空调压缩机管路模态分析与模态测试

张 旭，高钦翔，李 青，朱正龙

(遵义师范学院工学院，贵州遵义563006)

空调系统四大核心部件是压缩机、蒸发器、冷凝器、节流部件，连接铜管作为冷媒介质在四大部件之间流通循环的必要通道，其配管管型的减振设计一直是工程师无法绕开的问题，管路振动是空调故障中的首要破坏因素之一，根据调查可知，压缩机壳体的振动传递及管内工作流质的扰动[1]是引发配管振动的原因，严重时会加速铜管疲劳断裂及空调制冷剂泄漏问题，影响空调的功能和安全，降低空调使用寿命。因此，如何对空调进行配管设计及试验整改，以达到减振效果，具有较大的实际意义。[1]

对管道系统的振动研究，于麒麟等[2]利用有限元方法对空调配管进行了模态分析，并改进了管路设计；黄辉等[3]利用有限元方法研究了铜管壁厚及残余应力对铜管模态频率及振型的影响；张晓伟等[4]利用有限元方法研究了铜管壁厚及阻尼配重对铜管减振效果的影响；鲁华平等[5]利用试验激励的方法研究了空调机组的时域响应数据。目前还很少出现采用模态锤击试验法[6]对振源结构进行振源识别、固有频率分析诊断的案例，较少发现采用模态试验及有限元模态分析方法相结合的快速整改方法。

本文以某空调机组[7]为研究对象，结合模态分析及模态试验对空调配管进行了研究，验证了以模态试验结果为诊断依据，以模态分析结果为参考依据的配管设计与优化方法的准确性，对产品改进优化、提高质量具有重要意义。

1 配管结构的模态分析及结果

空调配管系统在工作时发生振动，主要受压缩机吸气口和排气口低频气流激励，在管道上产生压力脉动（尤其是管道的折弯、变截面和阀门处）导致管道振动。由于配管结构主要承受压缩机振源的激励，非出口的定频涡旋压缩机额定转速一般在2900r/min，所以配管结构的固有频率及振型主要关注压缩机激励主频率±10%附近的共振影响频带，即44～53Hz。

为了探究压缩机激励是否与配管系统发生共振，采用有限元方法对配管系统进行模态分析。本分析主要考察管路振动特性，对机组简化完非必要部件后，建立有限元模型（图1）。将压冷凝接管端、压缩机支撑底脚、气液分离器底脚、壳管底脚施加固定约束。所有铜管采用壳单元，并使用子空间迭代法对管系结构进行求解，提取前20阶模态的固有频率，如图2所示。

根据模态分析结果显示，共振带内共有5阶固有频率，但振型最大位移非双系统下的吸气管与排气管管型，设计较好的避开了43～53Hz共振带的影响，无运行共振风险。

但在试验样机测试阶段，双系统下的吸气管与排气管皆出现明显振动超标问题，为此开展了对应模块机试验整改问题的深入研究。

2 空调配管模态试验及测试结果

采用LMS Test Lab.12A[8]对涡旋压缩机、吸气管、排气管在制冷和制热工况（高电压、额定电压、低电压）下分别进行了频谱测试和模态锤击测试。对涡轮压缩机3个机脚及顶盖3个位置进行了振动测试，如图3所示，相应的频率测试结果如图4所示。

图4所示，涡旋压缩机有转动1倍固有频率47Hz、转动2倍固有频率95Hz、马达1阶力波频率100Hz，转动3倍固有频率141Hz。吸气管在压缩机马达 1阶力波频率 100Hz，和转动3倍固有频率141Hz出现振动幅值远大于压缩机本体的现象，100Hz和141Hz处有可能存在共振。相应的，排气管在141Hz处有可能存在共振。

为了探究压缩机吸气管及排气管振动值超标是否为共振原因导致，进一步开展了吸气管及排气管的模态锤击测试，吸气管及排气管的固有频率识别结果如图5和图6所示。

图5所示，吸气管固有频率102Hz与压缩机马达1阶力波频极为接近，吸气管固有频率136Hz与压缩机转动3倍频141Hz较为接近，充分说明了吸气管振动超标问题是100Hz和141Hz处共振问题导致。

图6所示，排气管固有频率是53.5Hz和71Hz，较好的避开了压缩机1倍、2倍、3倍转频的影响，因此在图4中出现的排气管在三倍频的幅值放大原因应该是吸气管共振的波及影响。所以吸排气管超标问题的解决方案是吸气管避开100Hz和141Hz的共振影响。

3 吸气管型设计方案整改

根据吸气管原方案的模态锤击试验及模态分析结果，确定吸气管管型更改方案上要避开100Hz和141Hz的共振影响，同时还要防止2倍频96Hz的影响，因此确定了将吸气管固有频率降低10Hz的设计更改方向。

根据原方案的模态分析结果，找到与吸气管固有频率136Hz较为接近的吸气管振型129Hz为参照，通过吸气管第2弯的向下延伸，使其达到吸气管固有频率降低至118Hz左右的效果，如图8所示。

该更改方案下发试制并试验验证后，圆满解决了该机组吸排气管的应变超标问题。

4 总结

该涡旋压缩机空调系统配管在设计阶段采用了有限元分析及模态试验相结合的手段，高效解决了压缩机吸排气管路的共振问题，现总结如下：

（1）只关注涡旋压缩机1倍转频附近的方法不够严谨，涡旋压缩机的特征频率应该包含1倍转频、2倍转频、马达一阶力波频率、3倍转频。

（2）模态分析结果与模态锤击试验识别结果具有较好的吻合度，例如吸气管129Hz比模态锤击136Hz小了7Hz，主要是有限元分析模型简化及试验测试的双重误差影响。

（3）对于管路振动问题整改，应重点关注压缩机吸排气管口与吸排气管的振动幅值放大比例关系，良好识别共振现象。

（4）结合FFT频谱原因分析，找到FEA模态分析结果对应的振型及频率，并以此频率为参照进行整改，使整改的方法具有准确性。