冰箱压缩机管路减振结构设计及优化

王利亚 黄文才 江俊 李语亭 钟泽

美的集团冰箱事业部 安徽合肥 230601

冰箱压缩机振动通过管路的振动传递是冰箱振动噪声的重要传递路径之一。冰箱机械室管路主要包括吸气管和排气管，管路对噪声的影响主要体现在管路共振，以及管路中流体产生的流固耦合问题等，而研究管路的共振是解决噪声问题的重点方向。张奎、朱小兵等开展了冰箱管路减振研究，通过对排气管进行吸振器设计，排气管低频振动噪声明显降低[1]；鲍敏、李乾坤等通过模态仿真并结合振动实验，研究了管路振动的原因，通过对管路及配重块的优化，实现了管路振动噪声的降低[2]；周更生、张磊等进行了压缩机配管研究，优化配管结构，共振频率声压级降低[3]。

本文针对我司某款冰箱机械室管路进行研究，通过固有频率测试实验建立了管路仿真分析模型，根据管路的模态仿真分析结果，确定了减震垫布置的最优实施方案，并将该方案应用于产品上。较之于其他方案，冰箱管路振动响应明显较小，有效解决了冰箱管路共振问题，从而验证了通过仿真手段进行冰箱管路减振降噪的可行性。

1 分析模型描述

冰箱机械室是冰箱的主要结构组件，压缩机管路连接冰箱箱体与压缩机，其结构振动问题是冰箱机械室的主要结构振动问题[4]，下面以压缩机排气管为例说明压缩机管路分析模型的建立过程。

冰箱机械室包括压缩机、橡胶垫、压缩机底板、冷凝器、吸排气管等，其中压缩机为制冷系统的能量输入部件，为冰箱振动的主要激励源，压缩机排气管路一端与压缩机壳体相连，一端与冰箱箱体相连，为降低压缩机排气管振动，在排气管上布置减震垫，现有排气管减震垫布置方案及相关部件连接关系，如图1所示。经市场反馈，此款压缩机排气管路投诉较多，表现为排气管路共振问题，为解决管路共振问题，降低管路振动水平，进行管路仿真分析模型研究。

2 有限元模型建立

根据冰箱机械室部件连接状态，建立冰箱机械室排气管仿真分析模型。

其中排气管路为不锈钢材质，且实际工作过程不涉及失效问题，所以排气管仿真分析过程中，可将其视为线弹性材质。但由于排气管路结构刚度较低，易在使用中发生变形等问题，在排气管固频、阵型仿真分析过程中，应保证仿真分析模型与实物模型的结构尺寸精度，以提高模型仿真分析精度。

考虑到排气管路的连接状态，可采用两种简化分析方法建立排气管路仿真分析模型：

（1）模型1：压缩机-底板-橡胶垫-排气管-回气管等全部件仿真分析模型，如图2所示。

考虑压缩机壳体、压缩机内部机构、橡胶垫、管路、底板、滚轮的连接状态，对机械室各部件固有频率及模态的影响，按照实际状态设置部件连接。在结构与箱体、地面连接处，设置约束条件，简化机械室整体与相邻结构的连接，将底板滚轮与地面连接处，简化为固定约束1、2，压缩机排气管与箱体连接处简化为固定约束3，压缩机回气管与箱体连接处简化为固定约束4，且考虑橡胶垫非线性问题，根据刚度实验测试，确定相关材料参数，建立机械室的全部件固频、模态仿真分析模型，压缩机壳体、管路、底板等采用壳单元，压缩机内部结构、橡胶垫、滚轮等采用实体单元，单元总数303546个。

（2）模型2：单排气管部件仿真分析模型，如图3所示。

将压缩机排气管作为研究对象，适当简化边界条件，考虑排气管与左侧压缩机壳体的连接，简化为固定约束5，考虑排气管与右侧与箱体的连接，简化为固定约束6，管路采用壳单元，减震垫采用实体单元，单元总数32861个。

对上述简化排气管分析模型进行仿真分析及实验验证，确定各仿真分析模型的准确性。

图1 机械室结构部件

图2 模型1全部件仿真分析模型

图3 模型2单排气管部件仿真分析模型

3 实验验证

采用传函判别法，利用力锤为激励输入端，排气管加速度信号为激励响应端，测试压缩机排气管固有频率。[5]

由于排气管结构为三维管路结构，其存在管路质量小、结构刚度低、频率分布集中、模态分布复杂等特点，为降低加速度传感器自重对测试精度的影响，采用单点拾振、多点激励的方法进行管路结构固频识别，其实际测点布置如图4所示。

图4 管路固频测试实验

考虑到管路实际共振问题主要为上下方向振动，选取管路中间位置布置加速度传感器作为加速度拾振点，布置三向加速度传感器，其中传感器重量5 g，排气管总重量75 g，压缩机减震垫重量15 g，加速度传感器重量对整体结构振动状态影响较小。为有效测试排气管路固有频率，在管路适当位置共设置18个激振点，激振点位置布置如图4所示，在激振点位置分别进行三向激励，测试拾振点响应，得到排气管振动传递函数及固有频率。点集中位置，为保证减震垫对降低排气管振动水平起到最佳作用，且综合考虑成本等因素，选择振动幅值点较为集中的4个幅值点位置作为最终减震垫布置方案。

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最终确定排气管减振优化方案为：在排气管B、C、G、H位置，共布置减震垫4个，如图6所示。

5 实验验证

为验证排气管振动改善效果，测试优化后减震垫布置方案改善效果，分别按照减震垫原方案及优化方案进行压缩机排气管振动扫频测试。

排气管振动加速度测点与固频测试加速度测点一致，测点布置如图4所示，管路激励方式采用压缩机调频激励，通过调节压缩机运行频率控制系统输入频率，频率调节范围为25 Hz～75 Hz，测试管路振动响应。对比分析排气管在不同橡胶减震垫布置方案下的振动水平，测试结果如图7所示。

根据压缩机排气管振动加速度测试结果可以得到：

（1）排气管减震垫优化方案，全频段振动加速度水平得到明显改善；

（2）优化方案排气管的最大振动水平从原1.34 g下降到0.4 g，振动幅值下降70.1%；

（3）优化方案的各阶共振峰值明显降低，只在43 Hz左右存在一振动单峰，优化方案有效。

6 结论

本文针对压缩机排气管振动问题，提出了机械室排气管仿真分析模型，并结合结构固频实验，验证了简化后仿真分析模型的准确性，前六阶管路的固有频率仿真分析最大误差为2.9 Hz，且仿真分析模型2，模型简单、计算成本低、分析快捷。然后利用对标后管路仿真分析模型的模态分析结果，通过在各阶模态幅值点布置减震垫的方式，从模态设计角度，在压缩机工作全频段进行排气管减振设计，确定出排气管减震垫布置优化方案，并最终通过实验验证了优化方案的有效性，优化方案排气管振动峰值振幅下降70.1%，全频段振动水平得到有效改善，为冰箱压缩机排气管共振问题提出了一套完整的分析、优化方案及解决思路。