利用有限元分析理论对空调器配管进行优化设计

潘柏江

（广东美的暖通设备，广东 佛山 528427）

由于空调器配管在空调运行中不仅会产生较大的噪音，而且会致使空调产生故障，为人们的生活带来了极大的不便，再加上传统的空调器配管的设计过程过于简化，只能对系统的部分特性进行反映，而不能让人们对所有的特性进行掌握，因此在测试过程中的进度十分缓慢，效率十分低下，这对空调设备质量的进一步提升是较为不利的。本文将主要采用有限元分析的方法对空调器配管的设计进行进一步优化。

1 空调器配管设计的工艺原则

1.1 吸气与排气管设计的工艺参数

压缩机的排气管能够承受较大的压力，而压缩机的回气管则会产生较大幅度的震动，因此，压缩机的排气管与回气管的设计存在一定的差异。压缩机在对排气管进行设计时最主要考虑的是如何尽可能降低排气管路的应力，而在对回气管进行设计时要尽量降低应力与震动幅度，只有这样才能尽量降低压缩机回气管的扭力矩，从而有效的提高空调压缩机的质量，降低空调器配管破裂事故的发生。

而通常空调的设计人员将主要把空调器配管设计成壁厚较厚的U 铜型，来达成降低空调器配管震动幅度的目的，尽量将其安装在离空调压缩机较近的地方，并且在压缩机排气管部位只安装一个空调器配管就可，而在压缩机的回气管附近要安装两个空调器配管，从而减小压缩机汽液分离器的震动幅度。

1.2 间距设计的工艺参数

空调器配管和其他零部件之间的最小间距主要分为以下情况：当空调器配管的长度大于150 毫米时，或者其柔度较大时，最小间隙应保持在15 毫米以上；当空调器配管的长度小于150 毫米时，或者其具有较大刚度时，最小间隙应为10 毫米；空调器配管与风扇叶之间的最小间距应为25 毫米；而两个空调器配管之间的最小间距为10 毫米[1]。

1.3 对空调器配管的受力支点进行设计时的主要工艺参数

空调器配管的受力支点主要有四个：即压缩机的排气口焊接处、压缩机回气口的焊接处、冷凝器的焊接处、低压阀的焊接处。而这四个受力支点的主要设计工艺参数则如下所述：

1）从空调的具体使用情况上进行判断，空调低压阀上的焊接点出现破损和断裂的情况较少，对空调器配管的影响较小。

2）空调压缩机的回气口焊接点与压缩机的排气口焊接点因为会受到较大的震动幅度影响，因此出现断裂的情况较为频繁，要想有效的解决这一问题，就需要加厚空调器配管的厚度，并采用U 型设计。

3）空调器配管之间进行连接时要考虑到采用将胀口、缩口和利用在定位上打点的方式来确保空调器配管连接的一致性。

4）在空调器配管与冷凝器进行连接时，要特别注意对工艺管强度与深度的增加，当冷凝管的连接点超过两个时，就可以不再使用工艺管。

2 基于有限元分析的方法对空调器配管的建模

在空调器配管对上述工艺参数实现了充分的满足之后，本节将基于有限元分析方法来对空调气配管中存在的问题进行具体的分析并努力寻找其有效的解决方法。并提出更好的解决方案，实现降低空调器配管在空调运行过程中的震动幅度与噪音的目的。

2.1 载荷

2.1.1 离心力

空调压缩机的旋转不平衡造成的离心力大小情况，主要是由压缩机偏心质量和偏心距离所决定的。根据有限元分析方法，我们可以将该离心力分解为垂直于空调压缩机中心线上的三个扭矩，这三个扭矩会致使压缩机的各部分震动并围绕轴心线不停转动[2]。

2.1.2 载荷大小

压缩机的工作特性和空调制冷剂的流动性会根据压缩机性能的不同而发生变化，因此，将主要引入压缩机的参考激励。

2.2 边界条件

边界条件主要分为两点：第一点主要指要将空调压缩机的室外机底座中的全部自由度和地面之间产生约束；第二点主要是指，要定义好空调压缩机和橡胶脚，橡胶脚和空调底板与其他零部件之间的连接关系[3]。

2.3 材料数据

根据有限元分析法，主要对铜、铝、橡胶这三种空调器配管加厚材料进行了分析与实验，实验结果表明，铜作为空调器配管的加厚材料最为合适。

3 空调器配管的优化设计方案

3.1 施加重物

空调压缩机的回气管有绕Z 轴旋转的振型，并且在对空调压缩机的回气管进行谐响应分析的过程中，压缩机的回气管的振幅较大，而且会产生一定程度的位移，由于空调压缩机的回气管存在着这两种问题，因此很容易造成空调器配管发生断裂，使空调停止运作。而在回气管上施加重物的方法能够对空调器配管起到很好的调整作用，并且能够改变空调器配管的振动频率，有效避免共振情况的发生，降低空调压缩机回气管的位移距离，从而实现降低空调器配管发生断裂的几率的目的。并且由于空调压缩机的回气管一般在U 型部位发生位移的现象较为明显，因此最好在U 型处施加防振橡胶等重物。

3.2 增加空调器配管的厚度

由于空调器配管在受到震动时容易发生断裂的情况，因此，要适当的增加空调压缩机回气管的厚度，使其降低震动的幅度。将回气管的厚度增加到0.76 毫米最为适宜，这样能够有效的对回气管的模态和谐响应情况进行改善[4]。

3.3 改变空调器配管的走向

为了降低压缩机的运行震动频率，因此设计人员在对压缩机进行设计时采用了U 型弯的设计理念，这样在有效增加制冷剂的流动性同时，还能够有效保障空调器配管的振动特性保持在最佳状态[5]。而通过有限元分析后，在室外空调机允许的情况下，可以通过改变空调器配管的走向来解决空调内部震动较大的问题。

改变空调器配管的走向主要是指空调压缩机的回气管要逐渐向压缩机的中心方向靠拢，直至两者呈30 度时的位置为止。这种改变空调器配管走向的方式不仅可以有效的减少空调发出的噪音，为人们提供了更为安静的工作与生活环境，而且也可以有效降低空调器配管的震动幅度，避免其断裂情况的发生，增强空调的质量。并且这种设计方案也能节省资金成本，可谓是一举两得的好方法。

4 结束语

本文在对空调器配管当今使用中存在的问题进行调查分析的基础上，利用有限元分析方法，对进一步改进空调器配管的设计提出了优化方案，以期能够对方便人们的生活和工作环境发挥一定的作用。

［1］卢剑伟，吴文新，等.有限元分析软件ANSYS 在空调配管设计中的应用研究[J].机械科学与技术，2004，23（5）：515-516.

［2］招伟.基于有限元分析对空调器配管的优化设计[J].家电科技，2008（19）：54-56.

［3］王冠新，杨磊，胡辰，徐生，孙松丽，卢剑伟.基于虚拟样机技术的变频空调器配管系统动力学优化设计[J].湖北工业大学学报：社会科学版，2010，14（7）：125-154.

［4］龚曙光，邱爱红，谢桂兰，郭亚娟.基于有限元分析的零部件优化设计研究与应用[J].武汉理工大学，2012，15（3）：46-54.

［5］陈学文，陈军，张铁亮，吴艳军.基于虚拟样机技术的变频空调配管系统动力学优化设计[J].中国地震局工程力学研究所，2013，12（2）：76-88.