落地式空調器室內機后板優化設計

朱晉清 張雄飛 湯志平 陳圣文 周永松

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

后板是方形落地式空調器最重要零部件之一，是整個空調器室內機的骨架，其特點面積大，且鈑金件厚度薄，容易導致結構強度差，影響結構動力學性能，因此方形落地式空調器后板鈑金件振動輻射引起噪聲問題比較常見。近年來也不少國內外學者在研究振動與噪聲輻射關系[1,2]，關于聲輻射模態理論的研究表明，結構聲輻射效率的高低與其表面振速分布有較大的關系.優化控制結構的表面振速分布對于降低結構的輻射噪聲非常有效[3]。

本文基于售后反饋方形落地式空調器室內機存在低頻嗡嗡聲問題，通過廠內實驗復現找出問題點，運用模態分析和CAE計算機輔助設計技術虛擬整機阻尼振動，對后板筋條進行優化設計和排布，改善后板振型效果和減低結構聲輻射效率，同時提高后板整體剛度和抗沖擊能力，降低對電機振動激勵的響應，改善噪聲效果，提升空調器噪聲品質。

1 售后室內機低頻嗡嗡聲原因分析

以裝在用戶家二樓客廳的方形落地式空調器室內機為研究對象，空調器使用環境遠離市區，相對安靜。空調器室內機安裝位置如圖1所示。

1.1 現場噪聲檢查情況

當空調器運行穩定后，在圖1空調器左側、右側和正面檢查噪聲情況，室內機設置低風檔運行時，空調器左側和右側1 m處有明顯低頻嗡嗡聲，正面嗡嗡聲稍弱；空調器設置超強風檔時，空調器風聲音稍大，在1 m處正面無明顯嗡嗡聲，左側和右側有較明顯嗡嗡聲，靠近空調器0.2 m處耳感有較強烈嗡嗡聲，檢查空調器后板發現電機安裝區域振動導致空調器后板整體共振明顯，且后板部分區域出現凹凸變形，不排除該空調器售后運輸或搬運過程中存在摔機或磕撞現象。為了驗證后板振動是否與電機有關，在后板上中下位置各貼一塊阻尼，改變其固有頻率，嗡嗡聲明顯改善，分析是后板與電機運轉時共振引起低頻嗡嗡聲。

圖1 室內機安裝位置圖

1.2 廠內同型號空調器分析

為了驗證空調器出廠時是否有低頻嗡嗡聲現象，在倉庫抽取同型號空調器分別在穩壓和諧波電源進行噪聲測試和耳感體驗，測試具體數據如表1所示。實驗結果表明，噪聲數據無明顯峰值，耳感無低頻嗡嗡聲，后板無共振現象，空調器出廠符合產品質量要求。

表1 同型號室內機測試數據

為了進一步分析驗證售后空調器出現低頻嗡嗡聲原因，抽取一套成品空調器室內機模擬售后運輸摔機進行0.5 m高跌落試驗，試驗后分別在穩壓和諧波電源進行噪聲測試和耳感體驗。測試具體數據如表2所示，實驗結果表明，在穩壓電源下測試體驗噪聲效果良好，在諧波電源下測試數據有100 Hz和200 Hz峰值，耳感嗡嗡聲明顯，諧波電源下測試體驗情況與售后反饋空調器情況一致。電網中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發電設備和用電設備[4]，由于我國相對電網諧波含量要求標準較寬，監管也缺失，對于不同區域、不同時候電網諧波含量偏高引起電源畸變，這也空調器在用戶家容易出現低頻嗡嗡聲原因之一，但根據以上分析，此單售后問題主要原因是空調器在運輸或搬運過程中后板變形引起，因此，提高該產品后板剛度和抗沖擊能力是解決售后低頻嗡嗡聲的關鍵。

表2 同型號室內機跌落試驗后測試數據

2 后板優化設計

2.1 優化設計方案

對售后反饋存在低頻嗡嗡聲空調器的后板利用有限元動力學進行模態分析，分析結果表明，其后板結構的固有頻率102 Hz和102.9 Hz與電機激勵頻率100 Hz接近，容易在電機電磁激勵下出現共振現象；同時，該后板100 Hz附近的振型振動較大區域集中，如圖3所示，受力沖擊容易導致局部變形，使噪聲輻射放大。

圖2 原后板結構模型

圖3 原后板綜合振型（102 Hz）

通過對后板筋條進行優化設計和排布，改變后板筋的設計參數，運用有限元動力學進行模態仿真和CAE計算機輔助設計技術虛擬整機阻尼振動分析，確認最優方案：筋寬28 mm（原后板16 mm），筋深1.2 mm（原后板0.8 mm），改進后板結構模型如圖4所示，固頻、振型分布，如表4、圖5所示。

圖4 改進后板結構模型

2.2 優化方案效果

2.2.1 仿真結果

后板優化前后的仿真分析結果見表3、表4和圖3、圖5，結果表明：

表3 原后板固有頻率一覽表

表4 改進后板固有頻率一覽表

圖5 改進后板綜合振型（104 Hz）

1）低階固頻由15.1 Hz提升至22.8 Hz，優化后結構剛度大幅度改善；

2）優化后結構固頻為95.4 Hz和104 Hz，避開電機激勵頻率100 Hz，電機與后板共振問題得到有效改善；

3）振型得到明顯改善，優化后結構大范圍區域振動減小。

3.2.2 實驗驗證

1）噪聲驗證情況

采用改進結構后板裝樣機，進行0.5 m 高跌落試驗后分別在穩壓和諧波電源進行噪聲測試和耳感體驗，實驗結果表明，噪聲峰值數據無100 Hz附近頻率，耳感無低頻嗡嗡聲，后板振動情況良好，實驗驗證合格，具體數據如表5所示。

表5 改進后板樣機跌落試驗后噪聲數據

2）后板振動驗證情況

隨機抽各取15 臺后板改進前后樣機，采用振動檢測儀檢測出空調器后板振動最大點，檢測其振動位移和振動速度，檢測結果如圖6和圖7所示，檢測結果表明：新后板振動位移和振動速度有明顯的優勢，且新后板振動情況一致性良好。

圖6 新舊后板振動速度對比

圖7 新舊后板振動位移對比

3 結論

售后反饋異常機型通過對后板筋條寬度加寬（寬度由16 mm調整28 mm）、筋條深度加深后（深度由0.8 mm調整1.2 mm），后板的整體強度、剛度以及抗沖擊、抗變形能力改善明顯；通過模態有限元分析，調整筋條的排布，使后板固頻遠離100 Hz、200 Hz，可以有效避免電機電磁激勵下出現共振現象。優化后的新后板比原后板在整體強度、抗變形等方面有較明顯的優勢，新后板優化結果達到預期的目的。