黃佳雯，羅宏斌，周健震

(1.景德鎮(zhèn)學(xué)院 機械電子工程學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333400；2.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機械電子工程學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

冰箱作為一種現(xiàn)代成熟科技產(chǎn)品，已邁入千家萬戶，深受百姓的愛戴。但隨著生活水平的提高，過去停留在能制冷，且耗電量小的舊觀念隨著時間的流逝不斷改變。高制冷量、低能耗、低振動噪聲、智能化、時尚等多元素結(jié)合一體的冰箱成為當(dāng)今基本配置要求。

隨著冰箱市場競爭日益激烈，降低冰箱材料成本，減小板材厚度的降本觀念已深入到各冰箱廠家。然而，此舉常常會使得振動噪聲的弊端顯露出來，令用戶無比煩惱，減少了冰箱的銷售量。因此，減振降噪工作越來越受到各大冰箱廠家的關(guān)注。壓縮機作為冰箱的心臟，是冰箱振動和噪聲的源頭，當(dāng)然是眾多學(xué)者首選的研究對象。

近年來，關(guān)于冰箱壓縮機減振降噪的研究有不少報道。Dugast 等[1]提出了一種基于振動測試的壓縮機。李洪亮等[2]對振動噪聲進(jìn)行了理論和實驗分析，設(shè)計出了一種新壓縮機隔振系統(tǒng)。鐘崇明等[3]對往復(fù)式壓縮機的振動進(jìn)行了有限元分析和試驗研究。張奎等[4]分析了冰箱壓縮機的振動源，應(yīng)用隔振系統(tǒng)原理進(jìn)行了復(fù)合隔振器設(shè)計，并成功地降低了壓縮機振動。駱江鋒[5]分析了往復(fù)式壓縮機活塞直徑大小和曲軸偏心量配合對壓縮機振動與噪聲的影響，并通過實驗得出較小活塞直徑配較大曲軸偏心量是比較優(yōu)秀的設(shè)計方案。周更生等[6]以壓縮機配管為研究對象，并對其進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及輻射聲場分析，提出了一種新的配管結(jié)構(gòu)，從而有效地降低了壓縮機的振動噪聲。雖然以上這些研究措施對壓縮機減振降噪有一定的效果，但都忽視了陶瓷內(nèi)排管對振動傳遞的影響。本文應(yīng)用ANSYS 軟件對壓縮機陶瓷內(nèi)排管進(jìn)行了應(yīng)力和模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計優(yōu)化出一種新結(jié)構(gòu)陶瓷內(nèi)排管。通過實驗發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)陶瓷內(nèi)排管能明顯改善壓縮機低速下的振動。

1 物理模型建立

為了便于分析和簡化模型，本文以整個蓋板組件為研究對象，對現(xiàn)有的陶瓷內(nèi)排管建立了簡化物理模型，如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管物理模型Fig.1 Physical model of existing ceramic internal dumping tube

陶瓷內(nèi)排管物理模型所采用的網(wǎng)格大小均為0.25 mm。受力分析時邊界條件為陶瓷內(nèi)排管與排氣管焊接端固定，與排氣消音腔連接端分別施加沿X 方向4 mm 位移，沿Y 方向6 mm 位移，具體參數(shù)及受力條件見表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

2 數(shù)值分析

圖2 為現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管數(shù)值模擬所得模態(tài)云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷內(nèi)排管最大變形區(qū)域為小U 型處。

圖2 現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管模態(tài)Fig.2 Mode of existing ceramic internal dumping tube

表2 為模擬所得前6 階時內(nèi)管的固有頻率。其中，第6 階時頻率最大為439 Hz，且各階頻率與壓縮機運行時頻率較接近，故易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表2 現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管前6 階固有頻率Tab.2 The first 6 natural frequencies of ceramic inner tubes available

結(jié)構(gòu)合理的陶瓷內(nèi)排管決定著整體的柔度，而陶瓷內(nèi)排管柔度又對壓縮機吸振起著舉足輕重的作用。因此，為衡量陶瓷內(nèi)排管的柔度，分別對陶瓷內(nèi)排管在X 與Y 方向施加一定位移時所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析。其中，X 方向為水平方向，Y 方向為豎直方向。圖3(a)為現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管在X 方向施加4 mm 位移時的應(yīng)力。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生與蓋板相連接部位，最大值為120.7 MPa；圖3(b)為現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管在Y 方向施加6 mm 位移時的應(yīng)力。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生與排氣管相連接部位，最大值為232.9 MPa。

圖3 現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管應(yīng)力分析Fig.3 Stress analysis of ceramic inner tubes available

圖4 為優(yōu)化后的陶瓷內(nèi)排管模型。整體長度較優(yōu)化前增長了100 mm，且中間結(jié)構(gòu)也由直管改成了大弧度的半圓結(jié)構(gòu)。通過模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后固有頻率與優(yōu)化前差異較明顯。

圖4 優(yōu)化狀態(tài)陶瓷內(nèi)排管Fig.4 Optimized ceramic internal dumping tube

圖5(a)為優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管在X 方向施加4 mm位移時的應(yīng)力。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力為中間U 型部位，最大值為94.9 MPa；最大位置較優(yōu)化前有所變動，最大值降低了26 MPa。而較優(yōu)化前相同位置處下降明顯，約為80 MPa。圖5(b)為現(xiàn)有陶瓷內(nèi)排管在Y 方向施加6 mm 位移時的應(yīng)力。

圖5 優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管應(yīng)力分析Fig.5 Stress analysis of optimized ceramic inner tube

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生與排氣管相連接部位，最大值為 193.0 MPa，下降值為40 MPa。優(yōu)化后陶瓷內(nèi)排管在X 與Y 方向的應(yīng)力均有明顯下降，說明優(yōu)化后陶瓷內(nèi)排管整體柔韌性有所改善。

表3 為模擬所得優(yōu)化后陶瓷內(nèi)排管內(nèi)管前6階時的固有頻率。其中，第6 階時頻率最大為407 Hz，避開了壓縮機運行時頻率，改善共振現(xiàn)象。

表3 優(yōu)化內(nèi)排管前6 階固有頻率Tab.3 Optimizing the first 6 order natural frequency of the internal tube

3 實驗驗證

為驗證優(yōu)化后壓縮機陶瓷內(nèi)排管較優(yōu)化前的振動有明顯改善，在盡可能減小差異化的條件下，選擇精度、尺寸、安裝間隙、實驗測試工況、測試設(shè)備等均相同條件下，對裝有兩種陶瓷內(nèi)排管的壓縮機分別進(jìn)行低速振動測試。測試位置為壓縮機殼體的x、y、z 三個方向，測試轉(zhuǎn)速為1200 rpm、1300 rpm、1400 rpm。

表4 為優(yōu)化前后壓縮機振動測試數(shù)據(jù)。從表中可以發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管的壓縮機在x、y、z 三個方向振動均明顯下降。其中，在1200 rpm 時，最大振動下降了0.1 m/s2；1300 rpm時，最大振動下降了0.02 m/s2；1400 rpm 時，最大振動下降了0.06 m/s2。說明優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管對壓縮機低速運行時的振動有所改善。

表4 優(yōu)化前后壓縮機振動測試數(shù)據(jù)Tab.4 Compressor vibration test data before and after optimization

4 結(jié)論

陶瓷內(nèi)排管是壓縮機內(nèi)部至關(guān)重要的柔性部件，對壓縮機振動影響明顯。為此，對現(xiàn)有壓縮機陶瓷內(nèi)排管進(jìn)行模型建立，并從模態(tài)及X 方向4 mm 位移與Y 方向6 mm 位移時的應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，并得出了以下結(jié)論。

（1）優(yōu)化后整體長度增長了100 mm，中間部位由直管改成了大圓弧結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的固有頻率與優(yōu)化前差異較明顯。

（2）優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管的壓縮機在X 方向最大應(yīng)力為94.9 MPa，最大位置較優(yōu)化前有所變動。當(dāng)最大值降低了26 MPa，較優(yōu)化前相同位置處下降明顯，約為80 MPa。

（3）優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管的壓縮機在Y 方向最大應(yīng)力為193.0 MPa，下降值為40 MPa。

（4）優(yōu)化陶瓷內(nèi)排管的壓縮機在x、y、z 三個方向振動均明顯下降。其中，在1200 rpm 時，最大振動下降了0.1 m/s2；1300 rpm 時，最大振動下降了0.02 m/s2；1400 rpm 時最大振動下降了0.06 m/s2。