冰箱管路系统的振动分析及优化设计

吴骑峰

海信容声(广东)冰箱有限公司 广东 佛山 528303

引言

随着人们生活水平提高,对冰箱噪声也越来越关注。对于冰箱来说,主要噪声包括结构振动噪声和气动噪声,结构振动噪声主要是压缩机振动通过底板、管路向箱体传递,管路振动过大,导致管路疲劳破坏以及产生各种噪声,影响产品的可靠性和舒适度,故压缩机管路设计非常重要。

1 冰箱管路模态分析

1.1 三维模型 压缩机管路系统,包括吸气管和排气管,排气管采用一个配重块减振,因此本文以某冰箱压缩机、吸气管、排气管、配重块及压缩机脚垫为研究对象,为便于计算,对计算结果影响很小的结构进行简化处理,管路三维模型保持与实物一致。

1.2 模态仿真 模态分析是研究结构动力特性一种方法,一般应用在工程振动领域。其中,模态是指机械结构的固有振动特性,每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。分析这些模态参数的过程称为模态分析。

1.3 振动测试 根据需求,对压缩机、吸气管、排气管分别布加速度传感器进行振动测试,管路质量较小,因此必须采用较小质量的加速度传感器测试,管路质量要大于10倍传感器质量,此时传感器质量造成振动结果的影响才可以忽略。由于制冷剂的流动,管路振动不是单向的,因此管路布置三向加速度传感器,同时测试管路3个方向的振动大小。吸气管Z向振动较小,X/Y方向在70～75Hz振动明显变大,突变明显；74Hz,压缩机顶部最大振动0.15m/s2,管路——3.5m/s2；排气管Y向振动较X/Z向变化较大,在58Hz附件,压缩机顶部——0.25m/s2,但管路 Y向——12m/s2,管路模态仿真第二阶频率57.6Hz,存在共振风险。

2 优化措施分析

2.1 压缩机激励以及管路振动测试 某型号冰箱在环温18?℃时,触发变频压机在特定转速段工作(3?400?rpm),此时冰箱的回气管路表现出异常振动,该振动产生压迫人耳的共振声。

2.2 压缩机激励测试 为了使后期的管路仿真设计有明确的频率设计目标,首先需要对冰箱压缩机的激励进行测试,在压缩机的壳体上布置加速度传感器,采集压缩机的振动加速度信号。对压缩机激励信号做频谱分析,得知激励信号的主要能量来自压缩机旋转频率的基频(56.66?Hz)。

2.3 回气管振动响应测试 通过对回气管布置4个测点进行振动数据测试,得出管路的振动水平。对测得的振动数据进行频谱分析,四个测点的频谱分布相似。以测点2为例。回气管振动的峰值频率为56.66?Hz,该频率为压机基频频率,说明回气管固有频率和压机工作频率重叠,产生共振。

2.4 回气管模态仿真 按照实际压缩机－管路系统,建立有限元仿真模型。根据实际脚垫的属性对压机脚垫采用三个方向不同刚度的弹簧进行等效模拟；压机和压机支撑架刚性连接；管路之间通过焊接连接。管路仿真中,忽略压机内部结构,将压机实际质量等效作用在压机有限元模型的重心；对管路末端和压机弹簧设置节点约束边界条件。通过管路模态仿真发现,回气管第二阶左右摇摆模频率为56.4?Hz,和压机激励频率重叠。

3 避免冰箱产生噪音的解决方法

3.1 调整冰箱底部使其四角趋于平衡状态 冰箱在购置后应放置在地面平坦或地面质地牢固的地方。也就是说,保持地面平坦、牢固结实能够使得冰箱站立稳定,故而能够稳定其四脚使之趋于平衡状态。当前来说,不少冰箱在出厂时都会配备平衡旋钮,其作用是为了使冰箱保持平衡与利于制冷作业,并且在一定程度能够控制噪音；另外,也可以加层胶皮垫,目的与以上一样,都是为了保持冰箱四角抓地平衡。

3.2 加固管路与箱体本身 为了使得冰箱的噪音能够受到有效控制,在对冰箱养护时除了做好基本清洁工作,还要做好“加固”工作。也就是说,冰箱内部管路之间应当牢靠不松动；必要的时候还要找专门维修师傅处理压缩机各部件间的缝隙,避免冰箱在进行制冷作业时产生共振。

3.3 压缩机底座要上牢固 如果噪音产生并且难以消除时,这时我们用手紧按压缩机后,其噪音又明显降低；手抬起又明显恢复噪音。这种情况是说明冰箱压缩机底座固定减振胶垫有松动现象发生,或者是其受力不够均匀所致。为此,我们可以拧紧压缩机底板周围的固定螺栓或者更换减振垫圈。

3.4 用橡皮块抑制管子振动 电冰箱如果在使用阶段时发现噪音明显增大,并且声音较为明显,但制冷功能没有问题时,一般噪声的来源就是管路之间,具体原因上文已经提到。而我们处理处理方式可用自行车废弃外胎胶皮取材,即利用外胎胶皮减成30mm的圆形,中间中间剪出直径5毫米左右的圆孔,再从外边到中心剪一下,以便把橡皮贴到管子上。一般情况下,套用15－20个就能立即减缓噪音。

3.5 显示“报警”闪烁故障检查与处理方法 出现此故障时,首先要检查除了报警闪烁显示外,显示器上有无其他字符显示,如还有其他字符显示(此类故障最为常见)则说明是传感器探头故障；如无字符显示则是主板与显示器件连接线或灯开关的问题,这时首先要用万用表检查主板和显示器间每根线是否正常导通；然后再检查通信线间接插头及端子连接是否良好。如灯开关出现开门后不能断开时,出现报警现象,只要修好或更换灯开关即可,对有开门报警功能的冰箱如冷藏室门开门超过1min,则会出现此现象,这时只要将冷藏门关好即可排除故障。如美菱冰箱BCD－460WE9多温区电控全直流冷藏冷冻箱的传感器出现故障时,通用信息(“报警”)和对应传感器探头故障代码分项信息同时闪烁；背光源保持半亮状态；故障过程中所有按键操作无效。

结语

设计不同回气管、排气管、配重块优化方案。基于模态分析及振动实验,研究了管路形状、配重块质量及位置对振动的影响。通过对比分析可知：1)研究冰箱管路系统,用模态分析理论指导管路设计,对冰箱成本、开发周期的缩减以及产品品质的改善意义重大；2)针对不同的压缩机和箱体,存在一致性问题,因此需通过大批量验证,应用统计学理论统计振动平均值及异常情况,最终证明方案的可行性。