基于固有頻率的冰箱排氣管結構優化設計

黃文才 王利亞 江俊 李語亭 鐘澤 胡海宏

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

日益增長的經濟水平不斷地提升了人們對高品質生活的追求，各種高端家電產品已經進入人們的生活，成為了家庭生活中必不可少的存在，冰箱作為其中的一員，與人們的生活緊密相關。越來越多的功能化、高端化需求已經成為決定人們購買意愿的一個標準，同時產品的性能優點也成為人們評價產品的一個維度，靜音冰箱就是當今人們對人性化設計的追求之一。

冰箱作為全天候運行的設備，由于其結構的特性，其內部各部件功能運轉時會產生不同程度的噪聲。其中冰箱噪聲主要包括管路共振噪聲、冷媒波動噪聲、風機噪聲、壓縮機噪聲等幾方面，而管路噪聲作為機械室主要噪聲源之一，一直以來都是研究的重點。趙穎[1]等人通過對原排氣管路進行了氣流脈動和管路振動分析，結合現場管路振動實測數據，通過增加脈動衰減器，改變排氣管路布置，增加支撐結構管等措施對管路系統進行改造從而降低了管路振動；張占義[2]等人采用測振儀對螺桿式壓縮機排氣管現場采集多點進行振動測量，并利用建模軟件對管道系統進行建模和模態分析，獲得管道的固有頻率和振型、流體軌跡，進而找出了引起壓縮機排氣管強烈振動的關鍵性原因是氣流脈動和管道共振，經改進后使振動幅度大大降低；鮑敏[3]等人對壓縮機管路進行模態仿真，獲得壓縮機管路振動特性，對壓縮機管路進行優化，并確定最終改進方案，通過驗證管路平均振動降低50%以上；馬堅[4]等人通過測試獲得壓縮機工作工況下的主要激勵頻率，結合有限元仿真軟件對冰箱管路進行了仿真優化設計，模態仿真和實驗結果表明，優化管路走向會改變其固有頻率，進而避開壓縮機共振區；鄧向濤[5]等人綜合運用仿真優化、實驗分析等方法，針對冰箱機械室共振問題提出了改善方案，成功解決了冰箱低頻噪音大的問題。但是，針對于排氣管本身的結構設計研究較少，同時尚未從去掉減振錘的角度進行減振降噪研究。

根據2020年冰箱用戶體驗調研，冰箱的管路共振噪音在固有聲源噪聲中排在前列，用戶投訴的重點主要集中在機械室的壓縮機噪聲，而實際走訪調研發現機械室的噪聲主要來源于管路共振噪聲。由于運輸及人工安裝過程中存在不合理的操作易造成管路變形及碰撞，從而導致共振噪聲的問題，其中管路的結構變形是最重要的原因，因此對排氣管結構的合理設計是本次研究內容的重點。管路減振降噪的一般措施是在管路的相應位置施加減振錘來規避共振帶，但減振錘的存在無疑增加了相應的成本。因此針對排氣管的結構設計優化解決管路共振噪聲是本文研究的重點。本文針對某款對開門冰箱的排氣管路進行機理及實驗研究，得到了管路共振噪聲的問題要點，通過合理優化設計排氣管路結構，結合仿真分析，使管路達到有減振錘的減振降噪效果，為后續產品的設計和開發提供參考。

管路共振的本質是壓縮機啟動工作中，由于電機的啟動運轉而產生的振動傳遞到冰箱外殼或管路而引起的同頻振動[6]。通常為減小壓縮機內部電機工作時的振動噪音，壓縮機內部電機是由彈簧固定的，并且壓縮機的固定也采用橡膠支撐，已經起到了很好的減振效果。排氣管路作為冰箱壓縮機配管，是連接壓縮機與冷凝器等重要構成部件，其結構設計可靠性一直都是影響配管結構設計的關鍵影響因素[7]。

解決冰箱管路共振問題主要是使排氣管路的固有頻率避開壓縮機運行頻率，減小管路振動幅度。采用減振錘的措施可以大幅度降低管路的振動幅度，降低管路的振動頻率，從而達到避開共振頻率點的目的。這種方法的不足主要是在生產工藝中減振錘的安放位置容易因人為操作導致偏差，同時減振錘的存在也會增加成本預算。基于此，本文通過我司某型號冰箱管路進行結構優化設計，借助測試實驗設備，通過將實驗數據與仿真結果進行對比，證明所建排氣管路模型的合理性，基于仿真固有頻率和振動分析結果進行設計優化，使新設計的排氣管路達到原有性能效果。

2 冰箱壓縮機管路共振分析

管路共振噪聲是機械室噪聲的主要來源之一，其主要激勵源為壓縮機的振動，壓縮機通過橡膠墊安裝在壓縮機安裝底板上，壓縮機通過吸氣、排氣管路等與冰箱箱體相連。

壓縮機啟動是通過內部電機的簡諧運動帶動曲柄連桿進行轉動，產生相應的振動簡諧激勵，振動能量進而傳遞到壓縮機外表面殼體，殼體則將振動能量傳遞到機械室管路上，最后傳給箱體產生噪聲輻射。排氣管管路形狀相對復雜，對壓縮機管路共振影響較大。

當前某款冰箱型號排氣管的管路結構設計主要采用以下特征，如圖1所示，管路激勵源主要集中體現在壓縮機與管路接口端，同時其也作為約束端，最大振動點則為豎直方向的最遠端，最遠端管路振動大小決定著管路一階固頻特征分布。

本文采用建模仿真方法對排氣管路三進行結構優化設計，基于固有頻率測試分析結果進行對比驗證得出最佳管路設計方案。

圖1 管路特征

3 冰箱壓縮機管路仿真分析

3.1 排氣管管路模型的建立

針對我司某款型號的冰箱壓縮機排氣管路進行建模分析，實際管路結構設計如圖2所示，該排氣管主要特征為在相應的位置上施加了四個減振錘，具體位置如圖2所示。

圖2 排氣管管路結構設計

本次研究結合有限元分析軟件進行建模仿真，借助模擬仿真軟件能夠從設計端進行方案的優化分析，查尋方案的問題點，從而可以避免方案設計的盲目性。本次采用仿真軟件中的模態仿真模塊，模態仿真是針對材料固頻及剛度等固有屬性進行研究分析，通過將設計的管路結構進行抽殼處理，導入軟件模塊中設置激勵源及物性材料參數從而進行振動模態分析。

本次模擬研究的重點是針對排氣管管路固有頻率分布特征，進行管路結構優化設計，同時也考慮仿真工作的計算復雜性，在排氣管管路兩端設置好相應的約束邊界條件，以滿足實際壓縮機、箱體以及減振錘對管路的約束影響，排氣管采用的是鋼材料，具體參數如表1所示。

表1 排氣管主要物性參數

同時在管路相應位置處施加相同大小的減振錘，將建立好的模型導入到軟件中進行模擬分析，管路采用殼單元，單元大小為1 mm，減振錘采用四面體結構，單元大小為2 mm，在管路管口兩端施加固定約束，在減振墊與管路接觸處施加碰撞約束。可得固有頻率仿真結果如圖3所示。

3.2 實驗測試

針對我司某一款冰箱機械室的排氣管管路共振問題的研究，對裝配狀態下的管路進行實驗分析，獲取排氣管管路的相關參數。采用錘擊法對排氣管進行激勵固有頻率測試，通過智能數據采集和處理設備對回氣管路進行實驗數據采集，實驗通過單點激勵、多點響應的方法，在排氣管不同測點處分別布置加速度傳感器，同時選定激勵點進行敲擊，通過加速度傳感器獲得輸出響應變化曲線，從而得到管路的固有頻率分布，如圖4為實際加速度傳感器布點測試。

圖3 有減振錘—排氣管管路固有頻率仿真分析

圖4 實驗排氣管固有頻率激勵采集

實驗測試的排氣管路頻響函數變化如圖5所示，主要分析50 Hz以下的各階振動固有頻率，從中進行提取相應的固有頻率，一般取低階測試結果進行對比分析。

圖5 排氣管頻響函數曲線

表2 排氣管固有頻率實驗與仿真結果對比

3.3 實驗與仿真結果對比

將實際測試得到的固有頻率結果與模擬仿真測試結果進行對比，如表2所示，對比仿真模擬固有頻率結果與實驗數據，可得到的仿真固有頻率結果與實驗數據十分接近，各階固有頻率誤差均在8%以內，仿真精度達到要求，由此說明該模型的準確性，為后續方案設計提供可靠性基礎驗證。

同時為了凸顯減振墊在此管路的作用特征，需將減振錘去掉，再對排氣管管路進行模擬仿真分析，得到仿真結果圖6所示。

圖6 無減振錘—排氣管路固有頻率仿真分析

將所得模擬仿真結果記錄如表3所示。

表3 排氣管模擬仿真固有頻率

由表3可知，在排氣管上沒有減振錘時，排氣管管路固有頻率較高，引起管路共振的風險也就越高；施加減振錘后，管路的固有頻率得到優化，整體固有頻率減小，從而在很大程度上降低了共振概率。

3.4 方案優化設計

基于上述仿真分析和實驗對比測試，針對此排氣管進行結構優化，達到去掉減振錘的同時保持管路原有性能不變的目的。管路的固定約束端位置保持不變，結合固有頻率仿真分析結果，排氣管一階振動主要集中在上下方向上，故需要將此作為優化方向。通過不斷設計和分析，可得改后管路結構如圖7所示。

將所得排氣管結構方案導入模擬仿真軟件中，所有的邊界條件如上文所述，整體管長保持不變，將減振錘去掉，可得仿真結果如圖8所示。

將得到的仿真結果與原方案模擬仿真結果進行對比分析，可得表4，由表可知，新的排氣管固有頻率與原有減振墊管路結果十分接近，誤差率在3%以下，而且一階固有頻率結果誤差僅在0.063%，同時去掉減振墊，節約了預算成本，由此證明該設計方案的有效性。

圖7 排氣管優化設計方案

圖8 排氣管模擬仿真結果

圖9 管路方案制作樣件及組裝效果

圖10 方案前后噪音頻譜特征對比圖

表4 新方案與原方案仿真果對比

綜合以上方案對比分析結果，對優化的方案進行實際制作樣件，驗證其實際特征值變化，如圖9所示為管路方案樣件，對所制作的管路樣件進行組裝，對其進行噪音測試可得如圖10所示頻譜特征圖，從頻譜特征圖可以看出優化設計后的噪音有明顯下降，主要集中在壓縮機基頻段，證實了方案的可行性。

依據以上模擬仿真及測試實驗結果，解決管路共振噪聲可以從管路本身的結構設計入手，結合仿真分析和實驗測試兩種方式進行優化，通過形狀優化設計既能減少成本，又可以達到降低管路共振的效果。

4 結論

本文對某款型號冰箱管路采用實驗測試與仿真計算兩種方式進行對比分析，驗證了所建模型的準確性，并結合仿真分析對排氣管管路結構進行了優化設計，達到了原有管路施加減振錘方案的效果，同時進一步控制了成本，降低了管路共振風險，為解決管路共振噪聲提供了研究方向和思路。