基于正交分析空調器性能影響因素的研究

陳志航 楊彤 蔡元浩

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

近年來，國家大力提倡節能環保的號召，越來越多的消費者在選購空調時更關注節能、健康、舒適的性能屬性，這就對空調器的性能參數提出了更高的要求。影響家用空調器的參數是多種多樣的，而最終的性能表現也是各個參數綜合影響的體現。其中，影響空調器室內機的參數包括電機的轉速，換熱器的樣式，風道曲線，包括蝸殼曲線以及蝸舌曲線等，這些參數對空調器室內機的影響表現為風量的大小，噪音值的高低以及電機功率的大小等，此外，這些參數也決定了空調器室內機的性能優劣。

而針對上述參數對空調器室內機的影響主要采用單變量進行研究分析，這往往會忽略其他因素以及不同參數之間的相互耦合作用的影響；亦或是在獲得單一變量的影響后，在前一個變量對空調器性能的影響的基礎上，再針對另一個單一變量進行研究，其過程將會耗費大量的時間和物力；亦或是采用流體力學仿真來研究空調風道的流動特性，但是，流體力學仿真的前提是對空調器所在的外界大氣環境以及內部的流體特性進行理想化處理，這些理想化的處理會使得實際測試的結果與仿真得到的結果存在較大的差別，進而影響風道系統的研究分析和整個空調器室內機的噪音級（SPL）[1,2]，甚至是最終的實驗結果無法得出各個參數的最優組合，從而獲得最優的空調器性能，這些性能參數包括空調器的風量、噪音值、電機功率等，這些因素進而會影響到空調器換熱系統的排氣溫度、吸氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力、整機功率值等[3]。

在本文中，通過選取電機轉速、蝸殼曲線、蝸舌樣式、換熱器樣式等作為影響因子，并測試風量、噪音值、電機功率以分析各個因子的組合結果。采用正交分析法進行實驗設計，并通過設計得到的正交表進行實驗測試，最后通過結果分析得出各個因素及其耦合作用對空調器性能參數的影響程度，從而得出空調器性能參數最優的參數組合[4]。

2 實驗測試方案

2.1 設計實驗因子與水平

本文中，采用如圖1所示的空調器室內機進行測試工作，選取其中的蝸殼曲線樣式、蝸舌曲線樣式、蒸發器樣式以及電機轉速作為實驗因子，結合實驗設計，采用混合水平方案以及測試的實際需求，采用的實驗水平方案為“8+2+2+2”。因此，針對蝸殼樣式曲線，設計了如圖2所示的兩個水平（W1，W2）；針對蝸舌曲線樣式，設計了如圖3所示的八個水平（S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8）；針對蒸發器的樣式，設計了如圖4所示的兩個水平（Z1，Z2），采用的電機轉速為D1，D2兩個水平。

采用混合水平的實驗設計，各個因子的水平數分別為“8+2+2+2”，得到表1所示的正交因子分析表。

圖1 本次實驗中所使用的測試工裝

圖2 本次實驗中所采用的蝸殼曲線

圖3 本次實驗中所采用的蝸舌曲線

圖4 本次實驗中所采用的蒸發器樣式

2.2 實驗測試標準

為了確保實驗測試數據的準確性和后期數據的可重復性，在本次實驗測試中，我們要求所使用的實驗測試機組必須滿足ISO/TS 16949質量管理體系中的MSA工具（測量系統分析）所要求的公差比（%P/T）＜30%。

2.2.1 風量的MSA系統測試方案

GB/T 1236-2000，GB/T 7725-2004為本次風量測試的標準，使用的風量測試機組為FG3.5(I)，3HP焓差室。要求每次記錄數據前，實驗測試系統需要有至少15min的穩定時間；要求控制靜壓值為0Pa，允許誤差為-0.2Pa～0.2Pa，機組噴嘴壓差允許波動的范圍為175Pa～365Pa；按照以往的測試經驗，在本次實驗采用Φ70與Φ50的噴嘴組合使用；本次實驗不允許采用其他任何的輔助風道，要求工作與測試機組之間完全密封。在首次啟動儀器進行測試時，在控制靜壓達到0Pa后，需要穩定至少25min后才可開始記錄數據，每次數據采用的時間區間為5min，最終的實驗數據是所采用數據的算數平均值。

2.2.2 噪音的MSA系統測試方案

本次噪音測試中，根據GB/T 6882-2008，GB/T 7725-2004以及GB 19606-2004的要求，采用的測試機組為FG3.5(I)并要求配備有調節電源電壓的裝置以及B&K頻譜分析儀，實驗室環境要求溫度為27℃，相對濕度為60%，按照上述標準要求調節安裝測試機組，并根據表1要求的條件依次更換測試對比因子同時測試噪音值。為了提高測試數據的可重復性，在測試中要求噪音值數據的采集區間為10s，重復測試之間的時間間隔為5s。由于實時噪音數值是處于時刻波動的狀態中，因此，實驗測試采用較短的間隔時間來重復測試，使得在連續的測試過程中，每次測試所得到的實驗數據之間均為相互獨立。本次實驗所使用的記錄表如表2所示。

圖5 噪音值的主效應圖及選取的因子

圖6 風量的主效應圖及選取的因子

圖7 電機功率的主效應圖及選取的因子

表1 正交實驗表

3 實驗測試與結果分析

根據所要求的風量、噪音測試標準以及正交表所要求的各個因子組合，逐個組裝測試工作并進行相應的測試，測試所得到的數據如表3所示。在進行本次實驗中，結合實際的性能參數要求以及為了更好的評估實驗測試數據同時分析所得的數據，我們將優化后的工裝的性能參數目標設置為：實際風量≥600m3/h，電機功率≤23W，噪音值≤44dB。

將表3中實驗測試所得到數據依次對應輸入到實驗表格中并對所有數據進行分析，分析得到的噪音、風量、功率的均值-主效應圖分別如圖5、圖6、圖7所示。按照噪音值為望小，風量值為望大，電機功率為望小的原則分別在對應的主效應圖中圈選出符合要求的各個因子。

根據噪音、風量、功率的主效應圖以及所選取的因子綜合分析后，蝸舌、蝸殼、電機轉速、蒸發器樣式等各個水平中選擇進行預測的因子水平分別為：蝸舌：S6；蝸殼：W1；轉速：D2；蒸發器：Z1。采用選定的各個因子對應的水平進一步進行分析預測噪音、風量、功率結果。

按照選定因子水平為蝸舌：S6；蝸殼：W1；轉速：D2；蒸發器：Z1，進行分析后得出噪音、風量、功率的預測值分別為43.2dB，604m3/h，20.9W，滿足實驗最初設定的目標。采用選定的因子水平，進行工裝安裝后進行實際的測試，測試結果為：風量617m3/h；功率：22.1W；噪音：43.7dB，風量與預測值誤差為2%，功率與預測值的誤差為5.7%，噪音值與預測值的誤差為：1%，滿足要求，同時，實際測試的各項性能參數也均能滿足初始設定的目標要求。

在本文中，運用正交分析理論進行實驗設計，有針對性的選取對空調器室內機性能有顯著影響的因子，同時有針對性的設計不同的水平，通過正交設計得到各個因子之間的正交表并以此為實驗測試的組合，然后通過測試得到所需的實驗數據，通過分析，得到噪音、風量、功率與各個因子、各個水平之間的主效應圖。分析各個性能參數的主效應圖以及結合目標要求，得到所需的因子水平的組合以及對應的預測值，再進行實際測試驗證最后結果的可靠性。這樣的試驗設計能夠更加可靠的分析各個因子及其之間的耦合作用對空調器室內機的性能影響，從而得到最優的參數因子組合，從而改善和提高空調器室內機的性能參數。

表2 本次實驗中所使用的數據記錄表樣表

表3 實驗測試所得數據