冰箱振動(dòng)TPA分析與隔振設(shè)計(jì)

方文杰, 張 肅

（美的集團(tuán)中央研究院，廣東 佛山528311）

壓縮機(jī)作為冰箱的重要?jiǎng)恿Σ考瑢㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，為冰箱制冷提供動(dòng)力能量，在其能量轉(zhuǎn)化過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[1]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)壓縮機(jī)減振降噪進(jìn)行了深入研究，提出了一些有效方法，如通過仿真分析等優(yōu)化壓縮機(jī)外殼的形狀[2-3]，通過改進(jìn)壓縮機(jī)壓簧隔振系統(tǒng)的剛度、固有頻率、阻尼[4]或通過改善制冷管道的形狀、氣流脈動(dòng)、固有頻率避開共振[5-7]。

壓縮機(jī)是冰箱最主要的振動(dòng)來(lái)源，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)一部分通過吸、排氣管道傳遞到箱體，另一部分通過壓縮機(jī)腳板傳遞給冰箱底板。管道接入箱體后被埋在發(fā)泡層里，減小了振動(dòng)的傳遞；壓縮機(jī)腳板與冰箱底板之間通過橡膠腳墊連接，橡膠腳墊起到減振和隔振的作用，其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到整個(gè)冰箱的振動(dòng)和噪聲水平[8]。

應(yīng)用LMS Test. Lab 軟件對(duì)某款冰箱的振動(dòng)進(jìn)行TPA(Transfer Path Analysis)實(shí)驗(yàn)分析，試圖弄清壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)如何經(jīng)過底板向箱體傳遞。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)隔振橡膠腳墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以提高橡膠腳墊的隔振效果，減小壓縮機(jī)的振動(dòng)傳遞，從而改善冰箱在較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的“嗡嗡聲”。

1 TPA基本理論

傳遞路徑分析(Transfer Path Analysis)簡(jiǎn)稱TPA，是一種以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的噪聲、振動(dòng)分析方法，其基本原理基于如下假設(shè)：來(lái)自不同路徑的所有部分貢獻(xiàn)構(gòu)成了總響應(yīng)，如式(1)所示[9]

其中：Pk為分析目標(biāo)點(diǎn)k處的總振動(dòng)，Pijk為傳遞路徑i在j方向?qū)Ψ治瞿繕?biāo)點(diǎn)k處總振動(dòng)的部分貢獻(xiàn)，如式(2)所示

其中：Hijk為傳遞路徑i上j方向到目標(biāo)點(diǎn)k的頻響函數(shù)，F(xiàn)ij為傳遞路徑i上j方向的實(shí)際激勵(lì)。

根據(jù)式(2)可知：傳遞路徑實(shí)驗(yàn)分析需要進(jìn)行各傳遞路徑的頻響函數(shù)與實(shí)際工況噪聲、振動(dòng)值測(cè)量。

2 測(cè)試與分析

2.1 冰箱振動(dòng)測(cè)試

某款冰箱在壓縮機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到68 Hz（轉(zhuǎn)速為4 080 r/min）以上時(shí)，開始出現(xiàn)比較明顯的“嗡嗡聲”。通過調(diào)整或按壓冰箱內(nèi)的抽屜、隔板與風(fēng)道板等，此“嗡嗡聲”有一些改善，經(jīng)過一些實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，診斷出此“嗡嗡聲”是由于壓縮機(jī)在較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過底板傳遞到箱體內(nèi)的抽屜、隔板、風(fēng)道板等被放大，從而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲。但由于箱體內(nèi)的這些零部件結(jié)構(gòu)薄弱且為活動(dòng)部件，固有頻率低，模態(tài)復(fù)雜、密集，很難從結(jié)構(gòu)模態(tài)方面進(jìn)行改善，也嘗試過不同結(jié)構(gòu)、硬度、材料的橡膠腳墊，改善效果均不佳。

為了更好反映產(chǎn)生“嗡嗡聲”的零件的振動(dòng)特點(diǎn)，選取冰箱開門時(shí)門體及冷藏室玻璃隔板手感振動(dòng)最大的部位作為研究目標(biāo)，在其上各布置一個(gè)三向加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。

圖1 門體、玻璃隔板振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

定義X、Y、Z方向分別為冰箱前后、左右、上下方向。測(cè)得壓縮機(jī)以頻率70 Hz（4 200 r/min）運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)值如表1所示。

2.2 TPA實(shí)驗(yàn)分析

為進(jìn)一步弄清楚壓縮機(jī)產(chǎn)生的基頻（70 Hz）振動(dòng)如何傳遞到門體與隔板上，對(duì)壓縮機(jī)4 個(gè)機(jī)腳的振動(dòng)傳遞進(jìn)行TPA實(shí)驗(yàn)分析，每個(gè)機(jī)腳3個(gè)方向，共12條傳遞路徑，每條傳遞路徑布置2個(gè)指示點(diǎn)，底板上布置1 個(gè)單向加速度傳感器作為參考點(diǎn)，各傳感器布置位置如圖2所示。

表1 冰箱原始狀態(tài)下門體、隔板振動(dòng)測(cè)試值

圖2 傳感器布置與傳遞函數(shù)測(cè)試

測(cè)試壓縮機(jī)在以頻率70 Hz 正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)值，作為TPA分析的實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)；卸掉振動(dòng)激勵(lì)源壓縮機(jī)，用力錘敲擊底板上每個(gè)支撐點(diǎn)的三個(gè)方向，所得TPA分析的振動(dòng)傳遞函數(shù)如圖2、圖3所示。

圖3 冰箱振動(dòng)TPA實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)用LMS Test.Lab軟件進(jìn)行TPA 實(shí)驗(yàn)分析，采用矩陣求逆分析方法計(jì)算激勵(lì)力。經(jīng)過分析，得到門體振動(dòng)從12條路徑傳遞的貢獻(xiàn)量大小，如圖4所示（排序越靠上端，貢獻(xiàn)量越大），3#機(jī)腳（右后）的Y向與4#機(jī)腳（右前）的X向機(jī)腳的貢獻(xiàn)量較大，Z向貢獻(xiàn)量均較小，即壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)主要通過機(jī)腳徑向（X、Y向）傳遞到箱體。

圖5為1#機(jī)腳X方向傳遞路徑對(duì)門體Y向振動(dòng)全頻率貢獻(xiàn)量的分析結(jié)果（虛線為單條路徑頻率響應(yīng)結(jié)果，細(xì)實(shí)線為所有路徑頻率響應(yīng)合成計(jì)算結(jié)果，粗實(shí)線為實(shí)際工況振動(dòng)測(cè)試值），粗實(shí)線與細(xì)實(shí)線重合較好，說(shuō)明主要路徑完整，實(shí)驗(yàn)分析準(zhǔn)確。

同樣，分析1#機(jī)腳Y向與Z向傳遞路徑對(duì)門體Y向振動(dòng)全頻率貢獻(xiàn)量，Y向與X向類似，但Z向的虛線在低頻部分幾乎均明顯低于實(shí)線，尤其在70 Hz 頻率處，說(shuō)明X、Y方向（徑向）振動(dòng)貢獻(xiàn)相對(duì)較大，Z向貢獻(xiàn)量相對(duì)較小，與圖4分析結(jié)果一致。

圖4 門體基頻振動(dòng)傳遞路徑貢獻(xiàn)分析結(jié)果

圖5 1#機(jī)腳X向路徑全頻率貢獻(xiàn)量分析結(jié)果

3 腳墊隔振設(shè)計(jì)

隔振效果常用振動(dòng)傳遞系數(shù)T描述，是指通過隔振元件傳遞的力與擾動(dòng)力（激勵(lì)力）之間的比值，或傳遞的位移與擾動(dòng)之間的比值，T值越小，則反映通過隔振元件傳遞的振動(dòng)越小，隔振效果越好。單自由度有阻尼隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞系數(shù)T為[10]

式中：z=ω/ω0，稱為歸一化頻率，ω為簡(jiǎn)諧激勵(lì)力頻率，ω0為隔振系統(tǒng)固有頻率；ξ=c/Cc，為阻尼比，c為黏性阻尼系數(shù)，Cc為臨界阻尼系數(shù)。

從式(3)可知：當(dāng)z＞時(shí)，T＜1，隔振系統(tǒng)進(jìn)入隔振區(qū)，隔振元件開始起隔振作用，z值越大，T值越小。故要想減小T值，要求設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)固有頻率f0比系統(tǒng)激勵(lì)頻率f越小越好。

3.1 腳墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橡膠腳墊剛度k的大小決定了減振系統(tǒng)的固有頻率及橡膠墊的臨界阻尼，從而影響壓縮機(jī)向冰箱系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞[8]。根據(jù)橡膠隔振系統(tǒng)固有頻率f0（Hz）與機(jī)組重力作用下的靜態(tài)壓縮量x（cm）之間的關(guān)系式(4)[10]，可知：要減小f0，可以增大靜態(tài)壓縮量x，或減小橡膠腳墊的剛度。

式中：x為橡膠隔振體靜態(tài)壓縮量，Ed、Es分別為橡膠動(dòng)態(tài)、靜態(tài)彈性模量

根據(jù)以上理論，要想減小壓縮機(jī)振動(dòng)的徑向傳遞，可減小隔振橡膠腳墊的徑向剛度，增大腳墊的徑向壓縮變形，從而減小隔振系統(tǒng)的徑向固有頻率，提高腳墊的隔振效果。將如圖6所示結(jié)構(gòu)原配腳墊改為如圖7所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過減小套筒圓柱面與腳墊的徑向配合面積，增大腳墊的徑向壓縮變形，同時(shí)在腳墊外圓柱面上開設(shè)環(huán)形槽，增大腳墊的軸向壓縮變形。

圖6 原配橡膠腳墊結(jié)構(gòu)剖面圖

圖7 優(yōu)化腳墊安裝結(jié)構(gòu)剖面圖

3.2 系統(tǒng)固有頻率測(cè)試

在冰箱中實(shí)際安裝原配腳墊、優(yōu)化后腳墊，在單獨(dú)冰箱底板上進(jìn)行隔振系統(tǒng)固有頻率測(cè)試（經(jīng)過驗(yàn)證，與箱體上測(cè)試結(jié)果幾乎相同），如圖8所示，用力錘敲擊壓縮機(jī)前后、左右、上下3 個(gè)方向，測(cè)得原配腳墊、優(yōu)化腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)的三向固有頻率，如表2所示，優(yōu)化腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)徑向（X、Y向）固有頻率減小了約6 Hz，軸向固有頻率減小10 Hz。

圖9為原配腳墊與優(yōu)化腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)Z向（軸向）測(cè)試頻響函數(shù)對(duì)比。

根據(jù)隔振理論，隔振系統(tǒng)徑向要進(jìn)入隔振區(qū)，優(yōu)化腳墊要求激勵(lì)頻率＞30 Hz（原配腳墊＞39 Hz）；隔振系統(tǒng)軸向要進(jìn)入隔振區(qū)，優(yōu)化腳墊要求激勵(lì)頻率＞55 Hz（原配腳墊＞70 Hz）。如冰箱以68 Hz 頻率運(yùn)行，原配腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)軸向仍在共振區(qū)，振動(dòng)被放大，徑向隔振效果低于優(yōu)化腳墊。

圖8 腳墊隔振系統(tǒng)三向固有頻率測(cè)試

表2 原配、優(yōu)化腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)三向固有頻率值

圖9 隔振系統(tǒng)軸向固有頻率測(cè)試對(duì)比

3.3 傳遞系數(shù)測(cè)試

將橡膠腳墊、三向力傳感器與壓縮機(jī)一起按照如圖10所示方式安裝在工裝上，進(jìn)行振動(dòng)傳遞系數(shù)T實(shí)驗(yàn)測(cè)試，用腳墊上端的力傳感器測(cè)試隔振前的激勵(lì)力F0，用下端的力傳感器測(cè)試隔振后的傳遞力P0。

圖10 振動(dòng)傳遞系數(shù)T測(cè)試實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，從25 Hz～70 Hz 進(jìn)行掃頻測(cè)試，每間隔5 Hz采集一組數(shù)據(jù)，隔振前、后均取4個(gè)力傳感器測(cè)試幅值的平均進(jìn)行計(jì)算。得經(jīng)過原配腳墊、優(yōu)化腳墊隔振后的軸向傳遞力P0幅值對(duì)比，如圖11所示。

圖11 隔振后軸向傳遞力P0幅值對(duì)比

運(yùn)行頻率＞55 Hz時(shí)，優(yōu)化腳墊軸向隔振進(jìn)入隔振區(qū)（原配腳墊在共振區(qū)），軸向傳遞力P0幅值明顯低于原配腳墊。

根據(jù)式(5)，計(jì)算原配腳墊、優(yōu)化腳墊對(duì)應(yīng)的隔振系統(tǒng)測(cè)試所得到的軸向、徑向振動(dòng)傳遞系數(shù)T，對(duì)比結(jié)果分別如圖12、圖13所示。

圖12 掃頻測(cè)試所得軸向傳遞系數(shù)T對(duì)比

圖12顯示運(yùn)行頻率＞45 Hz 時(shí)，優(yōu)化腳墊軸向傳遞系數(shù)明顯低于原配腳墊，運(yùn)行頻率＜40 Hz 時(shí)，雖然隔振效果略變差，但此時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)較小，此時(shí)隔振后傳遞力P0也較小；圖13顯示在所有運(yùn)行頻率，優(yōu)化腳墊徑向傳遞系數(shù)均低于原配腳墊，徑向隔振效果更優(yōu)。

式中：P0為傳遞力幅值，F(xiàn)0為擾動(dòng)力幅值。

圖13 掃頻測(cè)試所得徑向傳遞系數(shù)T對(duì)比

4 效果驗(yàn)證

在同一臺(tái)冰箱上，用優(yōu)化腳墊替換已測(cè)試的原配腳墊，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率70 Hz 時(shí)，測(cè)試冰箱門體、玻璃隔板的振動(dòng)，門體X、Y、Z三向加速度值分別為0.03 m/s2、0.06 m/s2與0.05 m/s2；玻璃隔板三向加速度值分別為0.03 m/s2、0.05 m/s2與0.04 m/s2。與原配腳墊測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。

圖16 腳墊優(yōu)化前后門體、隔板振動(dòng)對(duì)比

優(yōu)化腳墊后三向振動(dòng)均明顯減小，其中X、Y向振動(dòng)減小約80%。冰箱從25 Hz～72 Hz 掃頻運(yùn)行時(shí)，所有頻率處均未出現(xiàn)明顯的“嗡嗡聲”。

5 結(jié)語(yǔ)

文中應(yīng)用LMS Test.Lab測(cè)試分析軟件，對(duì)某款冰箱振動(dòng)傳遞進(jìn)行TPA分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)橡膠腳墊進(jìn)行精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到：

(1)在冰箱門體、隔板的振動(dòng)傳遞中，主要貢獻(xiàn)量為壓縮機(jī)機(jī)腳的徑向（X向、Y向）傳遞；

(2)根據(jù)TPA振動(dòng)傳遞分析結(jié)果，對(duì)橡膠腳墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)：徑向固有頻率下降約6 Hz，軸向固有頻率下降10 Hz，隔振系統(tǒng)的軸向、徑向傳遞系數(shù)明顯減小，增強(qiáng)了腳墊的隔振效果；

(3)冰箱測(cè)試驗(yàn)證：更換優(yōu)化腳墊后，冰箱門體、隔板的振動(dòng)減小約80%，在所有頻率處運(yùn)行均未出現(xiàn)“嗡嗡聲”。