穆曉佳 單聯(lián)瑜 吳俊鴻 彭光前 夏增強(qiáng)

小米科技（武漢）有限公司 湖北武漢 430000

0 引言

隨著人們生活水平的提高，越來越多的空調(diào)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，空調(diào)的質(zhì)量顯得尤為重要。而空調(diào)室外機(jī)壓縮機(jī)管路系統(tǒng)作為空調(diào)的重要部件之一，自廠商至消費(fèi)者手中需要經(jīng)過一定的運(yùn)輸過程，在此期間空調(diào)室外機(jī)管路系統(tǒng)可能會(huì)由于振動(dòng)出現(xiàn)變形甚至斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此空調(diào)器在試制完成后需要根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]進(jìn)行定頻掃頻振動(dòng)、跌落等實(shí)驗(yàn)，以模擬空調(diào)實(shí)際運(yùn)輸過程中，空調(diào)室外機(jī)的管路結(jié)構(gòu)抗振動(dòng)能力及包裝對(duì)內(nèi)裝物的保護(hù)能力。

許多學(xué)者及工程師在項(xiàng)目開發(fā)階段，針對(duì)空調(diào)模擬運(yùn)輸中的管路的風(fēng)險(xiǎn)問題作出了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。吳佳釘?shù)热薣3]利用有限元方法仿真了不同工況對(duì)空調(diào)運(yùn)輸中的跌落變形影響，并且通過和跌落實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。爾馳瑪?shù)热薣4]采用大質(zhì)量法仿真了空調(diào)室外機(jī)運(yùn)輸中的應(yīng)力變化，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)可以利用仿真指導(dǎo)空調(diào)管路的設(shè)計(jì)。李彬等人[5]針對(duì)售后反饋的空調(diào)在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的冷進(jìn)管路斷裂問題，結(jié)合有限元仿真和掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模態(tài)共振是導(dǎo)致該斷管問題的主要原因。王振等人[6]針對(duì)運(yùn)輸?shù)鋵?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的吸氣管碰管現(xiàn)象，提出了優(yōu)化方案，并進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，最終經(jīng)跌落實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案有效。目前針對(duì)空調(diào)運(yùn)輸過程中跌落的仿真分析較多，而針對(duì)運(yùn)輸過程中掃頻振動(dòng)的斷管問題的仿真研究較少。

筆者針對(duì)某款家用空調(diào)室外機(jī)，在其項(xiàng)目開發(fā)階段參考企業(yè)家用空調(diào)器包裝運(yùn)輸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的參數(shù)（如表1所示）進(jìn)行了3～100 Hz的模擬運(yùn)輸掃頻振動(dòng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)的掃頻速率為1 oct/min，要求樣品按工作位置在三個(gè)相互垂直的軸線上依次振動(dòng)，每個(gè)軸線方向振動(dòng)10分鐘。

表1 掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程中，在電子膨脹閥組件出液管根部出現(xiàn)斷管現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 某機(jī)型原管路方案的斷管位置

本文針對(duì)此電子膨脹閥組件出液管斷管問題進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，并提出優(yōu)化方案，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

1 電子膨脹閥組件仿真

1.1 簡(jiǎn)化模型的建立

根據(jù)圖1中掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中出液管斷管位置，初步定位壓縮機(jī)管路系統(tǒng)中的電子膨脹閥組件，如圖2所示，包括小截止閥、小截止閥管路、小阻尼塊、大阻尼塊、過濾器、電子膨脹閥、線圈、出液管和加強(qiáng)管。其中，小截止閥管的U彎采用小阻尼塊包裹吸收振動(dòng)；電子膨脹閥與小截止閥管之間接有1個(gè)過濾器、電子膨脹閥與出液管之間接有1個(gè)過濾器；大阻尼塊包裹電子膨脹閥、過濾器及管路，用以吸收振動(dòng)。

圖2 某機(jī)型電子膨脹閥組件示意圖

將圖2的電子膨脹閥組件模型提取出來，并將加強(qiáng)管與出液管的焊接簡(jiǎn)化為約束面1，同時(shí)將小截止閥與鈑金件的固定裝配簡(jiǎn)化為約束面2，進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖3所示的仿真模型。

圖3 簡(jiǎn)化的電子膨脹閥組件仿真模型

采用圖3所示的電子膨脹閥簡(jiǎn)化模型做仿真時(shí)在約束面1和約束面2處添加固定約束，分別模擬實(shí)際管路系統(tǒng)中加強(qiáng)管與出液管的焊接、小截止閥與鈑金件的固定裝配。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)定

根據(jù)仿真模型中各個(gè)零部件的材料本身性質(zhì)，以及它們的實(shí)際重量，設(shè)定的仿真模型的材料參數(shù)如表2所示。其中，各段管路和過濾器的材料為紫銅，其密度為8900 kg/m3。

表2 各零部件的仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型中各個(gè)零部件采取自適應(yīng)的方法劃分網(wǎng)格，它們的網(wǎng)格大小如表3所示。其中，電子膨脹閥閥體、管路及過濾器的網(wǎng)格大小為2 mm，線圈、大阻尼塊、小阻尼塊的網(wǎng)格尺寸為5 mm。

表3 各零部件的網(wǎng)格尺寸設(shè)置

1.3 仿真結(jié)果分析

采用簡(jiǎn)化的仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電子膨脹閥組件原方案在100 Hz以內(nèi)的全部模態(tài)結(jié)果有4個(gè)，如表4所示；對(duì)應(yīng)變形量云圖如圖4～圖7所示。

圖4 優(yōu)化前第1階模態(tài)（前后振型）

圖5 優(yōu)化前第2階模態(tài)（左右振型）

圖6 優(yōu)化前第3階模態(tài)（上下振型）

表4 原方案100 Hz以內(nèi)的全部模態(tài)結(jié)果

從表4中可以看出，電子膨脹閥組件的出液管根部在77 Hz頻率處存在比100 Hz以內(nèi)的其他三階模態(tài)明顯的變形，分析得知在77 Hz頻率處，原管路方案的電子膨脹閥組件存在整體上下振動(dòng)模態(tài)，是導(dǎo)致斷管的主要原因。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)與仿真

2.1 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)分析得到的原管路方案斷管原因，本文利用原管路方案基于仿真實(shí)驗(yàn)的“模態(tài)振型出液管根部變形量”和“出液管諧響應(yīng)分析最大應(yīng)力結(jié)果”作出了進(jìn)一步的優(yōu)化方案，兩者的具體差異如圖8所示，優(yōu)化方案在原管路方案的基礎(chǔ)上將加強(qiáng)管焊接位置向出液管折彎處移55 mm，以減小出液管的懸臂長(zhǎng)度，提高電子膨脹閥組件的整體剛度，減小掃頻振動(dòng)時(shí)出液管根部的變形量，進(jìn)而改善出液管根部斷管問題。

圖8 原方案與優(yōu)化方案對(duì)比圖

如圖9所示，將管路系統(tǒng)中電子膨脹閥出液管與加強(qiáng)管的焊接位置、小截止閥與鈑金件的固定裝配簡(jiǎn)化為約束面進(jìn)行仿真。

圖9 原方案與優(yōu)化方案簡(jiǎn)化后的仿真模型

2.2 模態(tài)仿真分析

優(yōu)化后方案的有限元仿真邊界條件和參數(shù)與原方案保持一致，仿真計(jì)算得出的電子膨脹閥組件100 Hz以內(nèi)的模態(tài)結(jié)果如表5所示，對(duì)應(yīng)變形量云圖如圖10～圖12所示。

圖10 優(yōu)化后第1階模態(tài)（前后振型）

圖11 優(yōu)化后第2階模態(tài)（左右振型）

圖12 優(yōu)化后第3階模態(tài)（前后振型）

表5 優(yōu)化方案100 Hz以內(nèi)的模態(tài)結(jié)果

從表5中可以看出，相比原管路方案，優(yōu)化后方案的整體剛度提高，且在100 Hz內(nèi)未出現(xiàn)上下振動(dòng)模態(tài)，出液管根部也未出現(xiàn)變形，根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)果分析可知優(yōu)化方案可以避免該款機(jī)型的電子膨脹閥組件出液管斷管問題。

2.3 諧響應(yīng)仿真分析對(duì)比

在模態(tài)仿真設(shè)置的邊界條件和材料參數(shù)基礎(chǔ)上，參考表1的掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)置諧響應(yīng)頻率的范圍為3～100 Hz。另外，將由掃頻振動(dòng)的頻率和位移幅值可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的加速度：

公式（1）中，a為掃頻振動(dòng)的最大加速度，單位mm/s2；f為掃頻振動(dòng)的頻率，單位Hz；X為掃頻振動(dòng)的位移幅值，單位mm。將表1中掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的位移幅值和頻率帶入公式（1）計(jì)算得到單方向（X軸/Y軸/Z軸）上的諧響應(yīng)仿真最大加速度參數(shù)如表6所示。

表6 諧響應(yīng)仿真激勵(lì)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表6分別設(shè)置諧響應(yīng)仿真模型在X軸（模擬左右振型）、Y軸（模擬上下振型）、Z軸（模擬前后振型）方向上的最大加速度參數(shù)，仿真得到原方案與優(yōu)化方案的出液管最大應(yīng)力結(jié)果分別如圖13、圖14和圖15所示。

圖13 在X軸方向上施加加速度，出液管諧響應(yīng)分析最大應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

圖14 在Y軸方向上施加加速度，出液管諧響應(yīng)分析最大應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

圖15 在Z軸方向上施加加速度，出液管諧響應(yīng)分析最大應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

由圖13～圖15可以看出，在X和Z方向上施加激勵(lì)加速度，最大應(yīng)力位置由優(yōu)化前的出液管根部與加強(qiáng)管焊接處（實(shí)際斷管位置）偏移至優(yōu)化后的折彎處，且X方向施加激勵(lì)加速度后，最大應(yīng)力增加46.6%。Y方向施加激勵(lì)加速度后，最大應(yīng)力降低56.8%?？梢婋娮优蛎涢y組件的左右和前后振動(dòng)會(huì)使出液管焊接位置應(yīng)力偏移至折彎處，并非出液管焊接位置斷管的主要因素。

在Y方向施加激勵(lì)加速度，加強(qiáng)管優(yōu)化前后均在出液管根部與加強(qiáng)管焊接處（實(shí)際斷管位置）存在最大應(yīng)力，且變化明顯，優(yōu)化方案相比原方案在斷管處的應(yīng)力降低了73.1%，可見電子膨脹閥組件的上下振動(dòng)是影響出液管焊接位置應(yīng)力的主要因素，改變加強(qiáng)管焊接位置后，可有效降低出液管應(yīng)力，避免斷管。

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案更改實(shí)際樣機(jī)的加強(qiáng)管焊接位置，在原管路方案的基礎(chǔ)上將加強(qiáng)管焊點(diǎn)向出液管折彎處移55 mm左右，以驗(yàn)證優(yōu)化方案的仿真結(jié)果。

將優(yōu)化加強(qiáng)管位置后的樣機(jī)安裝在掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)表1的參數(shù)以1 oct/min的速率進(jìn)行3～100 Hz的模擬運(yùn)輸掃頻振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)按工作位置在三個(gè)相互垂直的軸線上依次振動(dòng)，每個(gè)軸線方向振動(dòng)10分鐘，實(shí)驗(yàn)后樣機(jī)的狀態(tài)如圖16所示，未出現(xiàn)斷管現(xiàn)象，驗(yàn)證了將加強(qiáng)管焊點(diǎn)向出液管折彎處移55 mm左右的優(yōu)化方案可行。

圖16 優(yōu)化管路方案掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的樣機(jī)狀態(tài)

4 結(jié)論

本文針對(duì)空調(diào)室外機(jī)模擬運(yùn)輸掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程中電子膨脹閥組件出液管斷管的問題，采用有限元仿真的方法，對(duì)斷管原因進(jìn)行了深入分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了優(yōu)化加強(qiáng)管焊點(diǎn)位置的方案，經(jīng)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效解決了空調(diào)室外機(jī)模擬運(yùn)輸掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程中的斷管問題，得到以下結(jié)論：

（1）電子膨脹閥組件的77 Hz整體上下振動(dòng)模態(tài)是引起原管路方案掃頻振動(dòng)出液管斷管的主要原因。

（2）針對(duì)出液管斷管問題，提出了加強(qiáng)管焊接位置優(yōu)化方案。并通過有限元仿真分析，電子膨脹閥組件的上下振動(dòng)是影響出液管焊接位置應(yīng)力的主要因素。在原管路方案的基礎(chǔ)上將加強(qiáng)管焊點(diǎn)位置向出液管折彎處移55 mm后，電子膨脹閥組件整體剛度提高，在實(shí)驗(yàn)頻率范圍（3～100 Hz）內(nèi)未出現(xiàn)上下振動(dòng)模態(tài)，且出液管根部的應(yīng)力相比原方案降低了73.1%，可以避免該款機(jī)型的電子膨脹閥組件出液管斷管問題。

（3）經(jīng)掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得，將加強(qiáng)管焊點(diǎn)向出液管折彎處移55 mm左右的優(yōu)化方案有效，優(yōu)化后樣機(jī)未出現(xiàn)斷管現(xiàn)象。