空調器配管系統優化設計

吳廣平 劉傳劍 梁健巧

（廣東美的制冷設備有限公司 廣東順德 528311）

引言

隨著人們生活水平的提高，對于空調的舒適性及可靠性的要求也越來越高。空調結構的可靠性和性能一樣，受到廣大用戶的重視。這就給我們設計和生產空調的企業，帶來了挑戰及機遇。而其中配管的設計,對于空調性能、結構可靠性、噪音等都有著深遠的影響。

空調室外機的配管設計，遵循著這樣一個原則：既要易于制作，又要振動達到相關要求，從而避免實際運輸和使用時疲勞斷管現象。

通常傳統的設計是在設計后做試驗，測試出排氣管、回氣管等處的振動，從而得到振動是否滿足要求的結論。這種方法需要大量的設計和試驗來驗證，并且還要進行結構可靠性的試驗及長期運行試驗，來驗證在用戶實際使用中是否會出現管裂，以及由配管振動引起的噪音問題。

由于有限元配管振動分析系統[1]的引入，使這個問題得到了簡化。通過對配管多階固有頻率的分析及周期性變化載荷分析，以避開共振區，并選擇最小的振動位移值。最后試驗驗證相關配管的振動。

1 空調配管振動原因分析

空調配管機械振動的主要原因，在于壓縮機本體由于內部結構本身的特性，使得壓縮機動平衡不是很理想而產生振動；管內氣流脈動在管道轉彎、管徑變化及有閥門時產生變化載荷，從而產生激振力,導致管道產生機械振動。

當周期激勵的頻率和設計管道的固有頻率相近時，管道就會產生共振。

室外機中與壓縮機相連接的排氣管處于氣體通路的最前端，壓力是最大的。因為是脈動壓力，所以通常此處的振動也較大。另回氣管處雖壓力較小，但此處和壓縮機的儲液罐連接，儲液罐通常隨壓縮機的機械振動而振動，另加上氣動的沖擊，所以振動的振幅也是比較大的[2]。

所以本文就室外機中相關管路的振動進行分析，特別是排氣管和回氣管處的振動，得到最優方案后，再進行實驗驗證。

2 原機配管設計仿真

通過三維設計軟件UG在鈑金結構框架下，設計配管及其零部件，形成總裝配體。通過在UG中的相關CAE軟件插件，首先對三維模型相關管路、管路附件、閥件、壓縮機等賦予相關屬性及參數，并將我們要分析的模型的數據提取出來。在有限元分析軟件中，將模型數據要轉化為CAE分析數據。最后進行整機的模態分析、諧響應分析的計算。

如圖1所示，原配管裝配體中為了減小振動，配管設計時，采用U型設計。壓縮機回氣管的設計采用了大U型設計，并且圍繞在壓縮機周圍。這樣設計的好處是當壓縮機運行時，回氣管的振動會減小。另外由于壓縮機本體的振動較大，使壓縮機汽液分離器處的振動也比較大，所以傳遞給回氣管的振動也相應較大，決定了回氣管的設計必須加U型設計才能夠緩沖振動。壓縮機排氣管的設計也是U型設計，從設計經驗來講，也有利于減小振動。從圖中可以看出排氣管及回氣管的長度比較長，這就為后面的優化提供了足夠的空間。

由于空調配管的復雜性，仿真分析只能得到一個近似的值。根據分析經驗，這個近似值對于指導配管優化設計已經足夠。分析時配管的參數如下：

紫銅密度Q= 8.95×103kg/m3；泊松比μ= 0.34

彈性模量E=1.23×1011N/m2；阻尼比ξ= 0.02。

模型導入分析軟件后，用殼單元法劃分網格。在排氣管端、回氣管端、閥冷凝器接管端口處、低壓閥接管端口處施加固定約束。使用疊代法（subspace)進行疊代求解，得到配管的多階固有頻率，如表1。

分析后得到相關位移分布如圖2、圖3、圖4所示。

從表1可以看出，第11階及第12階配管固有頻率和壓縮機的運行頻率（48.5Hz）較接近，這是配管與壓縮機產生共振的主要原因。從圖2整機位移分布和圖4回氣管綜合位移分布，可以看出回氣管下彎位處的振動位移比較大。圖3排氣管綜合位移分布值最大值也是在下彎位處。

3 配管的優化設計

由上面對原機的分析結果來看，配管管路的設計需要優化,特別是回氣管和排氣管。通過改變相關管路的長度，從而改變配管的固有頻率，使其避開壓縮機運行時的頻率，即避開共振區。首先在UG中給每個零件加屬性、特征點及特征線。加完屬性后進行模型屬性完整性檢查。檢查通過后，進行數據參數的填寫及數據的提取。提取到《空調器配管動力分析及優化設計軟件》中，進行幾何建模及劃分網格。同時進行壓縮機激勵計算。最后進行優化設計仿真分析，分析出配管的動態位移及諧響應情況。分析后針對多種優化方案，選擇最優的方案來進行制作配管，并進行試驗驗證。優化后的配管裝配體如圖5所示：

仿真分析的結果如表2以及圖6、圖7、圖8所示。

從上面表2優化后配管系固有頻率列表來看，配管系的固有頻率現在已和壓縮機的運行頻率（48.5Hz）遠離，也就是說遠離共振區。另外從圖6、圖7、圖8各部分的綜合位移值來看，配管位移也明顯減小。從這幾個數據綜合來分析研究，遠離48.5Hz共振區并且排氣管及回氣管位移相對較小的方案，符合優化設計要求。

表1 原配管系固有頻率列表

表2 優化后配管系固有頻率列表

表3 原機管路及優化機管路振動測試結果

4 配管振動位移測試驗證

試驗時樣機是在半消聲室應用丹麥的B&K振動測試系統進行測試。測試結果如表3所示。通過對原室外機及優化后的室外機的管路系統振動進行測試，證明此優化設計是可行的。

由表3中的數據可以得知，在優化設計中改變相關管路的長度后，管路的固有頻率變化了，和壓縮機本身的運行頻率遠離了，這樣就避免了管路和壓縮機運行時產生共振。而振動位移值也符合要求，達到優化的目的，同時降低了配管的成本。

5 結論

從上面的室外機配管仿真分析及試驗驗證，我們可以看出當管路的固有頻率接近壓縮機的運行頻率(48.5)時,就會產生共振。通過改變管路的狀態：包括布管空間方式、管路的長度、增加阻尼等來改變配管的固有頻率，使管路的固有頻率在48.5±8Hz范圍外，同時減小振動位移值。這樣就消除了機械共振，降低了振動位移值，同時也滿足了企業標準，為空調器室外機的可靠運行及降低運行噪音奠定了基礎。

[1]盧劍偉,吳文新等.有限元分析軟件ANSYS在空調配管設計中的應用研究.機械科學與技術，2004，23（5），515-516.

[2]招偉.基于有限元分析對空調器配管的優化設計.家電科技，2008年19期，54-56.