高 旭，熊 軍

(珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

前言

家用空調(diào)室外機的配管往往是結(jié)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)，配管的設(shè)計質(zhì)量不僅影響噪音、壓縮機振動的傳遞，還直接影響著整機運行的可靠性，由于配管設(shè)計不合理導致管路失效的案例也屢見不鮮。目前配管設(shè)計的現(xiàn)狀仍是經(jīng)驗指導設(shè)計，通過設(shè)計→試驗→優(yōu)化設(shè)計的循環(huán)方式完成。針對配管設(shè)計缺乏理論指導。因此對配管的動力學性能沒有一個全面的認識和了解，是否會在使用過程中出現(xiàn)“斷管”等售后問題都沒有清晰的認識。為降低管路的振動以及應力應變往往根據(jù)試驗在管路上綁扎阻尼塊、橡膠塊用于減震降噪，在降低振動的同時卻降低了管路質(zhì)量的可靠性。

針對目前的這種狀況，國內(nèi)外學者從管路的失效形式以及機理方面進行了相關(guān)分析[1]，還有一些學者[2-7]應用有限元仿真技術(shù)對管路動力學分析在一定程度上指導了管路設(shè)計。

本文針對某型室外機管路進行了相關(guān)動力學分析并根據(jù)分析結(jié)果對原始管路進行了優(yōu)化。優(yōu)化后管路取消了用于減振降噪的阻尼塊、橡膠塊，排氣管U型彎增加50mm，吸氣管U型彎增加15mm，仿真與試驗效果表明優(yōu)化效果明顯，降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品的可靠性。

1 配管有限元模型建立

1.1 模型簡化處理

家用空調(diào)室外機系統(tǒng)包括風機系統(tǒng)及壓縮機系統(tǒng)，相對復雜，針對我們分析問題的對象需要簡化模型，重點關(guān)注壓縮機、減震膠墊、管路所組成的模型，簡化模型如圖1；由于所建立的幾何模型主要為分析管路的動力學性能，因此在模型里對壓縮機進行了簡化處理——未關(guān)注到壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)，但保證其質(zhì)量分布與剛度分布與原模型吻合。

圖1 管路幾何模型

1.2 單元選擇及約束處理

考慮所建模型的特點及分析要求，針對不同結(jié)構(gòu)采用不同的單元進行網(wǎng)格劃分，具體選擇如表1。

表1 單元選擇表

分類單元壓縮機減震膠墊Solid45壓縮機Shell63管路Shell63四通閥Shell63

在所考慮的管路模型中，壓縮機減震膠墊底部施加固定約束；壓縮機腳墊與壓縮機基腳接觸部分通過位移耦合方式進行處理；另考慮到大閥門連接管所連接的閥門支架剛度較大，振動位移較小，故連接端部考慮為位移全約束；冷凝器連接管與冷凝器連接，考慮到冷凝器質(zhì)量大振動位移較小，同樣處理連接管端部為固定約束。

1.3 載荷處理

針對室外機配管系統(tǒng)，管路所承受的主要載荷主要來自壓縮機以及周期性吸排氣冷媒作用到管路上的脈動壓力。根據(jù)壓縮機的載荷特點，通過測得的吸排氣口三方面振動位移進行載荷識別。壓縮機激勵載荷簡化為徑向力及轉(zhuǎn)矩，冷媒脈動壓力由經(jīng)驗值獲得。具體載荷信息如表2所示。

表2 管路系統(tǒng)載荷一覽表

壓縮機工作頻率徑向力Z向扭矩47Hz49N8159.8N*m排氣管壓力脈動吸氣管壓力脈動0.03MPa0.01MPa

2 管路結(jié)構(gòu)動力學分析及優(yōu)化

2.1 原始管路動力學分析

為了解管路動力學性能，首先對裸管進行動力學仿真分析，以便根據(jù)結(jié)果進行優(yōu)化。由于壓縮機的工作頻率為50Hz左右，且壓縮機的主要振動能量集中于2倍頻以內(nèi)，因此模態(tài)分析階數(shù)為前20階，已覆蓋我們所關(guān)心的頻率范圍。

模態(tài)分析及諧響應分析結(jié)果如表3、表4，位移及應力分布云圖如圖2、3。從分析結(jié)果來看，裸管結(jié)構(gòu)固有頻率存在兩階模態(tài)均接近壓縮機的激勵頻率，易產(chǎn)生管路共振；從諧響應分析結(jié)果來看，由于共振的產(chǎn)生，排氣管U彎處振動較大導致排氣管靠近排氣口彎位應力嚴重超標，因此需調(diào)整吸排氣管設(shè)計，使結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，避開共振點降低排氣管。

表3 裸管固有頻率表(Hz)

階數(shù)12345固頻4.64.98.0910.613.2階數(shù)678910固頻14.122.730.341.344.3階數(shù)1112131415固頻49.46264.776.699.1階數(shù)1617181920固頻117.9122.5132.1133.7163.9

表4 裸管諧響應分析結(jié)果

吸氣管排氣管大閥門連接管冷凝器連接管最大位移值0.170.580.080.13最大應力值3.9912.336.584.7

圖2 整機位移分布云圖

應用阻尼減震技術(shù)，通過試驗方式確定阻尼塊及減震橡膠塊的位置，經(jīng)反復調(diào)整，管路應力應變達標，但管路上增加了阻尼塊、橡膠塊，由于存在失效問題也就降低了管路長期運行的可靠性。采用減震措施的管路如圖4。

針對增加阻尼塊及橡膠塊的管路進行動力學仿真分析(模態(tài)分析、諧響應分析)，結(jié)果如表5、表6。

從分析結(jié)果不難看出：管路的固頻與裸管相比，雖減少一階距激勵頻率較近的模態(tài)，但第12階為43.8Hz，仍存在管路共振的可能性。具體振型如圖5所示，吸氣管出現(xiàn)較大幅度徑向、上下組合擺動，這樣勢必會造成剛度較大的地方(吸氣管與儲液罐吸氣管口、與四通閥連接處)出現(xiàn)應力應變較大的情況。

圖4 管路幾何模型

圖5 第12階振型圖(吸氣管上下、P徑向擺動43.8Hz)

表5 原始管路固有頻率表(Hz)

階數(shù)12345固頻4.54.88.010.613.1階數(shù)678910固頻1420.92727.630.9階數(shù)1112131415固頻31.443.857.462.795.1階數(shù)1617181920固頻106108119127131

從諧響應分析結(jié)果可知：與裸管相比應力最大值有所降低，但管路在壓縮機載荷激勵下主要是第12階模態(tài)的表現(xiàn)，以吸氣管為主導的振動導致吸氣管第二個彎以及與四通閥連接剛度比較大的地方應變較大影響了整套管路的性能，優(yōu)化目標鎖定。

表6 原始管路諧響應分析結(jié)果一覽表

吸氣管排氣管大閥門連接管冷凝器連接管最大位移值(mm)0.340.110.080.08最大應力值(Mpa)8.973.274.783.08

圖6 整機位移分布云圖

圖7 整機應力分布云圖

圖8 管路幾何模型

2.2 仿真優(yōu)化管路動力學分析

根據(jù)原始管路的分析結(jié)果對吸氣管進行了修改。將“V”型彎改為“U”，另外對吸排氣管U彎的長度進行了調(diào)整，避開壓縮機工作頻率，防止管路出現(xiàn)共振現(xiàn)象，同時均衡各管路所承擔的應力，最終優(yōu)化后模型如圖8所示。分析結(jié)果表明：

(1)管路的固有頻率避開壓縮機運行頻率47Hz，距壓縮機激勵頻率較近的兩階模態(tài)為第10階(38Hz)、第11階(59Hz)，避免了共振的產(chǎn)生；

(2)管路最大應力由8.9MPa降為3.5MPa，有大幅度的降低，保證了管路在運行過程中的可靠性；

(3)管路的前六階振型主要為壓縮機主導的振動，第七階開始為管路主導，因此為防止運輸過程中管路共振，必須提高第七階固有頻率，汽車來自地面的激勵多為20Hz以下，優(yōu)化后第7階由20.9Hz提高到23Hz，降低了運輸過程中管路共振導致失效的概率。

表7 優(yōu)化后管路固有頻率表(Hz)

階數(shù)12345固頻4.85.18.210.713階數(shù)678910固頻1423313438階數(shù)1112131415固頻59687590108階數(shù)1617181920固頻120126134145167

表8 優(yōu)化后管路諧響應分析結(jié)果一覽表

吸氣管排氣管大閥門連接管冷凝器連接管最大位移值(mm)0.120.180.030.04最大應力值(MPa)1.653.522.371.62

圖9 管路有限元模型

圖10 整機位移分布

圖11 整機應力分布

3 試驗驗證

根據(jù)有限元分析結(jié)果制作管路，裝機2套進行管路應力應變測試，測試工況分別為最大制冷、最大制熱(較惡劣運行工況)，詳細數(shù)據(jù)對比如表9、10。對比結(jié)果表明：

(1)運行最大制冷模式，應變最大值39μ降至27μ，最大制熱模式，應變最大值47μ降至34μ；

(2)優(yōu)化后的管路應變值相對均衡，可靠性比優(yōu)化前提高；

(3)優(yōu)化后管路取消了管路上用于減振降噪的阻尼塊及橡膠塊，更利于保證管路質(zhì)量的一致性及整機運行的可靠性。

表9 最大制冷模式(室內(nèi)32℃室外48℃)，原始、優(yōu)化管路應變對比表

低電壓機型測點1測點2測點3測點4原始28391124優(yōu)化132251429優(yōu)化226272018額定電壓機型測點1測點2測點3測點4原始29311125優(yōu)化131211632優(yōu)化218252112高電壓機型測點1測點2測點3測點4原始29351132優(yōu)化150271719優(yōu)化215252118

注：測點1-吸氣管;測點2-排氣管;測點3-儲液罐;測點4-四通閥

表10 最大制熱模式(室內(nèi)27℃室外24℃)，原始、優(yōu)化管路應變對比表

低電壓機型測點1測點2測點3測點4原始28471127優(yōu)化132341840優(yōu)化232292139額定電壓機型測點1測點2測點3測點4原始31281031優(yōu)化126251840優(yōu)化234273038高電壓機型測點1測點2測點3測點4原始36391032優(yōu)化130361955優(yōu)化231283043

注：測點1-吸氣管;測點2-排氣管;測點3-儲液罐;測點4-四通閥

4 結(jié)論

通過利用有限元仿真技術(shù)對某型空調(diào)室外機管路的優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證，表明：

(1)試驗驗證結(jié)果說明建立模型時的簡化處理、約束處理及載荷處理是合理的，所建有限元模型是準確、可靠的；

(2)通過模態(tài)分析優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)及走向，管路固頻有效避開壓縮機激勵頻率且幅度較大，利于降低整個管路結(jié)構(gòu)的動力學響應；

(3)有限元仿真技術(shù)能夠有效地指導空調(diào)配管設(shè)計，提升管路的設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化的管路在應力應變方面各管路相對均衡，避免單根承受較大應力而導致斷管現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高管路運行的可靠性；

(4)管路整體固頻提升，避免運輸過程中在20Hz以下地面激勵下管路共振，提升管路運輸可靠性，防止管路失效。

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