空调室外机风机支架振动分析与结构优化

庄京忠

摘 要： 空调风机支架的主要作用是支撑并紧固电机和风叶，其结构可靠性决定了风机系统的可靠运行。风机支架在风叶旋转激励作用下不可避免的会产生振动，当其固有振动频率等于电机或风叶周期性作用力的频率的整数倍时，就会使风机系统产生强烈的共振，影响空调产品的可靠性及舒适性。本文以某空调风机支架振动为例，分析并测试其动态特性，获得风机支架模型在工作过程中实际边界条件下振动状态的数据，在振动测试和固有频率测试的基础上分析出风机支架振动异常的原因并提出合理的改进措施。

关键词： 空调;风机支架;振动;固有频率;模态分析

【中图分类号】TF307 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）09-0163-01

1 空调室外机风机支架振动产生机理

空调室外机的振动源主要来自于压缩机与风机系统。因为一方面它们自身工作时会产生振动，并通过一定的途径向其他零部件传递出去;另一方面，压缩机与风机系统运行时产生的振动会激励其它零部件（主要管路件、风机支架、外壳）产生机械振动等，这些零部件接受激励后还会向外辐射噪声。通过分析可以得到风机支架振动的产生主要来源于电机与风叶的激发作用，而风机支架的振动也会激发外机壳体的振动，从而导致整机的振动。

研究发现，由于外机壳体等薄壁零件固有频率较低，很容易受到压缩机、电机与风机支架的振动激发而产生大幅振动。另外，外机壳体等薄壁零件又具有大的声辐射面积，在振动激励下容易产生辐射噪声，因此压缩机、电机与风机支架的振动是空调外机的可靠性差及产生噪声是主要因素，可以看出，风机支架振动的产生主要来源于电机与风叶的激发作用，而风机支架的振动也会激发外机壳体的振动，从而导致整机的振动。

2 动态测试系统介绍

本次振动测试及固有频率测试使用到的主要仪器，本次振动测试及固有频率测试均在半消音室中完成，环境工况室外侧温度为20℃。

为准确评估风机支架对整机振动的影响，振动测试时压缩机不运行，仅单独运转电机，通过多通道应变采集仪和加速度传感器完成振动测试。

固有频率测试时在电机静止状态下进行测试，通过LMS振动测量仪和激振锤完成测试。

3 振动测试

在空调室外机风机系统结构中，由于结构系统和载荷复杂，其动力学特性参数（如固有频率、阻抗、阻尼等）目前尚无非常准确的振动理论公式计算，因此，工程上通常采用振动测试及固定频率来获取动态特性数据，通过对振动及固定频率的数据进行分析，找出结构中存在的薄弱问题，然后再对其结构进行优化，以提高整机结构的抗振能力。

为了准确评估整个空调风机支架系统的振动情况，结合风机振动传递路径分析，将加速度传感器布置在整机壳体（顶盖、中隔板、前面板、前侧板）及风机支架上，在仅风机运转的情况下（为准确评估风机支架对整机振动的影响，振动测试时压缩机不运行，故仅单独运转电机）测试风机支架系统的振动加速度。

4 固有频率测试

4.1 激励方式

一个准确的实验模态分析最重要的便是要获取到精确的频响函数，只有在此基础上，获得的系统模态参数才相对精确。目前，频响函数测试主要有两种方法：一种是单点激振，多点测量，另一种便是多点激振，多点测量技術，两者的区别主要是激励点的数量和位置，其中单点激振技术由于其操作方便，是目前在实验模态分析中应用较为广泛的技术，在振动测试领域基本都有使用。而频响函数测试可分为稳态正弦激励、随机激励和瞬态激励三类。在本次风机支架的模态实验中采用的便是单点激振技术中的锤击脉冲瞬态激励方法，具体操作方法为用一带有力传感器的激振锤对风机支架进行敲击，对风机支架提供一个脉冲激励，通过安装在风机支架上的加速度传感器获取其振动响应，将力和振动响应信号传送给测试分析系统进行求解分析，进而获取到风机支架系统的模态参数。

4.2 测点布置

本文基于锤击法进行模态测试，在风机支架的同一位置进行锤击激励，通过测量激励力和加速度传感器的响应数据，完成对风机支架模态参数的获取。在锤击模态测试中，激励点的位置以及响应位置的选择对评估整个风机支架系统的模态参数有重要影响。通常，激励点需要选择在结构中刚度将强的位置，同时应尽可能的选择在有限元分析模型的节点位置，因此，本测测试选择风机支架侧面筋条作为锤击点。另外响应点的位置通常选择在结构平整无明显形状突变的位置，因此本次测试在风机支架上布置了10个响应测试点，10个测试点左右对称分布于电机的两侧，加速度传感器通过带磁基座吸附在风机支架上，所示为本次测试的风机支架响应点位置。

5 测试结果分析

从风机支架的振动及固有频率测试数据可以看出，风机系统的一阶固有频率为15.2Hz，而振动测试中测量所得风机支架的振动最大值对应频率为15Hz，两者基本一致。同时通过计算，电机的旋转基频为14.3Hz，也很接近风机支架的固有频率，根据机械振动理论可知，当外界激励的频率和系统结构固有频率相接近时，系统结构的振动就会被放大，这种现象工程上通常称为共振。因此，可以判断风机支架振动异常的主要原因为电机旋转基频与风机支架的固有频率接近，引起风机支架产生共振，风机支架的振动被放大。通过振动测试数据也可以看出，风机支架的振动速度达到了47.61mm/s，远远高于外围壳体及其他钣金件的振动速度，这也符合共振的特征。

6 总结

本文先运用动态特征测试系统对一台壳体振动明显、有噪音质量问题的机子进行振动测试，获得了机子各部件的振动有效值、最大值及最大值所对应的振动频率，并分析出前侧板的振动来源于风叶旋转激励，风机支架振动最大值对应的频率与电机转动的基频较接近，且风机支架的振动远高于其他部件，从而判断可能是共振引起。为了进一步证实为共振引起及给出解决方案，本文再次运用动态特征测试系统对风机支架的固频进行测试，获得了风机支架的各阶固频，并分析出风机支架的一阶固频与电机的旋转基频很接近，从而判断出风机支架的振动为共振引起。为了避开与电机旋转基频产生共振，本文最后对风机支架的结构进行改进，使其固频发生改变，最终成功避开与电机共振，使噪音问题等到解决。

参考文献

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[2] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002：276-277.