管有著密切的關(guān)系。假設(shè)配管柔性足夠大或者固有頻率可以避開壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，則可以保證減小壓縮機(jī)傳遞到殼體的振動(dòng)，進(jìn)而減小噪音輻射值。這樣既可以保證外機(jī)的噪音值又可以優(yōu)化其音品質(zhì)。

空調(diào)配管模態(tài)受管路狀態(tài)影響，主要因素有：長(zhǎng)度、形態(tài)、空間角等。利用ANSYS建模分析得到不同長(zhǎng)度長(zhǎng)U銅管的前6階模態(tài)。由圖2可以看出，管路越長(zhǎng)，其固有頻率越小。而且，在配管可控的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其固有頻率與長(zhǎng)度的平方成一定反比關(guān)系。在設(shè)計(jì)配管時(shí)，考慮成本與效果，單純利用加長(zhǎng)管路不是最優(yōu)的解決方案，當(dāng)管路達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)考慮優(yōu)化管路的空間形態(tài)和調(diào)整最優(yōu)的空間角。

表1　原型機(jī)噪音值

表2　優(yōu)化機(jī)噪音值

圖1　空調(diào)外機(jī)振動(dòng)噪音路徑

圖2　配管長(zhǎng)度模態(tài)分析

圖3　配管形態(tài)模態(tài)分析

建模分析不同空間形態(tài)管路固有頻率的差別，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)管路空間角較多，結(jié)構(gòu)更立體時(shí)，其低階固有頻率更低，管路柔性更大，就經(jīng)驗(yàn)來講振動(dòng)噪音效果也更好。

圖4　配管空間角模態(tài)分析

圖5　問題外機(jī)模型

圖6　配管優(yōu)化分析

除了管路長(zhǎng)度及形態(tài)，各部分之間的空間角大小、分布對(duì)其模態(tài)也有一定的影響。如圖4所示，兩條管路的長(zhǎng)度、形態(tài)都相同，但是空間角不同。大空間角的管路兩個(gè)U之間有一定夾角，而無空間角管路所有路徑都在同一平面內(nèi)。由仿真結(jié)果得知，有一定空間角或者空間角合適的管路，其固有頻率更低，柔性更大。

管路長(zhǎng)度、形態(tài)、空間角等決定了配管在系統(tǒng)里的模態(tài)。合適的長(zhǎng)度、形態(tài)及空間角可以最大程度降低固有頻率、加大配管柔性，進(jìn)而使系統(tǒng)的振動(dòng)噪音更加優(yōu)良。

3　優(yōu)化分析

市場(chǎng)反饋有幾臺(tái)35定頻單冷機(jī)出現(xiàn)斷管現(xiàn)象，而且同型號(hào)批產(chǎn)機(jī)的外機(jī)噪音都不怎么理想。

如圖5所示，斷管位置在排氣下U處。通過實(shí)地考察運(yùn)行觀測(cè)，確定排氣管振動(dòng)過大致使外機(jī)噪音不理想，加上定頻機(jī)頻繁起停導(dǎo)致斷管。

建模分析得到原型機(jī)排氣管的一階固有頻率為50.2Hz，而定頻機(jī)的運(yùn)行頻率為48.5Hz左右。越是低階固有頻率，蘊(yùn)含的能量越大，一階固頻及其接近壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率，故而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致噪音值異常，甚至斷管。

通過優(yōu)化排氣管，降低其固有頻率，進(jìn)而消除共振，降低噪音值，根除斷管現(xiàn)象。由圖6可知，優(yōu)化后排氣管的二階固有頻率只有43.6Hz，其耗散的能量不僅變少，傳遞的振動(dòng)更是大大減小。

半消音室測(cè)試樣機(jī)噪音得到，噪音值在原型機(jī)的53.1dBA的基礎(chǔ)上，降低到52.1dBA，降低了1dBA。

憑借優(yōu)化配管的手段降低了外機(jī)噪音值，消除了斷管隱患，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

4　結(jié)論

通過調(diào)整管路長(zhǎng)度、空間形態(tài)及空間角的方法可以合理的優(yōu)化配管，進(jìn)而減小振動(dòng)噪音，增加可靠性。CAE手段可以有效、正確指導(dǎo)配管的設(shè)計(jì)開發(fā)，大大縮短設(shè)計(jì)、整改周期，減少冗余工作。確定合理準(zhǔn)確的邊界條件，是CAE輔助設(shè)計(jì)的重要前提，后面空調(diào)振動(dòng)噪音的仿真分析工作還有待工程師繼續(xù)探索。