丘獻(xiàn)程

【摘 要】本文針對(duì)某款空調(diào)室外機(jī)配管加上配重塊后，產(chǎn)生振動(dòng)大、噪音高等問(wèn)題，對(duì)空調(diào)室外機(jī)配管結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型后，用有限元程序?qū)ζ淠B(tài)分析，得出該配管結(jié)構(gòu)固有頻率值和對(duì)應(yīng)固有頻率下的振型圖。分析出配管加上配重塊后，結(jié)構(gòu)固有頻率落在壓縮機(jī)對(duì)配管結(jié)構(gòu)激發(fā)頻率的共振區(qū)內(nèi)，這樣使得配管很容易發(fā)生機(jī)械共振，產(chǎn)生劇烈的管道振動(dòng)。為了驗(yàn)證配管模態(tài)分析結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了配管固有頻率測(cè)試，測(cè)試值與仿真值在前幾階是相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了配管理論的正確性。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)；配管；模態(tài)分析；振動(dòng)

空調(diào)壓縮機(jī)配管機(jī)械振動(dòng)的原因主要是：

①壓縮機(jī)主機(jī)的動(dòng)力平衡性能欠佳。

②管內(nèi)脈動(dòng)的氣流在管道的轉(zhuǎn)彎、變截面等處產(chǎn)生交變的載荷—激振力，導(dǎo)致了管道的機(jī)械振動(dòng)。配管振動(dòng)除了引起噪音和異音外，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生斷裂，因此對(duì)空調(diào)配管設(shè)計(jì)舉足輕重。在空調(diào)配管系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲控制方面，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家走在了世界前列，采用有限元方法對(duì)充滿流體的管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。目前企業(yè)中配管設(shè)計(jì)主要依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，但是在物理樣機(jī)制造出來(lái)并通過(guò)相關(guān)測(cè)試之前，即便有相當(dāng)工作經(jīng)驗(yàn)的工程師也無(wú)法保證其設(shè)計(jì)方案能夠滿足各方面性能的要求。為了保證可靠性，目前大多數(shù)設(shè)計(jì)方案都偏于保守，導(dǎo)致成本增加。但即便如此，斷管現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，振動(dòng)、噪音問(wèn)題也未得到有效控制。

針對(duì)某款空調(diào)室外機(jī)配管加上配重塊后振動(dòng)大、噪音高及其成本較高等問(wèn)題，采用有限元法對(duì)該配管進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，得到其固有頻率值和對(duì)應(yīng)固有頻率下的振型圖。同時(shí)采用B&K;振動(dòng)測(cè)試分析、力錘和加速度傳感器對(duì)空調(diào)配管進(jìn)行固有頻率測(cè)試，測(cè)試值與仿真值在前幾階是相吻合的，驗(yàn)證了配管理論的正確性，這對(duì)空調(diào)配管設(shè)計(jì)的指導(dǎo)具有重要的意義。

1.空調(diào)配管結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析理論

在工程中求解特征方程的近似方法有很多，包括Rayleigh能量法、Dunkerley法、Ritz法、Subspace法、BlockLanczos法、Reduce法等。各種方法在計(jì)算時(shí)，都具有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。由于 Subspace 法，在處理系統(tǒng)中存在等固有頻率或有幾個(gè)固有頻率非常相近時(shí)，可以防止收斂速度太慢；且當(dāng)計(jì)算系統(tǒng)自由度數(shù)多達(dá)百萬(wàn)個(gè)，而只需要得到的固有頻率與主振型只是最低三、四十個(gè)，可以進(jìn)行坐標(biāo)縮聚，因而它計(jì)算結(jié)果的精確度和可靠性都較高。它是大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析的最有效方法之一。

2.配管結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析仿真

管道系統(tǒng)是一個(gè)彈性的連續(xù)體，要獲得振動(dòng)分析的精確求解要求滿足一定的邊界條件的偏微分方程。由于管道系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，所以要得到其精確解是有很大困難。但對(duì)于工程問(wèn)題來(lái)說(shuō)，能得到較好的近似解也就可以滿足要求。有限元法提供了解決管道系統(tǒng)振動(dòng)分析的一個(gè)適宜的方法。下面通過(guò)有限元軟件對(duì)一款空調(diào)室外機(jī)的管系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。仿真分析中取下配重塊與防振膠，紫銅材料密度ρ=8940kg/m3，泊松比μ=0.34，彈性模量E=1.23×1011N/m2。為了避免激勵(lì)頻率落在結(jié)構(gòu)固有頻率內(nèi)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振，對(duì)各種管系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算是非常有必要的。在仿真分析中，選用殼單元，空調(diào)的排氣口管端、低壓冷凝接管端、進(jìn)氣口端及其低壓閥接管處加上固定約束。用子空間疊代法（Subspace法）對(duì)管系結(jié)構(gòu)的模態(tài)求解，求得管系結(jié)構(gòu)的前8階固有頻率值。

通過(guò)對(duì)復(fù)雜管系結(jié)構(gòu)的固有頻率的計(jì)算，可以得出：

（1）該復(fù)雜管系固有頻率值大部分落在低階范圍內(nèi)，而且相鄰階次的頻率值較為靠近，這對(duì)避開共振是不利的。

（2）對(duì)應(yīng)各階固有頻率下的振型圖，清楚地說(shuō)明了該管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，管道上各個(gè)部分的振動(dòng)幅度的大小變化趨勢(shì)。該管系結(jié)構(gòu)的第3、4階頻率時(shí)，振幅較大的區(qū)域出現(xiàn)在排氣管和回氣管U形的底部；且y方向的左右擺動(dòng)為主振動(dòng)方向。這與測(cè)試振幅測(cè)試是相符合的。

（3）壓縮機(jī)對(duì)通過(guò)管道結(jié)構(gòu)的激發(fā)頻率根據(jù)公式fex=mn60計(jì)算得出，該空調(diào)室外壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速約為2900r/min，由此得到激發(fā)頻率為48.5Hz。壓縮機(jī)對(duì)管系結(jié)構(gòu)激發(fā)頻率共振區(qū)為38.8Hz～58.2Hz；沒(méi)有加上配管塊的管系結(jié)構(gòu)避免機(jī)械共振，其測(cè)試的振動(dòng)值較??；但一旦在配管上加配重塊或防振膠時(shí)，由于管系結(jié)構(gòu)質(zhì)量變大，使其第4階固有頻率落入共振區(qū)內(nèi)，使得管路振動(dòng)得更大，達(dá)不到減振目的。

3.空調(diào)配管固有頻率測(cè)試

為了驗(yàn)證配管模態(tài)仿真分析的可靠性，采用B&K;振動(dòng)測(cè)試分析3560、力錘和加速度傳感器對(duì)空調(diào)配管進(jìn)行固有頻率測(cè)試。測(cè)試采用單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)輸出（SISO） 測(cè)試方法，用加速度傳感器固定到配管上，而后用力錘敲擊配管，為了避免固有頻率進(jìn)的漏測(cè)，需要對(duì)一點(diǎn)3個(gè)方向X、Y與 Z進(jìn)行敲擊激勵(lì)。對(duì)每臺(tái)樣機(jī)的配管進(jìn)行10個(gè)點(diǎn)的激勵(lì)與響應(yīng)測(cè)試。

從固有頻率測(cè)試結(jié)果與仿真值顯示出：固有頻率測(cè)試值的前4階值與仿真值是相近的，其相對(duì)誤差δ=|（f測(cè)-f仿）/f測(cè)|的值分別為5.2%、2.0%、2.7%與0.9%。第5～8階固有頻率測(cè)試值與仿真值有偏差，特別是第8階誤差達(dá)到13.6%，此現(xiàn)象的原因是固有頻率可能漏階錯(cuò)階和配管結(jié)構(gòu)存在阻尼相對(duì)高階不易獲取。對(duì)于定頻空調(diào)，一般比較關(guān)心的頻率為激勵(lì)頻率附近值。

4.結(jié)論

為了避免激振力頻率和管道結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)，管道產(chǎn)生機(jī)械共振，需要對(duì)管道結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)某款空調(diào)室外機(jī)配管加上配重塊后振動(dòng)大、噪音高等問(wèn)題，介紹空調(diào)配管結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基本原理，即應(yīng)用子空間疊代法對(duì)管道的特征方程進(jìn)行求解，得出管道結(jié)構(gòu)的固有頻率；根據(jù)上述方法，對(duì)空調(diào)室外機(jī)實(shí)際管道結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型后，用有限元軟件對(duì)其模態(tài)分析，得出了該管道結(jié)構(gòu)的前8階固有頻率值和對(duì)應(yīng)固有頻率下的振型圖，找出了加上配管塊振動(dòng)更大的原因。同時(shí)為了驗(yàn)證配管模態(tài)分析結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了配管固有頻率測(cè)試，測(cè)試值與仿真值在前幾階是相吻合的，進(jìn)一步驗(yàn)證了配管理論的正確性，這對(duì)空調(diào)的節(jié)約成本與提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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