基于仿真分析的冰箱回氣管優化設計

鐘澤 江俊 李語亭 王利亞 趙圣宇

美的集團冰箱事業部用戶與產品中心 安徽合肥 230601

0 引言

經濟的增長帶動了人們消費水平的提高，冰箱作為主要的家電產品已經成為人們日常生活中必不可少的一部分，冰箱在帶給人們生活便利的同時，其噪聲問題成為影響人們生活品質的因素之一，冰箱的噪聲大小也成為人們衡量產品性能的一大指標。

冰箱的噪聲問題一直以來都是研究的重點，其噪聲來源主要為壓縮機的振動、制冷劑流動、風機的旋轉、材料的熱脹冷縮以及管路的共振等方面[1]，冰箱機械室的管路共振則是噪聲的主要表現之一。回氣管和排氣管作為冰箱機械室內連接壓縮機和冷凝器等重要部件，是制冷劑運輸的重要通道，管路的結構性設計是影響其可靠性的關鍵因素，解決管路共振問題通常是通過進行合理的配管設計，減小管路的振幅，使得管路的固有頻率避開冰箱壓縮機的運行頻率。

何少勇[2]等人分析了風冷變頻冰箱的噪聲主因，并針對管路提出了部分改善建議；鮑敏[3]等人通過對小型風冷冰箱的壓縮機管路進行模態仿真分析確定了管路振動異常原因，并對此進行了優化；楊愷[4]等人提出一種基于反共振原理的管路吸振器調諧方法通過調諧動力吸振器固有頻率，改變管路振動傳遞函數的反共振區域，從而改變管路振動傳遞特性，實現振動抑制；邱文輝[5]等人針對配管停機應力超標問題，通過實驗和仿真兩種手段，對配管系統進行模態分析，得到其固有頻率及對應振型，并對配管系統進行結構優化。以上的研究為解決管路噪聲指引了方向。

本研究針對我司某一型號冰箱的壓縮機管路共振問題展開，通過仿真和實驗兩種手段對回氣管進行固頻分析，借助仿真分析對回氣管進行結構優化，并利用實驗結果驗證了仿真的準確性，有效地避開了壓縮機固有頻率，降低了管路的剛度，為解決管路共振問題提供了方案依據。

1 冰箱管路建模分析

1.1 管路三維模型

冰箱機械室內的管路系統主要包括壓縮機、回氣管和排氣管及底板等，壓縮機是振動源，能量由管道傳遞到箱體和底板上，能量在傳遞的過程中引發管路振動，由此將其作為一個整體研究對象，同時為了便于計算，對小型結構進行簡化處理，建立三維模型如圖1所示。

圖1 管路系統三維模型

1.2 仿真分析

壓縮機作為振源，管路作為其振源傳遞路徑之一。而管路結構本身的振動屬性——振動模態是影響管路共振噪聲的主要原因，文章的目的是基于管路結構本身的屬性進行研究，而不是把整個機械室作為研究對象而考慮。而壓縮機實際運行中是通過將產生的振動力傳遞給管路，引起管路振動，當壓縮機運行產生的振動頻率與管路結構本身的頻率同等時會引發共振，故而對管路結構本身進行設計優化，更多的把壓縮機作為激勵源進行簡化處理。仿真分析是作為研究管路結構常用的一種方法，本研究從管路的固頻和剛度兩個方面分析壓縮機管路共振問題，固頻是管路材料的本身特性，只與系統的剛度、阻尼以及質量有關，結構動力學方程主要為：

式（1）中：{a}、{v}、{x}、{f}分別是加速度向量、速度向量、位移向量和載荷向量，[M]、[C]、[K]分別是質量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣。當物體為彈性體時，可忽略阻尼作用，則可得：

式（4）中：f為材料的固有頻率。

而材料受到外力的刺激會產生彈性形變，根據胡克定律可得：

式（5）中：F為力的大小，K為彈性系數，x為位移。

將建立好的幾何模型導入到軟件中進行仿真分析，有限元回氣管模型如圖2所示。通過設置相應的邊界條件可得到回氣管的固有頻率。

圖2 回氣管仿真分析

2 實驗測試

針對我司某一款冰箱機械室的管路共振問題進行研究，對裝配狀態下的管路進行實驗分析，獲取回氣管路的相關參數。采用錘擊法對回氣管進行測試，通過智能數據采集和處理設備對回氣管路進行實驗數據采集，實驗通過單點激勵、多點響應的方法，在回氣管的不同測點處分別布置加速度傳感器，采用PCB壓電傳感器，單相和三相振動探頭進行測試，具體技術參數為：傳感器質量5.4 g；尺寸11.4 mm立方體；量程±100 g；軸向靈敏度（25℃）100 mV/g（160 Hz）；頻率響應（±1 dB）1～5000 Hz；工作溫度-54℃～121℃。

在每個測點處測量三個方向上的加速度，同時選定激勵點進行敲擊，通過加速度傳感器獲得輸出響應。

2.1 實驗與仿真結果對比分析

通過實驗測試分析其相干性可得回氣管頻響函數如圖3所示，從中提取回氣管的固有頻率，回氣管的實驗與仿真的固有頻率如表1所示，針對回氣管的固頻研究只考慮在低階固頻上，所以本次實驗數據只采集120 Hz以下進行分析，由表中數據分析可得實驗與仿真的固有頻率誤差在3%以內，證明了仿真的準確性和可行性。

圖3 回氣管頻響函數曲線

表1 回氣管實驗和仿真固有頻率（Hz）

2.2 回氣管結構優化

對頻響函數曲線進行分析可知，在回氣管的z方向上振動變化明顯，由此降低回氣管z方向的振動是優化的重點方向。回氣管與壓縮機相連，整體形狀以直線為主，容易造成回氣管在壓縮機附近的剛度變化，將回氣管設計進行形狀優化，設計成一個豎彎形狀和兩個豎彎形狀，對其建立三維模型如圖4所示，并對其進行仿真研究，得到其固頻分布，如表2所示，由表中數據可知在回氣管在兩端固定且邊界條件恒定下，回氣管管路豎彎的存在極大地降低了固頻值，同時隨著管路中豎彎的增加，固頻值減小，有利于避開共振頻率。

表2 三種不同形狀回氣管仿真固頻（Hz）

圖4 兩種豎彎形狀回氣管

同時，與壓縮機相連的回氣管受力會發生振動產生位移，繼而會影響回氣管的剛度變化，于是在仿真模擬中在回氣管的一端測點處施加相同大小的敲擊力道，記錄三種不同形狀的回氣管在三個方向上的的位移變化特征，根據計算公式可得剛度變化結果，如表3所示。

表3 三種不同形狀回氣管仿真位移和剛度

由表3中數據可得，將回氣管設置成豎彎形狀，回氣管的三個方向上的位移都增大，其中在y和z方向上變化更為明顯，y方向剛度最大變化率達到25.47%，z方向上最大變化率達到46.06%；同時回氣管路中隨著豎彎的個數增加其剛度逐漸降低，在x方向上剛度減小45.53%，y方向上減小48.65%，z方向上變化最大，減小了63.58%。

2.3 實際測試結果對比分析

該實際優化管路結構已在我司產品上得到應用，經測試管路振動減小，整機噪聲也有明顯改善，各驗證模型實際噪聲和振動加速度測試結果如表4所示。

表4 三種不同形狀回氣管實際噪聲和振動加速度測試結果

3 結論

本文針對我司某款冰箱管路共振優化問題，利用實驗及仿真的方法對管路噪聲進行優化分析，通過對回氣管進行結構優化，得到如下結論：

（1）通過實驗測試與仿真分析得到了管路的頻響函數，仿真結果和實驗測試結果十分吻合，證實了模型的可行性。

（2）對回氣管結構進行優化，將回氣管形狀增加一個豎彎會降低回氣管的固頻和剛度，從而在一定程度上可以避開共振頻率，減少共振噪聲；同時隨著回氣管路豎彎的個數增加，管路的固頻和剛度會繼續降低，在y和z方向上表現明顯。