冰箱壓縮機管路減振結構設計及優化

王利亞 黃文才 江俊 李語亭 鐘澤

美的集團冰箱事業部 安徽合肥 230601

冰箱壓縮機振動通過管路的振動傳遞是冰箱振動噪聲的重要傳遞路徑之一。冰箱機械室管路主要包括吸氣管和排氣管，管路對噪聲的影響主要體現在管路共振，以及管路中流體產生的流固耦合問題等，而研究管路的共振是解決噪聲問題的重點方向。張奎、朱小兵等開展了冰箱管路減振研究，通過對排氣管進行吸振器設計，排氣管低頻振動噪聲明顯降低[1]；鮑敏、李乾坤等通過模態仿真并結合振動實驗，研究了管路振動的原因，通過對管路及配重塊的優化，實現了管路振動噪聲的降低[2]；周更生、張磊等進行了壓縮機配管研究，優化配管結構，共振頻率聲壓級降低[3]。

本文針對我司某款冰箱機械室管路進行研究，通過固有頻率測試實驗建立了管路仿真分析模型，根據管路的模態仿真分析結果，確定了減震墊布置的最優實施方案，并將該方案應用于產品上。較之于其他方案，冰箱管路振動響應明顯較小，有效解決了冰箱管路共振問題，從而驗證了通過仿真手段進行冰箱管路減振降噪的可行性。

1 分析模型描述

冰箱機械室是冰箱的主要結構組件，壓縮機管路連接冰箱箱體與壓縮機，其結構振動問題是冰箱機械室的主要結構振動問題[4]，下面以壓縮機排氣管為例說明壓縮機管路分析模型的建立過程。

冰箱機械室包括壓縮機、橡膠墊、壓縮機底板、冷凝器、吸排氣管等，其中壓縮機為制冷系統的能量輸入部件，為冰箱振動的主要激勵源，壓縮機排氣管路一端與壓縮機殼體相連，一端與冰箱箱體相連，為降低壓縮機排氣管振動，在排氣管上布置減震墊，現有排氣管減震墊布置方案及相關部件連接關系，如圖1所示。經市場反饋，此款壓縮機排氣管路投訴較多，表現為排氣管路共振問題，為解決管路共振問題，降低管路振動水平，進行管路仿真分析模型研究。

2 有限元模型建立

根據冰箱機械室部件連接狀態，建立冰箱機械室排氣管仿真分析模型。

其中排氣管路為不銹鋼材質，且實際工作過程不涉及失效問題，所以排氣管仿真分析過程中，可將其視為線彈性材質。但由于排氣管路結構剛度較低，易在使用中發生變形等問題，在排氣管固頻、陣型仿真分析過程中，應保證仿真分析模型與實物模型的結構尺寸精度，以提高模型仿真分析精度。

考慮到排氣管路的連接狀態，可采用兩種簡化分析方法建立排氣管路仿真分析模型：

（1）模型1：壓縮機-底板-橡膠墊-排氣管-回氣管等全部件仿真分析模型，如圖2所示。

考慮壓縮機殼體、壓縮機內部機構、橡膠墊、管路、底板、滾輪的連接狀態，對機械室各部件固有頻率及模態的影響，按照實際狀態設置部件連接。在結構與箱體、地面連接處，設置約束條件，簡化機械室整體與相鄰結構的連接，將底板滾輪與地面連接處，簡化為固定約束1、2，壓縮機排氣管與箱體連接處簡化為固定約束3，壓縮機回氣管與箱體連接處簡化為固定約束4，且考慮橡膠墊非線性問題，根據剛度實驗測試，確定相關材料參數，建立機械室的全部件固頻、模態仿真分析模型，壓縮機殼體、管路、底板等采用殼單元，壓縮機內部結構、橡膠墊、滾輪等采用實體單元，單元總數303546個。

（2）模型2：單排氣管部件仿真分析模型，如圖3所示。

將壓縮機排氣管作為研究對象，適當簡化邊界條件，考慮排氣管與左側壓縮機殼體的連接，簡化為固定約束5，考慮排氣管與右側與箱體的連接，簡化為固定約束6，管路采用殼單元，減震墊采用實體單元，單元總數32861個。

對上述簡化排氣管分析模型進行仿真分析及實驗驗證，確定各仿真分析模型的準確性。

圖1 機械室結構部件

圖2 模型1全部件仿真分析模型

圖3 模型2單排氣管部件仿真分析模型

3 實驗驗證

采用傳函判別法，利用力錘為激勵輸入端，排氣管加速度信號為激勵響應端，測試壓縮機排氣管固有頻率。[5]

由于排氣管結構為三維管路結構，其存在管路質量小、結構剛度低、頻率分布集中、模態分布復雜等特點，為降低加速度傳感器自重對測試精度的影響，采用單點拾振、多點激勵的方法進行管路結構固頻識別，其實際測點布置如圖4所示。

圖4 管路固頻測試實驗

考慮到管路實際共振問題主要為上下方向振動，選取管路中間位置布置加速度傳感器作為加速度拾振點，布置三向加速度傳感器，其中傳感器重量5 g，排氣管總重量75 g，壓縮機減震墊重量15 g，加速度傳感器重量對整體結構振動狀態影響較小。為有效測試排氣管路固有頻率，在管路適當位置共設置18個激振點，激振點位置布置如圖4所示，在激振點位置分別進行三向激勵，測試拾振點響應，得到排氣管振動傳遞函數及固有頻率。點集中位置，為保證減震墊對降低排氣管振動水平起到最佳作用，且綜合考慮成本等因素，選擇振動幅值點較為集中的4個幅值點位置作為最終減震墊布置方案。

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最終確定排氣管減振優化方案為：在排氣管B、C、G、H位置，共布置減震墊4個，如圖6所示。

5 實驗驗證

為驗證排氣管振動改善效果，測試優化后減震墊布置方案改善效果，分別按照減震墊原方案及優化方案進行壓縮機排氣管振動掃頻測試。

排氣管振動加速度測點與固頻測試加速度測點一致，測點布置如圖4所示，管路激勵方式采用壓縮機調頻激勵，通過調節壓縮機運行頻率控制系統輸入頻率，頻率調節范圍為25 Hz～75 Hz，測試管路振動響應。對比分析排氣管在不同橡膠減震墊布置方案下的振動水平，測試結果如圖7所示。

根據壓縮機排氣管振動加速度測試結果可以得到：

（1）排氣管減震墊優化方案，全頻段振動加速度水平得到明顯改善；

（2）優化方案排氣管的最大振動水平從原1.34 g下降到0.4 g，振動幅值下降70.1%；

（3）優化方案的各階共振峰值明顯降低，只在43 Hz左右存在一振動單峰，優化方案有效。

6 結論

本文針對壓縮機排氣管振動問題，提出了機械室排氣管仿真分析模型，并結合結構固頻實驗，驗證了簡化后仿真分析模型的準確性，前六階管路的固有頻率仿真分析最大誤差為2.9 Hz，且仿真分析模型2，模型簡單、計算成本低、分析快捷。然后利用對標后管路仿真分析模型的模態分析結果，通過在各階模態幅值點布置減震墊的方式，從模態設計角度，在壓縮機工作全頻段進行排氣管減振設計，確定出排氣管減震墊布置優化方案，并最終通過實驗驗證了優化方案的有效性，優化方案排氣管振動峰值振幅下降70.1%，全頻段振動水平得到有效改善，為冰箱壓縮機排氣管共振問題提出了一套完整的分析、優化方案及解決思路。