基于仿真分析的冰箱回氣管優(yōu)化設(shè)計

鐘澤 江俊 李語亭 王利亞 趙圣宇

美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部用戶與產(chǎn)品中心 安徽合肥 230601

0 引言

經(jīng)濟(jì)的增長帶動了人們消費水平的提高，冰箱作為主要的家電產(chǎn)品已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠郑湓趲Ыo人們生活便利的同時，其噪聲問題成為影響人們生活品質(zhì)的因素之一，冰箱的噪聲大小也成為人們衡量產(chǎn)品性能的一大指標(biāo)。

冰箱的噪聲問題一直以來都是研究的重點，其噪聲來源主要為壓縮機(jī)的振動、制冷劑流動、風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、材料的熱脹冷縮以及管路的共振等方面[1]，冰箱機(jī)械室的管路共振則是噪聲的主要表現(xiàn)之一。回氣管和排氣管作為冰箱機(jī)械室內(nèi)連接壓縮機(jī)和冷凝器等重要部件，是制冷劑運輸?shù)闹匾ǖ溃苈返慕Y(jié)構(gòu)性設(shè)計是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，解決管路共振問題通常是通過進(jìn)行合理的配管設(shè)計，減小管路的振幅，使得管路的固有頻率避開冰箱壓縮機(jī)的運行頻率。

何少勇[2]等人分析了風(fēng)冷變頻冰箱的噪聲主因，并針對管路提出了部分改善建議；鮑敏[3]等人通過對小型風(fēng)冷冰箱的壓縮機(jī)管路進(jìn)行模態(tài)仿真分析確定了管路振動異常原因，并對此進(jìn)行了優(yōu)化；楊愷[4]等人提出一種基于反共振原理的管路吸振器調(diào)諧方法通過調(diào)諧動力吸振器固有頻率，改變管路振動傳遞函數(shù)的反共振區(qū)域，從而改變管路振動傳遞特性，實現(xiàn)振動抑制；邱文輝[5]等人針對配管停機(jī)應(yīng)力超標(biāo)問題，通過實驗和仿真兩種手段，對配管系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有頻率及對應(yīng)振型，并對配管系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以上的研究為解決管路噪聲指引了方向。

本研究針對我司某一型號冰箱的壓縮機(jī)管路共振問題展開，通過仿真和實驗兩種手段對回氣管進(jìn)行固頻分析，借助仿真分析對回氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并利用實驗結(jié)果驗證了仿真的準(zhǔn)確性，有效地避開了壓縮機(jī)固有頻率，降低了管路的剛度，為解決管路共振問題提供了方案依據(jù)。

1 冰箱管路建模分析

1.1 管路三維模型

冰箱機(jī)械室內(nèi)的管路系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、回氣管和排氣管及底板等，壓縮機(jī)是振動源，能量由管道傳遞到箱體和底板上，能量在傳遞的過程中引發(fā)管路振動，由此將其作為一個整體研究對象，同時為了便于計算，對小型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，建立三維模型如圖1所示。

圖1 管路系統(tǒng)三維模型

1.2 仿真分析

壓縮機(jī)作為振源，管路作為其振源傳遞路徑之一。而管路結(jié)構(gòu)本身的振動屬性——振動模態(tài)是影響管路共振噪聲的主要原因，文章的目的是基于管路結(jié)構(gòu)本身的屬性進(jìn)行研究，而不是把整個機(jī)械室作為研究對象而考慮。而壓縮機(jī)實際運行中是通過將產(chǎn)生的振動力傳遞給管路，引起管路振動，當(dāng)壓縮機(jī)運行產(chǎn)生的振動頻率與管路結(jié)構(gòu)本身的頻率同等時會引發(fā)共振，故而對管路結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，更多的把壓縮機(jī)作為激勵源進(jìn)行簡化處理。仿真分析是作為研究管路結(jié)構(gòu)常用的一種方法，本研究從管路的固頻和剛度兩個方面分析壓縮機(jī)管路共振問題，固頻是管路材料的本身特性，只與系統(tǒng)的剛度、阻尼以及質(zhì)量有關(guān)，結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程主要為：

式（1）中：{a}、{v}、{x}、{f}分別是加速度向量、速度向量、位移向量和載荷向量，[M]、[C]、[K]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣。當(dāng)物體為彈性體時，可忽略阻尼作用，則可得：

式（4）中：f為材料的固有頻率。

而材料受到外力的刺激會產(chǎn)生彈性形變，根據(jù)胡克定律可得：

式（5）中：F為力的大小，K為彈性系數(shù)，x為位移。

將建立好的幾何模型導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行仿真分析，有限元回氣管模型如圖2所示。通過設(shè)置相應(yīng)的邊界條件可得到回氣管的固有頻率。

圖2 回氣管仿真分析

2 實驗測試

針對我司某一款冰箱機(jī)械室的管路共振問題進(jìn)行研究，對裝配狀態(tài)下的管路進(jìn)行實驗分析，獲取回氣管路的相關(guān)參數(shù)。采用錘擊法對回氣管進(jìn)行測試，通過智能數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備對回氣管路進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)采集，實驗通過單點激勵、多點響應(yīng)的方法，在回氣管的不同測點處分別布置加速度傳感器，采用PCB壓電傳感器，單相和三相振動探頭進(jìn)行測試，具體技術(shù)參數(shù)為：傳感器質(zhì)量5.4 g；尺寸11.4 mm立方體；量程±100 g；軸向靈敏度（25℃）100 mV/g（160 Hz）；頻率響應(yīng)（±1 dB）1～5000 Hz；工作溫度-54℃～121℃。

在每個測點處測量三個方向上的加速度，同時選定激勵點進(jìn)行敲擊，通過加速度傳感器獲得輸出響應(yīng)。

2.1 實驗與仿真結(jié)果對比分析

通過實驗測試分析其相干性可得回氣管頻響函數(shù)如圖3所示，從中提取回氣管的固有頻率，回氣管的實驗與仿真的固有頻率如表1所示，針對回氣管的固頻研究只考慮在低階固頻上，所以本次實驗數(shù)據(jù)只采集120 Hz以下進(jìn)行分析，由表中數(shù)據(jù)分析可得實驗與仿真的固有頻率誤差在3%以內(nèi)，證明了仿真的準(zhǔn)確性和可行性。

圖3 回氣管頻響函數(shù)曲線

表1 回氣管實驗和仿真固有頻率（Hz）

2.2 回氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對頻響函數(shù)曲線進(jìn)行分析可知，在回氣管的z方向上振動變化明顯，由此降低回氣管z方向的振動是優(yōu)化的重點方向。回氣管與壓縮機(jī)相連，整體形狀以直線為主，容易造成回氣管在壓縮機(jī)附近的剛度變化，將回氣管設(shè)計進(jìn)行形狀優(yōu)化，設(shè)計成一個豎彎形狀和兩個豎彎形狀，對其建立三維模型如圖4所示，并對其進(jìn)行仿真研究，得到其固頻分布，如表2所示，由表中數(shù)據(jù)可知在回氣管在兩端固定且邊界條件恒定下，回氣管管路豎彎的存在極大地降低了固頻值，同時隨著管路中豎彎的增加，固頻值減小，有利于避開共振頻率。

表2 三種不同形狀回氣管仿真固頻（Hz）

圖4 兩種豎彎形狀回氣管

同時，與壓縮機(jī)相連的回氣管受力會發(fā)生振動產(chǎn)生位移，繼而會影響回氣管的剛度變化，于是在仿真模擬中在回氣管的一端測點處施加相同大小的敲擊力道，記錄三種不同形狀的回氣管在三個方向上的的位移變化特征，根據(jù)計算公式可得剛度變化結(jié)果，如表3所示。

表3 三種不同形狀回氣管仿真位移和剛度

由表3中數(shù)據(jù)可得，將回氣管設(shè)置成豎彎形狀，回氣管的三個方向上的位移都增大，其中在y和z方向上變化更為明顯，y方向剛度最大變化率達(dá)到25.47%，z方向上最大變化率達(dá)到46.06%；同時回氣管路中隨著豎彎的個數(shù)增加其剛度逐漸降低，在x方向上剛度減小45.53%，y方向上減小48.65%，z方向上變化最大，減小了63.58%。

2.3 實際測試結(jié)果對比分析

該實際優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)已在我司產(chǎn)品上得到應(yīng)用，經(jīng)測試管路振動減小，整機(jī)噪聲也有明顯改善，各驗證模型實際噪聲和振動加速度測試結(jié)果如表4所示。

表4 三種不同形狀回氣管實際噪聲和振動加速度測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文針對我司某款冰箱管路共振優(yōu)化問題，利用實驗及仿真的方法對管路噪聲進(jìn)行優(yōu)化分析，通過對回氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）通過實驗測試與仿真分析得到了管路的頻響函數(shù)，仿真結(jié)果和實驗測試結(jié)果十分吻合，證實了模型的可行性。

（2）對回氣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將回氣管形狀增加一個豎彎會降低回氣管的固頻和剛度，從而在一定程度上可以避開共振頻率，減少共振噪聲；同時隨著回氣管路豎彎的個數(shù)增加，管路的固頻和剛度會繼續(xù)降低，在y和z方向上表現(xiàn)明顯。