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(jīng)濟水平不斷地提升了人們對高品質(zhì)生活的追求，各種高端家電產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)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(guān)。越來越多的功能化、高端化需求已經(jīng)成為決定人們購買意愿的一個標(biāo)準(zhǔn)，同時產(chǎn)品的性能優(yōu)點也成為人們評價產(chǎn)品的一個維度，靜音冰箱就是當(dāng)今人們對人性化設(shè)計的追求之一。

冰箱作為全天候運行的設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)的特性，其內(nèi)部各部件功能運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)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(fēng)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(jìn)行了氣流脈動和管路振動分析，結(jié)合現(xiàn)場管路振動實測數(shù)據(jù)，通過增加脈動衰減器，改變排氣管路布置，增加支撐結(jié)構(gòu)管等措施對管路系統(tǒng)進(jìn)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(xiàn)場采集多點進(jìn)行振動測量，并利用建模軟件對管道系統(tǒng)進(jìn)行建模和模態(tài)分析，獲得管道的固有頻率和振型、流體軌跡，進(jìn)而找出了引起壓縮機排氣管強烈振動的關(guān)鍵性原因是氣流脈動和管道共振，經(jīng)改進(jìn)后使振動幅度大大降低；鮑敏[3]等人對壓縮機管路進(jìn)行模態(tài)仿真，獲得壓縮機管路振動特性，對壓縮機管路進(jìn)行優(yōu)化，并確定最終改進(jìn)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(jié)合有限元仿真軟件對冰箱管路進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計，模態(tài)仿真和實驗結(jié)果表明，優(yōu)化管路走向會改變其固有頻率，進(jìn)而避開壓縮機共振區(qū)；鄧向濤[5]等人綜合運用仿真優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計研究較少，同時尚未從去掉減振錘的角度進(jìn)行減振降噪研究。

根據(jù)2020年冰箱用戶體驗調(diào)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(diào)研發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致共振噪聲的問題，其中管路的結(jié)構(gòu)變形是最重要的原因，因此對排氣管結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是本次研究內(nèi)容的重點。管路減振降噪的一般措施是在管路的相應(yīng)位置施加減振錘來規(guī)避共振帶，但減振錘的存在無疑增加了相應(yīng)的成本。因此針對排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)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(jìn)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(yōu)化設(shè)計排氣管路結(jié)構(gòu)，結(jié)合仿真分析，使管路達(dá)到有減振錘的減振降噪效果，為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)提供參考。

管路共振的本質(zhì)是壓縮機啟動工作中，由于電機的啟動運轉(zhuǎn)而產(chǎn)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(nèi)部電機工作時的振動噪音，壓縮機內(nèi)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(jīng)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(gòu)成部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性一直都是影響配管結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)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(dá)到避開共振頻率點的目的。這種方法的不足主要是在生產(chǎn)工藝中減振錘的安放位置容易因人為操作導(dǎo)致偏差，同時減振錘的存在也會增加成本預(yù)算。基于此，本文通過我司某型號冰箱管路進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，借助測試實驗設(shè)備，通過將實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)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(jié)果進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，使新設(shè)計的排氣管路達(dá)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(nèi)部電機的簡諧運動帶動曲柄連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生相應(yīng)的振動簡諧激勵，振動能量進(jìn)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(chǎn)生噪聲輻射。排氣管管路形狀相對復(fù)雜，對壓縮機管路共振影響較大。

當(dāng)前某款冰箱型號排氣管的管路結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(yuǎn)端，最遠(yuǎn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，基于固有頻率測試分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證得出最佳管路設(shè)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(jìn)行建模分析，實際管路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，該排氣管主要特征為在相應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

本次研究結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行建模仿真，借助模擬仿真軟件能夠從設(shè)計端進(jìn)行方案的優(yōu)化分析，查尋方案的問題點，從而可以避免方案設(shè)計的盲目性。本次采用仿真軟件中的模態(tài)仿真模塊，模態(tài)仿真是針對材料固頻及剛度等固有屬性進(jìn)行研究分析，通過將設(shè)計的管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽殼處理，導(dǎo)入軟件模塊中設(shè)置激勵源及物性材料參數(shù)從而進(jìn)行振動模態(tài)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(jìn)行管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，同時也考慮仿真工作的計算復(fù)雜性，在排氣管管路兩端設(shè)置好相應(yīng)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(shù)如表1所示。

表1 排氣管主要物性參數(shù)

同時在管路相應(yīng)位置處施加相同大小的減振錘，將建立好的模型導(dǎo)入到軟件中進(jìn)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(jié)構(gòu)，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?？傻霉逃蓄l率仿真結(jié)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(tài)下的管路進(jìn)行實驗分析，獲取排氣管管路的相關(guān)參數(shù)。采用錘擊法對排氣管進(jìn)行激勵固有頻率測試，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(jìn)行敲擊，通過加速度傳感器獲得輸出響應(yīng)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(shù)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(jìn)行提取相應(yīng)的固有頻率，一般取低階測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖5 排氣管頻響函數(shù)曲線

表2 排氣管固有頻率實驗與仿真結(jié)果對比

3.3 實驗與仿真結(jié)果對比

將實際測試得到的固有頻率結(jié)果與模擬仿真測試結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示，對比仿真模擬固有頻率結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，可得到的仿真固有頻率結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)十分接近，各階固有頻率誤差均在8%以內(nèi)，仿真精度達(dá)到要求，由此說明該模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)方案設(shè)計提供可靠性基礎(chǔ)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(jìn)行模擬仿真分析，得到仿真結(jié)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(jié)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(fēng)險也就越高；施加減振錘后，管路的固有頻率得到優(yōu)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(yōu)化設(shè)計

基于上述仿真分析和實驗對比測試，針對此排氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)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(jié)合固有頻率仿真分析結(jié)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(yōu)化方向。通過不斷設(shè)計和分析，可得改后管路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

將所得排氣管結(jié)構(gòu)方案導(dǎo)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(jié)果如圖8所示。

將得到的仿真結(jié)果與原方案模擬仿真結(jié)果進(jìn)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(jié)果十分接近，誤差率在3%以下，而且一階固有頻率結(jié)果誤差僅在0.063%，同時去掉減振墊，節(jié)約了預(yù)算成本，由此證明該設(shè)計方案的有效性。

圖7 排氣管優(yōu)化設(shè)計方案

圖8 排氣管模擬仿真結(jié)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(jié)果，對優(yōu)化的方案進(jìn)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(jìn)行組裝，對其進(jìn)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(yōu)化設(shè)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(jù)以上模擬仿真及測試實驗結(jié)果，解決管路共振噪聲可以從管路本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，結(jié)合仿真分析和實驗測試兩種方式進(jìn)行優(yōu)化，通過形狀優(yōu)化設(shè)計既能減少成本，又可以達(dá)到降低管路共振的效果。

4 結(jié)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(jìn)行對比分析，驗證了所建模型的準(zhǔn)確性，并結(jié)合仿真分析對排氣管管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到了原有管路施加減振錘方案的效果，同時進(jìn)一步控制了成本，降低了管路共振風(fēng)險，為解決管路共振噪聲提供了研究方向和思路。