王利亞 黃文才 江俊 李語(yǔ)亭 鐘澤

美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230601

冰箱壓縮機(jī)振動(dòng)通過管路的振動(dòng)傳遞是冰箱振動(dòng)噪聲的重要傳遞路徑之一。冰箱機(jī)械室管路主要包括吸氣管和排氣管，管路對(duì)噪聲的影響主要體現(xiàn)在管路共振，以及管路中流體產(chǎn)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(diǎn)方向。張奎、朱小兵等開展了冰箱管路減振研究，通過對(duì)排氣管進(jìn)行吸振器設(shè)計(jì)，排氣管低頻振動(dòng)噪聲明顯降低[1]；鮑敏、李乾坤等通過模態(tài)仿真并結(jié)合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了管路振動(dòng)的原因，通過對(duì)管路及配重塊的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了管路振動(dòng)噪聲的降低[2]；周更生、張磊等進(jìn)行了壓縮機(jī)配管研究，優(yōu)化配管結(jié)構(gòu)，共振頻率聲壓級(jí)降低[3]。

本文針對(duì)我司某款冰箱機(jī)械室管路進(jìn)行研究，通過固有頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)建立了管路仿真分析模型，根據(jù)管路的模態(tài)仿真分析結(jié)果，確定了減震墊布置的最優(yōu)實(shí)施方案，并將該方案應(yīng)用于產(chǎn)品上。較之于其他方案，冰箱管路振動(dòng)響應(yīng)明顯較小，有效解決了冰箱管路共振問題，從而驗(yàn)證了通過仿真手段進(jìn)行冰箱管路減振降噪的可行性。

1 分析模型描述

冰箱機(jī)械室是冰箱的主要結(jié)構(gòu)組件，壓縮機(jī)管路連接冰箱箱體與壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題是冰箱機(jī)械室的主要結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題[4]，下面以壓縮機(jī)排氣管為例說明壓縮機(jī)管路分析模型的建立過程。

冰箱機(jī)械室包括壓縮機(jī)、橡膠墊、壓縮機(jī)底板、冷凝器、吸排氣管等，其中壓縮機(jī)為制冷系統(tǒng)的能量輸入部件，為冰箱振動(dòng)的主要激勵(lì)源，壓縮機(jī)排氣管路一端與壓縮機(jī)殼體相連，一端與冰箱箱體相連，為降低壓縮機(jī)排氣管振動(dòng)，在排氣管上布置減震墊，現(xiàn)有排氣管減震墊布置方案及相關(guān)部件連接關(guān)系，如圖1所示。經(jīng)市場(chǎng)反饋，此款壓縮機(jī)排氣管路投訴較多，表現(xiàn)為排氣管路共振問題，為解決管路共振問題，降低管路振動(dòng)水平，進(jìn)行管路仿真分析模型研究。

2 有限元模型建立

根據(jù)冰箱機(jī)械室部件連接狀態(tài)，建立冰箱機(jī)械室排氣管仿真分析模型。

其中排氣管路為不銹鋼材質(zhì)，且實(shí)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(zhì)。但由于排氣管路結(jié)構(gòu)剛度較低，易在使用中發(fā)生變形等問題，在排氣管固頻、陣型仿真分析過程中，應(yīng)保證仿真分析模型與實(shí)物模型的結(jié)構(gòu)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(tài)，可采用兩種簡(jiǎn)化分析方法建立排氣管路仿真分析模型：

（1）模型1：壓縮機(jī)-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(jī)殼體、壓縮機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)、橡膠墊、管路、底板、滾輪的連接狀態(tài)，對(duì)機(jī)械室各部件固有頻率及模態(tài)的影響，按照實(shí)際狀態(tài)設(shè)置部件連接。在結(jié)構(gòu)與箱體、地面連接處，設(shè)置約束條件，簡(jiǎn)化機(jī)械室整體與相鄰結(jié)構(gòu)的連接，將底板滾輪與地面連接處，簡(jiǎn)化為固定約束1、2，壓縮機(jī)排氣管與箱體連接處簡(jiǎn)化為固定約束3，壓縮機(jī)回氣管與箱體連接處簡(jiǎn)化為固定約束4，且考慮橡膠墊非線性問題，根據(jù)剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定相關(guān)材料參數(shù)，建立機(jī)械室的全部件固頻、模態(tài)仿真分析模型，壓縮機(jī)殼體、管路、底板等采用殼單元，壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、橡膠墊、滾輪等采用實(shí)體單元，單元總數(shù)303546個(gè)。

（2）模型2：?jiǎn)闻艢夤懿考抡娣治瞿Ｐ?，如圖3所示。

將壓縮機(jī)排氣管作為研究對(duì)象，適當(dāng)簡(jiǎn)化邊界條件，考慮排氣管與左側(cè)壓縮機(jī)殼體的連接，簡(jiǎn)化為固定約束5，考慮排氣管與右側(cè)與箱體的連接，簡(jiǎn)化為固定約束6，管路采用殼單元，減震墊采用實(shí)體單元，單元總數(shù)32861個(gè)。

對(duì)上述簡(jiǎn)化排氣管分析模型進(jìn)行仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定各仿真分析模型的準(zhǔn)確性。

圖1 機(jī)械室結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用傳函判別法，利用力錘為激勵(lì)輸入端，排氣管加速度信號(hào)為激勵(lì)響應(yīng)端，測(cè)試壓縮機(jī)排氣管固有頻率。[5]

由于排氣管結(jié)構(gòu)為三維管路結(jié)構(gòu)，其存在管路質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)剛度低、頻率分布集中、模態(tài)分布復(fù)雜等特點(diǎn)，為降低加速度傳感器自重對(duì)測(cè)試精度的影響，采用單點(diǎn)拾振、多點(diǎn)激勵(lì)的方法進(jìn)行管路結(jié)構(gòu)固頻識(shí)別，其實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 管路固頻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

考慮到管路實(shí)際共振問題主要為上下方向振動(dòng)，選取管路中間位置布置加速度傳感器作為加速度拾振點(diǎn)，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(jī)減震墊重量15 g，加速度傳感器重量對(duì)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)影響較小。為有效測(cè)試排氣管路固有頻率，在管路適當(dāng)位置共設(shè)置18個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)位置布置如圖4所示，在激振點(diǎn)位置分別進(jìn)行三向激勵(lì)，測(cè)試拾振點(diǎn)響應(yīng)，得到排氣管振動(dòng)傳遞函數(shù)及固有頻率。點(diǎn)集中位置，為保證減震墊對(duì)降低排氣管振動(dòng)水平起到最佳作用，且綜合考慮成本等因素，選擇振動(dòng)幅值點(diǎn)較為集中的4個(gè)幅值點(diǎn)位置作為最終減震墊布置方案。

?

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

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證排氣管振動(dòng)改善效果，測(cè)試優(yōu)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(yōu)化方案進(jìn)行壓縮機(jī)排氣管振動(dòng)掃頻測(cè)試。

排氣管振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)與固頻測(cè)試加速度測(cè)點(diǎn)一致，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，管路激勵(lì)方式采用壓縮機(jī)調(diào)頻激勵(lì)，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率控制系統(tǒng)輸入頻率，頻率調(diào)節(jié)范圍為25 Hz～75 Hz，測(cè)試管路振動(dòng)響應(yīng)。對(duì)比分析排氣管在不同橡膠減震墊布置方案下的振動(dòng)水平，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)壓縮機(jī)排氣管振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果可以得到：

（1）排氣管減震墊優(yōu)化方案，全頻段振動(dòng)加速度水平得到明顯改善；

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

（3）優(yōu)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(dòng)單峰，優(yōu)化方案有效。

6 結(jié)論

本文針對(duì)壓縮機(jī)排氣管振動(dòng)問題，提出了機(jī)械室排氣管仿真分析模型，并結(jié)合結(jié)構(gòu)固頻實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化后仿真分析模型的準(zhǔn)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(jiǎn)單、計(jì)算成本低、分析快捷。然后利用對(duì)標(biāo)后管路仿真分析模型的模態(tài)分析結(jié)果，通過在各階模態(tài)幅值點(diǎn)布置減震墊的方式，從模態(tài)設(shè)計(jì)角度，在壓縮機(jī)工作全頻段進(jìn)行排氣管減振設(shè)計(jì)，確定出排氣管減震墊布置優(yōu)化方案，并最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，優(yōu)化方案排氣管振動(dòng)峰值振幅下降70.1%，全頻段振動(dòng)水平得到有效改善，為冰箱壓縮機(jī)排氣管共振問題提出了一套完整的分析、優(yōu)化方案及解決思路。