吸氣消音器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性驗(yàn)證

陳冠鋒 沈大園

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230000）

引言

隨著家電行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各家電制造商更加重視產(chǎn)品品質(zhì)及市場(chǎng)問題，同時(shí)市場(chǎng)冰箱使用壽命在8～10年左右，不同位置冰箱零部件工作環(huán)境多樣，因此對(duì)各零部件提出了較高的要求。家用電器的噪音標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在成為各家電廠商爭(zhēng)取客戶的重點(diǎn)指標(biāo)，而壓縮機(jī)[1]是冰箱主要噪音來源部件，同時(shí)吸氣消音器又是壓縮機(jī)的降噪部件，因此吸氣消音器的設(shè)計(jì)成為壓縮機(jī)降噪[2]的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬分析[3]軟件的發(fā)展逐步將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到吸氣消音器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中成為行業(yè)趨勢(shì)。孫曉東等[4]采用理論、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方案設(shè)計(jì)一款消音器整個(gè)低頻區(qū)域降噪能力提升明顯，且壓縮機(jī)性能明顯提升。謝益新等[5]利用聲學(xué)仿真與理論計(jì)算結(jié)合同樣設(shè)計(jì)出的新結(jié)構(gòu)消音器使壓縮機(jī)總體噪聲下降1.6 dB。從以上消音器結(jié)構(gòu)研究中發(fā)現(xiàn)科研人員大多利用數(shù)值模擬技術(shù)在聲學(xué)降噪、空氣動(dòng)力學(xué)的壓力分布及傳遞損失等方面的杰出能力，旨在設(shè)計(jì)出降低噪聲和提高壓縮機(jī)性能的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，但還少有人對(duì)其持久可靠性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方案進(jìn)行研究。

本文針對(duì)市場(chǎng)中出現(xiàn)的吸氣消音器破裂帶來的可靠性檢驗(yàn)[6]不充分的問題，提出了通過仿真軟件模擬出吸氣消音器最惡劣承壓情況 ，同時(shí)分析出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)；綜合各種分析結(jié)果制定出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，利用仿真軟件及極限試驗(yàn)驗(yàn)證、環(huán)境試驗(yàn)檢討結(jié)構(gòu)方案的可靠性[7]，通過專項(xiàng)研究及實(shí)踐結(jié)果為吸氣消音器可靠性設(shè)計(jì)理論及實(shí)踐上提供了較完善的驗(yàn)證方案。

1 吸氣消音器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 原因分析

吸氣消音器破裂原因是多方面的，在問題篩查時(shí)發(fā)現(xiàn)同一批次無法復(fù)現(xiàn)同樣的問題，同時(shí)可能出現(xiàn)在壓縮機(jī)制造廠的各個(gè)環(huán)節(jié)，如搬運(yùn)、安裝、裝箱等。從工作原理來說，該吸氣消音器是從吸氣口吸入冷媒后，一部分冷媒通過吸氣消音器的排氣口進(jìn)入氣缸，另外一部分冷媒流到吸氣消音器的緩沖腔，冷媒經(jīng)緩沖后通過吸氣消音器的排氣口進(jìn)入氣缸進(jìn)行壓縮，如果吸氣消聲器底部的泄壓孔不能及時(shí)泄壓透過吸氣消音器墻壁的壓力不能足夠快地平衡就會(huì)斷裂；從工作環(huán)境來說，存在振動(dòng)、高溫、高濕環(huán)境影響，從試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上看，其中振動(dòng)是吸氣消音器破裂的主要因素，如果設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，在泄壓或者機(jī)械振動(dòng)條件同樣會(huì)出現(xiàn)破裂。

1.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

綜上分析確認(rèn)，可通過兩種方式解決吸氣消音器破裂問題；

1）降低吸氣消音器工作過程中壁面承壓，并通過流體仿真確認(rèn)降壓效果，最后進(jìn)行極限過程模擬驗(yàn)證及運(yùn)輸試驗(yàn)確認(rèn)優(yōu)化方案的可靠性。

2）通過增加壁厚或材質(zhì)強(qiáng)度以提升吸氣消音器工作過程壁面承壓能力，最后采用方案一的驗(yàn)證方案進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

鑒于成本、對(duì)整體設(shè)計(jì)方案影響等因素考量，本次采用方案一解決吸氣消音器破裂問題。

具體實(shí)施方案增加泄壓孔尺寸并取消吸氣膠套，改善吸氣消音器泄壓能力，降低內(nèi)外壓差，解決吸氣消音器破裂問題。

1.3 有限元建模及分析

在不妨礙仿真效果的前提下對(duì)模型尖角等進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理建立有限元模型，根據(jù)極限條件施加外部壓力條件2.4 Mpa，施加外部壓力0.7 Mpa。

結(jié)果分析：通過圖1、圖2 應(yīng)變?cè)茍D發(fā)現(xiàn)最大變形位置與問題吸氣消音器故障位置相近，確認(rèn)為強(qiáng)度最薄弱處。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

圖2 應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

2 改善方案驗(yàn)證

2.1 仿真驗(yàn)證

通過擴(kuò)大泄壓孔直徑及取消吸氣膠套的方案降低產(chǎn)品壁面承壓，同時(shí)為對(duì)比改善方案前后壁面承壓效果，建立了改善前后仿真模型；設(shè)置相同的邊界條件：產(chǎn)品外殼壓力為2.4 Mpa,吸氣管入口壓力為0 Mpa，最大壓差為2.4 Mpa。

結(jié)果分析：改善前泄壓口直徑1 mm*2，外殼與內(nèi)腔壓力差約0.72 Mpa，改善后吸氣消音器泄壓孔直徑2 mm*2，外殼與內(nèi)腔壓力差為0.08 Mpa ；通過以上方案降低了原方案壁面承壓的88.9 % ，極大的降低了對(duì)產(chǎn)品壁面壓力，保證了充足的強(qiáng)度裕量。

2.2 極限過程模擬試驗(yàn)方案驗(yàn)證

對(duì)工藝管充高壓2.4 Mpa時(shí)，吸氣管為大氣壓（即吸氣口直接與大氣互通），此時(shí)消音器壓力差最大，吸氣膠套在壓機(jī)腔體內(nèi)高壓作用下緊貼在壁面內(nèi)表面，同時(shí)產(chǎn)品只有通過消音器底部?jī)蓚€(gè)泄壓孔泄壓，當(dāng)泄壓不及時(shí)形成高壓就會(huì)造成薄弱環(huán)節(jié)破裂；

圖3 改善前應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

圖4 改善后壓力應(yīng)變?cè)茍D

圖5 試驗(yàn)過程

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果分析：通過對(duì)6臺(tái)直徑2 mm泄壓孔吸氣消音器產(chǎn)品承壓試驗(yàn)驗(yàn)證，6臺(tái)吸氣消音器外殼均無破裂發(fā)生；

2.3 運(yùn)輸試驗(yàn)驗(yàn)證，見圖7

圖7 試驗(yàn)條件

振動(dòng)試驗(yàn)方法：施加上下、左右、前后三個(gè)方向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試；試驗(yàn)臺(tái)數(shù)：5臺(tái)。

結(jié)果分析：以上運(yùn)輸試驗(yàn)全部完成后，檢查拆解觀察樣品狀態(tài)：

1）試驗(yàn)后樣機(jī)外觀檢查各零部件無異常，外觀完好。

2）分解檢查消音器部件，尤其對(duì)強(qiáng)度最薄弱區(qū)域確認(rèn)無破裂，變形等不良缺陷發(fā)生。

3 結(jié)論

本文主要結(jié)合產(chǎn)品品質(zhì)問題點(diǎn)其中一種優(yōu)化設(shè)計(jì)討論了吸氣消音器的設(shè)計(jì)思路，并寄希望從產(chǎn)品工作原理及使用場(chǎng)景方向探討一整套的可靠性評(píng)價(jià)方案[8]，以達(dá)到減少甚至杜絕至客戶端的產(chǎn)品品質(zhì)問題的發(fā)生。

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，為降低研發(fā)成本可通過數(shù)值仿真工具，初步驗(yàn)證分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)；一般這個(gè)環(huán)節(jié)需要確認(rèn)產(chǎn)品受力情況（受力大小、受力位置等），有確定性的數(shù)據(jù)庫(kù)后，才能做出更接近實(shí)際的仿真分析結(jié)果；本文產(chǎn)品受力應(yīng)變位置與故障位置相近，因此提供了兩種改善思路：①降低產(chǎn)品壁面承壓；②改善產(chǎn)品材質(zhì)；如改善方案選用第二種方案，那無論改善壁面結(jié)構(gòu)還是增加薄弱處壁厚均提供了較準(zhǔn)確的位置信息，縮短了再優(yōu)化時(shí)間。

2）仿真驗(yàn)證與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的可靠性驗(yàn)證方案，無論是吸氣消音器壁面承壓的仿真試驗(yàn)，還是極限過程的模擬驗(yàn)證及運(yùn)輸試驗(yàn)，均從結(jié)果上驗(yàn)證了在不增加材質(zhì)壁厚或改變材質(zhì)的情況下改善方案的正確性及可靠性；

本文可靠性驗(yàn)證方案有其不足之處，吸氣消音器破裂承壓可能是一種持久性的結(jié)果導(dǎo)致，因冰箱壓縮機(jī)工作一般是持久性工作且工作環(huán)境高溫潮濕，所以環(huán)境[6]對(duì)產(chǎn)品持久工作可靠性的驗(yàn)證工作，將是下一步的研究方向。