基于谐响应分析某空调配管设计

郭金露 马海林

（1.杭州九阳小家电有限公司 杭州 310018； 2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

空调管路不仅事关空调可靠性，还会影响空调的噪音品质[1]。管路设计是空调研发过程的一个关键环节，因为管路设计不合理造成断管、异响、冷媒泄露、生产停线等事情时有发生，不仅影响产品生产效率，也无法对产品的售后质量提供可靠的保障。

当前绝大多数厂商管路设计的方式是：“管路设计→装机测试→方案整改→装机再测试”，需反复多次才能达到预期指标，并且当机子需要优化整改时，也常常因为缺乏方向性指导而存在较大的盲目性[2]。

为了提高管路的设计效率，部分工程师展开了管路的仿真分析研究，但是多集中在管路的模态分析，从避开共振频率入手[3]，但是管路设计是否符合要求，最终是依据管路应力应变测试来判定，对管路应力进行计算可以得到更直观判断。图1是管路传统设计方法和基于仿真的设计方法对比，后者进行有效次数的装机测试就可以完成管路设计。

图1 管路传统设计方法和基于仿真设计方法对比

由于压缩机振动具有周期性，因此空调配管可以进行谐响应分析，对管路不同频率下的应力应变进行模拟分析。相比于模态分析，谐响应分析结果可与应力测试进行直接对比，可以直接判断管路的优劣。

某机型空调设计了多套管路，应力测试不合格，为了减少装机测试次数，节约实验资源和提高效率，展开管路的谐响应分析研究，探索一套行之有效的管路高效设计方法。

1 基于谐响应分析的管路设计流程

基于谐响应分析的管路设计流程如下：①测试压缩机的振动数据，作为后面管路应力仿真的输入载荷；②根据管路设计的工艺要求、压缩机的振动特点、产品的空间结构，结合管路设计的一些经验，设计不同方案的管路；③对不同的管路方案进行仿真分析及优化；④选择较优方案进行装机测试。如图2所示。

图2 基于仿真的管路设计流程

2 实验测试及分析

采集吸排气管口振动的振动数据，其目的是为后面做谐响应时计算输入载荷，确定吸排气管口的出口方向，同时也可以判断压缩机是否存在异常。测试时布点位置如图3，为保证振动方向与图中标示一致，测试时探头最好能够与压缩机切线垂直，且注意记录激励频率。将振动探头布置在图3所示的A、B两点，测试该两点的振动位移，测试数据见表1。

表1 管口振动测试测试数据

图3 管口振动测试布点位置

3 管路三维设计

3.1 管路设计注意事项

1）管路的设计管尺寸和管路内部的直管长度至少要比管路设计规范的要求的管端直管尺寸和夹模尺寸长（3～5）mm，因为不同的模具和机床存在差异。

2）焊点的选择要注意，要事先评估是否能够焊接，无法确定时最好进行实际焊接验证。

3.2 管路设计基本原则

1）管路应尽量靠近压缩机布置，这样可以减小管路的力臂，在压缩机振动时可以减小管路的惯性载荷，从而减小管路应力。

2）吸排气管口的第一弯应力通常较大，直线段和折弯半径尽可能大一些，弯位弯曲角度应大于90 °，在空间允许条件下，吸排气管的直角折弯可以采用由两个互余角度设计，以减小冷媒压力脉动形成的冲击。

3）第一段应力较大时，可以考虑使用管径较大的管，但是管长尽量缩短，以免振动传递到管路远端，也可以考虑使用V弯或者Z型管解决第一弯应力大问题。

4）吸气管远离旋转中心摆幅较大，排气管靠近旋转中心摆幅小，所以吸气管至少要设置一个以上U弯减振，排气管一般设置一个就可以了，如果排气管口不在缸体中心，摆幅会变大，这个时候就要考虑是否要增加U弯。在俯视的时候，吸气管至少要有几个弯位置，切向振动比较厉害，在垂直于切线方向至少要有两个弯位置。

5）吸排气管的出管方向尽量靠近位移合成方向，这样可以在管路最大振动的方向上进行应力衰减。

3.3 三维设计

原机管路如图4所示，表2为原机管路应力测试数据，从测试数据可以看出较大的点主要集中在吸气管上，最大应力出现在蒸发器出管内轴，应力为90 με，不符合企标≤80 με的要求，另外吸气管1弯、吸气管3弯应力也偏大，需要优化整改。排气管除了排2应力稍大外，其余各点应力较小。

图4 原机管路

对原机管路进行优化，考虑吸气管前几个弯应力偏大，可以采用大V弯对应力进行分散；吸气管跨度过小，管路过于集中，需要增加管路长度进行应力分散；同时加长管路优化排气管弯2应力。图5是根据以上思路优化的方案，其中优化方案1和方案2排气管一样，方案1比方案2吸气管上多一个U弯。

图5 优化方案

4 仿真分析

对原机方案和优化方案进行对比分析，采用谐响应分析模块进行，谐响应分析需要输入压缩机激励，压缩机的振动载荷非常复杂，但是可通过测量吸排气管口的振动，将激励简化为扭矩和径向力进行近似计算[4]，此方法已经得到了多次验证。

扭矩的计算公式如下：

式中：

I—压缩机的转动惯量；

θ—压缩机转动角加速度。

径向力的计算公式如下：

式中：

m—压缩机的质量；

a—压缩机径向加速度。

根据表1的管口振动数据并结合压缩机的转动惯量计算出压缩机的扭矩和径向力，并将其施加到压缩机缸体上（如图6所示）。

图6 扭矩及径向力施加载荷

图7为原机方案应力云图，从图7可以看出，应力较大的地方主要集中在吸气管上，吸1弯、吸2弯、吸3弯、吸4弯和蒸发器出管应力较大，与表2的原机管路应力分布趋势基本一致。图8、图9为优化方案1、优化方案2的应力云图，从图中可以看出优化后的方案应力有了较大幅度的降低，最大应力由19.4 MPa分别下降到3.8 MPa和2.5 MPa，考虑到原机最大应力为90 με（原机管路应力测试数据见表2），离企标≤80 με相差不远，从仿真可以判定两个方案都满足要求。

表2 原机管路应力测试数据

图7 原机方案应力云图

图8 优化方案1应力云图

图9 优化方案2应力云图

5 测试验证

仿真优化方案1和优化方案2应力相差不多，但是优化方案2吸气管较短，可以节约成本，所以选择优化方案2进行装机测试。

表3为优化方案2管路应力的测试数据，从数据可以看出，吸气管管路应力从80 με下降到53 με，排气管最大应力从50 με下降到42 με，整套管路所有测点应力均小于80 με，符合企业关于管路应力应变标准。从管路最大应力角度分析，仿真趋势与实测较为一致。另外看到具体的应力分布，图9显示管路最大应力在排气管上，实际测试应力最大出现在吸气管上，因此在应力的具体分布上，仿真还存在一定误差。最后看到具体的应力值，仿真显示应力会大幅下降，但是实测应力值下降幅度没有仿真的大。造成以上结果的主要原因主要有两个，一个是仿真建模与实际之间的区别，包括管路加工过程中的变形，以及模型简化两方面。另外一个重要的原因就是输入载荷与实际载荷不一致，直接添加径向力和扭矩过于简单，仿真误差大。虽然在应力分布和具体数值方面存在较大误差，但是可以满足不同方案优劣判断的需求，可以高效的对优化方案进行初步筛选。

表3 优化方案1管路应力测试数据

6 结论

针对某机型管路多次整改不合格，结合测试数据和管路设计基本原则设计优化方案1和优化方案2，并采用谐响应分析对原机方案和优化方案管路应力进行模拟，并挑选优化方案2进行装机测试，结果表明：

1）方案2管路最大应力小于企标80 με，管路应力测试合格。

2）基于谐响应的仿真结果与实测趋势基本一致，该模拟方法能够对预测管路的应力进行初步预测，可以运用于管路的设计开发中，提高管路的设计效率。