基于諧響應分析某空調配管設計

郭金露 馬海林

（1.杭州九陽小家電有限公司 杭州 310018； 2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

空調管路不僅事關空調可靠性，還會影響空調的噪音品質[1]。管路設計是空調研發過程的一個關鍵環節，因為管路設計不合理造成斷管、異響、冷媒泄露、生產停線等事情時有發生，不僅影響產品生產效率，也無法對產品的售后質量提供可靠的保障。

當前絕大多數廠商管路設計的方式是：“管路設計→裝機測試→方案整改→裝機再測試”，需反復多次才能達到預期指標，并且當機子需要優化整改時，也常常因為缺乏方向性指導而存在較大的盲目性[2]。

為了提高管路的設計效率，部分工程師展開了管路的仿真分析研究，但是多集中在管路的模態分析，從避開共振頻率入手[3]，但是管路設計是否符合要求，最終是依據管路應力應變測試來判定，對管路應力進行計算可以得到更直觀判斷。圖1是管路傳統設計方法和基于仿真的設計方法對比，后者進行有效次數的裝機測試就可以完成管路設計。

圖1 管路傳統設計方法和基于仿真設計方法對比

由于壓縮機振動具有周期性，因此空調配管可以進行諧響應分析，對管路不同頻率下的應力應變進行模擬分析。相比于模態分析，諧響應分析結果可與應力測試進行直接對比，可以直接判斷管路的優劣。

某機型空調設計了多套管路，應力測試不合格，為了減少裝機測試次數，節約實驗資源和提高效率，展開管路的諧響應分析研究，探索一套行之有效的管路高效設計方法。

1 基于諧響應分析的管路設計流程

基于諧響應分析的管路設計流程如下：①測試壓縮機的振動數據，作為后面管路應力仿真的輸入載荷；②根據管路設計的工藝要求、壓縮機的振動特點、產品的空間結構，結合管路設計的一些經驗，設計不同方案的管路；③對不同的管路方案進行仿真分析及優化；④選擇較優方案進行裝機測試。如圖2所示。

圖2 基于仿真的管路設計流程

2 實驗測試及分析

采集吸排氣管口振動的振動數據，其目的是為后面做諧響應時計算輸入載荷，確定吸排氣管口的出口方向，同時也可以判斷壓縮機是否存在異常。測試時布點位置如圖3，為保證振動方向與圖中標示一致，測試時探頭最好能夠與壓縮機切線垂直，且注意記錄激勵頻率。將振動探頭布置在圖3所示的A、B兩點，測試該兩點的振動位移，測試數據見表1。

表1 管口振動測試測試數據

圖3 管口振動測試布點位置

3 管路三維設計

3.1 管路設計注意事項

1）管路的設計管尺寸和管路內部的直管長度至少要比管路設計規范的要求的管端直管尺寸和夾模尺寸長（3～5）mm，因為不同的模具和機床存在差異。

2）焊點的選擇要注意，要事先評估是否能夠焊接，無法確定時最好進行實際焊接驗證。

3.2 管路設計基本原則

1）管路應盡量靠近壓縮機布置，這樣可以減小管路的力臂，在壓縮機振動時可以減小管路的慣性載荷，從而減小管路應力。

2）吸排氣管口的第一彎應力通常較大，直線段和折彎半徑盡可能大一些，彎位彎曲角度應大于90 °，在空間允許條件下，吸排氣管的直角折彎可以采用由兩個互余角度設計，以減小冷媒壓力脈動形成的沖擊。

3）第一段應力較大時，可以考慮使用管徑較大的管，但是管長盡量縮短，以免振動傳遞到管路遠端，也可以考慮使用V彎或者Z型管解決第一彎應力大問題。

4）吸氣管遠離旋轉中心擺幅較大，排氣管靠近旋轉中心擺幅小，所以吸氣管至少要設置一個以上U彎減振，排氣管一般設置一個就可以了，如果排氣管口不在缸體中心，擺幅會變大，這個時候就要考慮是否要增加U彎。在俯視的時候，吸氣管至少要有幾個彎位置，切向振動比較厲害，在垂直于切線方向至少要有兩個彎位置。

5）吸排氣管的出管方向盡量靠近位移合成方向，這樣可以在管路最大振動的方向上進行應力衰減。

3.3 三維設計

原機管路如圖4所示，表2為原機管路應力測試數據，從測試數據可以看出較大的點主要集中在吸氣管上，最大應力出現在蒸發器出管內軸，應力為90 με，不符合企標≤80 με的要求，另外吸氣管1彎、吸氣管3彎應力也偏大，需要優化整改。排氣管除了排2應力稍大外，其余各點應力較小。

圖4 原機管路

對原機管路進行優化，考慮吸氣管前幾個彎應力偏大，可以采用大V彎對應力進行分散；吸氣管跨度過小，管路過于集中，需要增加管路長度進行應力分散；同時加長管路優化排氣管彎2應力。圖5是根據以上思路優化的方案，其中優化方案1和方案2排氣管一樣，方案1比方案2吸氣管上多一個U彎。

圖5 優化方案

4 仿真分析

對原機方案和優化方案進行對比分析，采用諧響應分析模塊進行，諧響應分析需要輸入壓縮機激勵，壓縮機的振動載荷非常復雜，但是可通過測量吸排氣管口的振動，將激勵簡化為扭矩和徑向力進行近似計算[4]，此方法已經得到了多次驗證。

扭矩的計算公式如下：

式中：

I—壓縮機的轉動慣量；

θ—壓縮機轉動角加速度。

徑向力的計算公式如下：

式中：

m—壓縮機的質量；

a—壓縮機徑向加速度。

根據表1的管口振動數據并結合壓縮機的轉動慣量計算出壓縮機的扭矩和徑向力，并將其施加到壓縮機缸體上（如圖6所示）。

圖6 扭矩及徑向力施加載荷

圖7為原機方案應力云圖，從圖7可以看出，應力較大的地方主要集中在吸氣管上，吸1彎、吸2彎、吸3彎、吸4彎和蒸發器出管應力較大，與表2的原機管路應力分布趨勢基本一致。圖8、圖9為優化方案1、優化方案2的應力云圖，從圖中可以看出優化后的方案應力有了較大幅度的降低，最大應力由19.4 MPa分別下降到3.8 MPa和2.5 MPa，考慮到原機最大應力為90 με（原機管路應力測試數據見表2），離企標≤80 με相差不遠，從仿真可以判定兩個方案都滿足要求。

表2 原機管路應力測試數據

圖7 原機方案應力云圖

圖8 優化方案1應力云圖

圖9 優化方案2應力云圖

5 測試驗證

仿真優化方案1和優化方案2應力相差不多，但是優化方案2吸氣管較短，可以節約成本，所以選擇優化方案2進行裝機測試。

表3為優化方案2管路應力的測試數據，從數據可以看出，吸氣管管路應力從80 με下降到53 με，排氣管最大應力從50 με下降到42 με，整套管路所有測點應力均小于80 με，符合企業關于管路應力應變標準。從管路最大應力角度分析，仿真趨勢與實測較為一致。另外看到具體的應力分布，圖9顯示管路最大應力在排氣管上，實際測試應力最大出現在吸氣管上，因此在應力的具體分布上，仿真還存在一定誤差。最后看到具體的應力值，仿真顯示應力會大幅下降，但是實測應力值下降幅度沒有仿真的大。造成以上結果的主要原因主要有兩個，一個是仿真建模與實際之間的區別，包括管路加工過程中的變形，以及模型簡化兩方面。另外一個重要的原因就是輸入載荷與實際載荷不一致，直接添加徑向力和扭矩過于簡單，仿真誤差大。雖然在應力分布和具體數值方面存在較大誤差，但是可以滿足不同方案優劣判斷的需求，可以高效的對優化方案進行初步篩選。

表3 優化方案1管路應力測試數據

6 結論

針對某機型管路多次整改不合格，結合測試數據和管路設計基本原則設計優化方案1和優化方案2，并采用諧響應分析對原機方案和優化方案管路應力進行模擬，并挑選優化方案2進行裝機測試，結果表明：

1）方案2管路最大應力小于企標80 με，管路應力測試合格。

2）基于諧響應的仿真結果與實測趨勢基本一致，該模擬方法能夠對預測管路的應力進行初步預測，可以運用于管路的設計開發中，提高管路的設計效率。