管路及结构设计对空调整机运输过程中振动的影响

王铭坤 熊硕 秦宪

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

1 引言

随着人们生活水平的提高，空调器逐渐成为人们改善工作、生活环境的必需品，而提供工作可靠的产品是空调器制造企业的责任和追求的方向。空调器配管断裂失效是影响空调器工作可靠性的一个常见问题，由此会造成制冷剂泄露，影响机器正常工作，并对空调产品的质量形象产生严重的负面影响。

分体空调制冷管路常见的失效形式有两种：运输过程中的管路断裂和空调系统运行过程中的管路断裂。而造成运输过程中的管路断裂的原因有很多种，从设计上来讲大致可以分为：包装设计不合理和空调器管路、结构设计不合理两种。本文主要讨论空调器管路、结构设计不合理造成的管路失效，对运输过程中管路的受力情况进行分析，并通过实验验证及理论分析对解决方案进行总结。

2 空调器系统在运输过程中的受力情况分析及影响因素

2.1 空调器系统在运输过程中的受力情况分析

对大量的售后数据进行分析总结及理论分析发现，在运输过程中出现管路断裂的点绝大多数集中在图1所示的冷凝器进管的根部。原因为：压缩机的底角是不固定的，在运输过程中压缩机可以在一定范围内跳动和摆动，致使运输工具在加速和制动过程中压缩机存在一定的惯性力，导致配管受到较大的瞬间载荷；而冷凝器中U管的壁厚多数都是0.25mm的，是整个管路系统中最薄弱的地方，且压缩机相连接管的管路直接与冷凝器进管相连，致使应力集中在冷凝器进管的根部。另一方面，运输工具在行驶过程中需要承受来自路面的冲击，其中多为20Hz以下的随机激励，如果配管在前1、2阶固有频率落在20Hz以下，在运输过程中将有发生共振的可能。 此外，冷凝器进管在摆动过程中会带动冷凝器U形管进行摆动，如果冷凝器边板与冷凝器U形管的配合（如图2）间隙不合适，就会在冷凝器边板与冷凝器连接处发生微动磨损，进而导致冷凝器进管根部失效。

2.2 空调器系统在运输过程中受力的影响因素分析

根据上面受力分析的结果，我们得出：要想提高运输过程中的可靠性可以从压缩机的脚垫、冷凝器边板的孔径、冷凝器进管的结构三方面着手来考虑。

表1 同一机型不同硬度脚垫的对比

表2 同一机型不同内径脚垫的对比

3 运输过程中可靠性的技术分析与实验

以下的试验结果均为在同一个运输振动模拟实验台，频率从5Hz 25Hz之间进行扫频振动试验测得的，没有特殊说明时，运输过程中测试的应变值均为图2中测点1和测点2的测试结果。

3.1 压缩机脚垫对运输过程中管路的可靠性的影响

把压缩机的底角固定的更加可靠，来减小压缩机的跳动和摆动可以减小压缩机惯性力对配管产生的瞬间载荷。加强压缩机的固定方式可以有两种：加大压缩机脚垫的硬度，以减小压缩机脚垫的形变，或者减小压缩机脚垫与压缩机定位螺栓的间隙，来减小压缩机脚垫的位移。为了验证上面理论的准确性，在同一台样机上把压缩机固定在底盘上，仅压缩机脚垫不同，采用拉力仪用相同的拉力对压缩机进行拉力测试（拉力的方向相同，均按照图3的拉力方向），然后测量压缩机排气管管口的位移量，发现压缩机脚垫加硬和压缩机脚垫内径加大均可以减小压缩机的位移（具体的测试的结果如表1和表2），故前面的理论分析是可行的。把此两种方案应用到整机上进行验证的实验结果如下面表1和表2所示。

由表1和表2整机测试的数据可以看出：加大压缩机脚垫硬度和减小压缩机脚垫与压缩机定位螺栓的间隙，均可以有效改善空调器整机在运输过程中管路的应变问题。

3.2 边板的开孔尺寸及结构对运输过程中管路的可靠性的影响

在运输过程中由于压缩机的惯性力，导致冷凝器进管存在摆动，冷凝器进管又带动冷凝器U形管发生振动，加上冷凝器U形管与冷凝器边板连接处存在间隙，导致U形管相对于冷凝器边板在接触表面发生横向的往复振动，配管磨损不断加大直至出现裂纹。其中配管的磨损程度主要受到以下因素的影响：载荷（振幅）大小，磨损与载荷大小近似线性关系；加载循环次数。

为了预防微动磨损对U形管产生的损害，可以把减小U形管与冷凝器边板的接触面积及机会为最基本的指导思想。在同一台空调器上仅换热器边板孔径不同的情况下的应力对比数据如表3，其中边板孔径不同时，边板与U形管的配合尺寸的对比数据也如表3所示。两种边板采用的不同孔的结构如图4所示。

由表3的数据可以得到：当冷凝器边板使用直通孔时，U管与边板之间的间隙变大时，U型连接管受到的剪切应力会变小。

3.3 冷凝器进管的结构设计对运输过程中管路的可靠性的影响

在运输过程中，压缩机在惯性作用下将会产生较大的晃动，如果冷凝器进管的刚性过大，不能为压缩机的晃动提供足够的变形裕量，可能会在配管内产生较大的瞬间应力，所以降低冷凝器进管的刚性，在水平和竖直平面内利用“U”形管路等提供配管较大的变形裕量，可以减小运输过程中对配管的应力应变。另外，也可以采用其他的方法减小冷凝器进管的晃动和位移来达到目的。

3.3.1 降低冷凝器进管的刚度即增加冷凝器进管的柔性

以一款05K的分体机为例，此机型采用2种不同的冷凝器进管（如图5所示L型管和回形针型管）分别采用ANSYS软件进行模态分析（如图5所示），发现L形管在与冷凝器边板的交接处存在较大的应力集中点，而回形针结构的冷凝器进管受力较小，能够有效分解压缩机的惯性力。两种管型的冷凝器进管应用于整机后的对比试验数据如表4。

3.3.2 减少冷凝器进管的悬臂长度来减小冷凝器进管的位移

预防微动磨损对U形管产生的损害，也可以通过减小U形管与冷凝器边板的相对振幅来实现。在同一台空调器上仅冷凝器进管的长度不同的情况下的应力对比数据如表5。从表5中的对比数据可以看到，当冷凝器进管的悬臂减短时，受力力矩就会减小，冷凝器进管的位移也会相应减小，冷凝器进管的应变就会变小。

3.3.3 增加冷凝器进管固定块来减小冷凝器进管的位移

把冷凝器进管和相邻管路捆绑在一起，把力强行分解到其他结构更加可靠的管路上，强制性的不允许冷凝器进管出现位移，也是一种解决方案。同一机型冷凝器增加管夹前后的对比数据如表6所示。

由表6可见，冷凝器进管增加管夹后，冷凝器进管的应变值也有较大的降低，可以有效解决运输过程中的管路振动问题。

4 结论

(1)加大压缩机脚垫的硬度和减小压缩机脚垫与压缩机固定螺栓的间隙均可以有效保证空调整机在运输过程中的可靠性。其中减小压缩机脚垫与压缩机固定螺栓的间隙可以从减小压缩机脚垫的内径和增大压缩机固定螺栓内径两方面进行设计。

(2)冷凝器边板与U形管的配合尺寸加大可以有效改善空调器整机在运输过程中的应力应变。

(3)在水平和竖直平面内利用“U”形管路可以增加冷凝器进管的柔性，可以较大限度的提高变形裕量，进行改善管路在运输过程中的可靠性。

表3 同一空调器仅换热器边板孔径不同的应力对比

表4 同一机型不同冷凝器进管的对比

表5 同一空调器冷凝器进管长度不同的应力对比

表6 同一机型冷凝器增加管夹前后的对比

(4)通过减小配管与冷凝器连接处直线段的长度，提高其局部刚性，可以在一定程度上减小微动磨损对配管可靠性的损害。

(5)在冷凝器进管上增加管固定块把冷凝器进管与其他管路捆绑在一起，也可以减少冷凝器进管的位移，达到提高管路可靠性的目的。

[1]卢剑伟、杨九铭、陈天宁、冯源。分体空调配管失效分析及改善方法.机电产品开发及创新.2004.17(1)：43-45。

[2]卢剑伟。空调器配管断裂失效分析及可靠性改善.机械设计.2006.23(5)：33-35。