利用有限元分析理論對空調器配管進行優化設計

潘柏江

（廣東美的暖通設備，廣東 佛山 528427）

由于空調器配管在空調運行中不僅會產生較大的噪音，而且會致使空調產生故障，為人們的生活帶來了極大的不便，再加上傳統的空調器配管的設計過程過于簡化，只能對系統的部分特性進行反映，而不能讓人們對所有的特性進行掌握，因此在測試過程中的進度十分緩慢，效率十分低下，這對空調設備質量的進一步提升是較為不利的。本文將主要采用有限元分析的方法對空調器配管的設計進行進一步優化。

1 空調器配管設計的工藝原則

1.1 吸氣與排氣管設計的工藝參數

壓縮機的排氣管能夠承受較大的壓力，而壓縮機的回氣管則會產生較大幅度的震動，因此，壓縮機的排氣管與回氣管的設計存在一定的差異。壓縮機在對排氣管進行設計時最主要考慮的是如何盡可能降低排氣管路的應力，而在對回氣管進行設計時要盡量降低應力與震動幅度，只有這樣才能盡量降低壓縮機回氣管的扭力矩，從而有效的提高空調壓縮機的質量，降低空調器配管破裂事故的發生。

而通常空調的設計人員將主要把空調器配管設計成壁厚較厚的U 銅型，來達成降低空調器配管震動幅度的目的，盡量將其安裝在離空調壓縮機較近的地方，并且在壓縮機排氣管部位只安裝一個空調器配管就可，而在壓縮機的回氣管附近要安裝兩個空調器配管，從而減小壓縮機汽液分離器的震動幅度。

1.2 間距設計的工藝參數

空調器配管和其他零部件之間的最小間距主要分為以下情況：當空調器配管的長度大于150 毫米時，或者其柔度較大時，最小間隙應保持在15 毫米以上；當空調器配管的長度小于150 毫米時，或者其具有較大剛度時，最小間隙應為10 毫米；空調器配管與風扇葉之間的最小間距應為25 毫米；而兩個空調器配管之間的最小間距為10 毫米[1]。

1.3 對空調器配管的受力支點進行設計時的主要工藝參數

空調器配管的受力支點主要有四個：即壓縮機的排氣口焊接處、壓縮機回氣口的焊接處、冷凝器的焊接處、低壓閥的焊接處。而這四個受力支點的主要設計工藝參數則如下所述：

1）從空調的具體使用情況上進行判斷，空調低壓閥上的焊接點出現破損和斷裂的情況較少，對空調器配管的影響較小。

2）空調壓縮機的回氣口焊接點與壓縮機的排氣口焊接點因為會受到較大的震動幅度影響，因此出現斷裂的情況較為頻繁，要想有效的解決這一問題，就需要加厚空調器配管的厚度，并采用U 型設計。

3）空調器配管之間進行連接時要考慮到采用將脹口、縮口和利用在定位上打點的方式來確保空調器配管連接的一致性。

4）在空調器配管與冷凝器進行連接時，要特別注意對工藝管強度與深度的增加，當冷凝管的連接點超過兩個時，就可以不再使用工藝管。

2 基于有限元分析的方法對空調器配管的建模

在空調器配管對上述工藝參數實現了充分的滿足之后，本節將基于有限元分析方法來對空調氣配管中存在的問題進行具體的分析并努力尋找其有效的解決方法。并提出更好的解決方案，實現降低空調器配管在空調運行過程中的震動幅度與噪音的目的。

2.1 載荷

2.1.1 離心力

空調壓縮機的旋轉不平衡造成的離心力大小情況，主要是由壓縮機偏心質量和偏心距離所決定的。根據有限元分析方法，我們可以將該離心力分解為垂直于空調壓縮機中心線上的三個扭矩，這三個扭矩會致使壓縮機的各部分震動并圍繞軸心線不停轉動[2]。

2.1.2 載荷大小

壓縮機的工作特性和空調制冷劑的流動性會根據壓縮機性能的不同而發生變化，因此，將主要引入壓縮機的參考激勵。

2.2 邊界條件

邊界條件主要分為兩點：第一點主要指要將空調壓縮機的室外機底座中的全部自由度和地面之間產生約束；第二點主要是指，要定義好空調壓縮機和橡膠腳，橡膠腳和空調底板與其他零部件之間的連接關系[3]。

2.3 材料數據

根據有限元分析法，主要對銅、鋁、橡膠這三種空調器配管加厚材料進行了分析與實驗，實驗結果表明，銅作為空調器配管的加厚材料最為合適。

3 空調器配管的優化設計方案

3.1 施加重物

空調壓縮機的回氣管有繞Z 軸旋轉的振型，并且在對空調壓縮機的回氣管進行諧響應分析的過程中，壓縮機的回氣管的振幅較大，而且會產生一定程度的位移，由于空調壓縮機的回氣管存在著這兩種問題，因此很容易造成空調器配管發生斷裂，使空調停止運作。而在回氣管上施加重物的方法能夠對空調器配管起到很好的調整作用，并且能夠改變空調器配管的振動頻率，有效避免共振情況的發生，降低空調壓縮機回氣管的位移距離，從而實現降低空調器配管發生斷裂的幾率的目的。并且由于空調壓縮機的回氣管一般在U 型部位發生位移的現象較為明顯，因此最好在U 型處施加防振橡膠等重物。

3.2 增加空調器配管的厚度

由于空調器配管在受到震動時容易發生斷裂的情況，因此，要適當的增加空調壓縮機回氣管的厚度，使其降低震動的幅度。將回氣管的厚度增加到0.76 毫米最為適宜，這樣能夠有效的對回氣管的模態和諧響應情況進行改善[4]。

3.3 改變空調器配管的走向

為了降低壓縮機的運行震動頻率，因此設計人員在對壓縮機進行設計時采用了U 型彎的設計理念，這樣在有效增加制冷劑的流動性同時，還能夠有效保障空調器配管的振動特性保持在最佳狀態[5]。而通過有限元分析后，在室外空調機允許的情況下，可以通過改變空調器配管的走向來解決空調內部震動較大的問題。

改變空調器配管的走向主要是指空調壓縮機的回氣管要逐漸向壓縮機的中心方向靠攏，直至兩者呈30 度時的位置為止。這種改變空調器配管走向的方式不僅可以有效的減少空調發出的噪音，為人們提供了更為安靜的工作與生活環境，而且也可以有效降低空調器配管的震動幅度，避免其斷裂情況的發生，增強空調的質量。并且這種設計方案也能節省資金成本，可謂是一舉兩得的好方法。

4 結束語

本文在對空調器配管當今使用中存在的問題進行調查分析的基礎上，利用有限元分析方法，對進一步改進空調器配管的設計提出了優化方案，以期能夠對方便人們的生活和工作環境發揮一定的作用。

［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[J].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[J].家電科技，2008（19）：54-56.

［3］王冠新，楊磊，胡辰，徐生，孫松麗，盧劍偉.基于虛擬樣機技術的變頻空調器配管系統動力學優化設計[J].湖北工業大學學報：社會科學版，2010，14（7）：125-154.

［4］龔曙光，邱愛紅，謝桂蘭，郭亞娟.基于有限元分析的零部件優化設計研究與應用[J].武漢理工大學，2012，15（3）：46-54.

［5］陳學文，陳軍，張鐵亮，吳艷軍.基于虛擬樣機技術的變頻空調配管系統動力學優化設計[J].中國地震局工程力學研究所，2013，12（2）：76-88.