风机安装结构随机振动分析与优化

李鹏

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

风机安装结构随机振动分析与优化

李鹏

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

本文通过随机振动和模态实验，对风机系统安装结构进行了损坏评估和原因分析；针对分析原因，进行了风机结构随机振动的CAE分析、评估和优化，确定了风机系统安装结构的优化方案；结合CAE分析和随机振动实验，进行了其结构分析和验证，实验表明优化结构大大提高了风机系统刚度性能，避免了道路运输中的产品损坏。

随机振动；PSD；模态实验

随着市场经济环境和生活水平的不断提高，家用中央空调和一些特种空调普及率更广，各种恶劣的道路运输工况层出，空调产品运输可靠性面临挑战日益严峻。为了提高空调性能，家用中央空调和特种空调中，质量大、直径大和高度高的金属风叶的风机系统运用最常见，这给风机系统安装结构在运输中的可靠性带来挑战。在运输过程中，外界激励力与产品部件固频一致或接近时，引起共振现象导致产品损坏，甚至失效，严重影响空调质量品质和市场竞争力。

本文通过随机振动和模态实验变形对某风机系统安装结构进行了损坏评估和原因分析，从而寻求其有效的风机安装结构优化方案。针对分析原因，根据一定的优化理论，结合CAE分析和优化方法，对风机系统安装结构进行相应优化，给出有效的优化方案和解决思路，保障产品运输的可靠性。

1 风机系统随机振动实验

1.1 功率谱密度

产品在公路运输过程中，其振动与路面状况，行驶速度、车辆减振性能和载重等因素密切相关，其中受公路路面的起伏和不平度影响最大。随机振动是不能用时间的确定函数来描述的一种振动现象，但存在一定的统计规律，可用该现象的统计特性进行描述，即在震动频率范围内描述。通常情况下，描述随机振动载荷或响应的方式是功率谱密度函数。设计载荷最普遍采用是加速度峰值响应等效，即设计载荷所产生的加速度响应等于随机振动中的加速度响应峰值[1]。在外载荷激励下，加速度响应等效公式为：

式中，Fa为设计载荷，M为质量矩阵，F(t)为随机载荷，K为刚度矩阵，C为阻尼矩阵，x为位移向量，为速度向量，为加速度向量。

研究表明，公路运输中随机振动加速度功率谱密度在垂直方向最大，横向次之，纵向最小[2]。我国公路随机振动功率谱密度曲线是卡车不同负载条件下，以匀速50km/h的速度行驶在沥青柏油公路上时采集的垂直振动强度曲线。本文参照国标GB/T 4875.23-2003公路谱曲线，选择低高频都更严厉的加速度功率谱密度标准，具体如图

1所示。

图1 PSD曲线

图2 风机系统随机振动破坏

图3 风机系统FRF

图4 风机系统第一阶振型

图5 原风机系统前2阶振型

图6 优化方案前2阶振型

1.2 随机振动实验

参照上述加速度功率谱密度，将风机系统固定在振动台上，沿竖直方向进行振动8小时，拆开风机系统检查，风机系统破坏如图2所示。风机系统与安装网之间的4个螺栓被拉断，风机系统掉落。风机系统固定螺栓由于疲劳被拉断，主要可能由于在扫频过程中，振动激励与风机系统某阶模态相近或相同，引起共振，产生严重的破坏。

2 风机系统模态测试

为了更深入分析风机系统随机振动破坏的原因，对风机系统进行模态测试。通过锤击法，带宽126Hz，谱线数256，建立8点几何，采用4个三向传感器分两次测量，完成风机系统模态测试。风机系统FRF如图3所示，风机系统第一阶固频为11.3Hz，对应振型为电机的上下振动模态，具体如图4所示。

根据以上分析，为解决风机系统随机振动过程中螺栓拉断问题，调整风机系统第一阶模态是有效的方案。

3 结构优化

针对风机系统，建立有效的CAE模型，进行相应模态分析和随机振动分析，并根据分析结果进行风机系统结构优化和验证，从而解决随机振动过程风机系统螺栓拉断问题，保证空调产品运输的可靠性。

风机系统模态分析显示，电机上下振动振型对应模态是主要原因，通过结构调整提升或避免该阶模态能有效解决运输破坏问题；风机系统随机振动分析显示，风机系统最大1σ应力分布于螺栓上，通过结构调整转移或均布其最大应力是有效的方案。综上所述，虽然原风机系统网罩结构有较细的圆环，但直径太小，整个风机系统仍存在低频的上下振动模态。故对原风机系统进行增加加强圆环处理，直径与4根主要支撑臂相同，具体分析和验证在下文详述。

3.1 模态分析和验证

对原风机系统和优化方案进行模态分析，前5阶固频如表1所示，优化方案风机系统第一阶固频显著提升。道路运输和随机振动扫频过程，能量主要集中在低频，第一阶模态的提升，能大大减小风机系统相应部件能量的冲击。

图7 原风机系统1σ应力分布

图8 优化方案1σ应力分布

表1 风机系统前5阶固频

原风机系统前3阶模态均为电机模态，第1阶为电机上下振动模态，对应固频为12Hz，这是随机振动扫频实验中极易引起电机共振的模态；第2阶和第3阶为电机其他两个方向振动模态，具体详见图5所示。优化方案风机系统前2阶为电机沿非上下方向的振动模态，第3阶为整个安装钣金铁板的上下模态，对应固频为23.7Hz，具体详见图6所示。在随机振动扫频过程中电机不会出现单独共振而拉断螺栓，能有效解决原风机运输破坏问题。

3.2 随机振动分析和验证

根据随机振动实验要求，如图1所示随机振动实验用加速度谱密度函数，分别对原风机系统和优化方案进行2Hz～200Hz扫频随机振动分析，风机系统在竖直随机振动时，1σ应力分布具体结果如图7和图8所示。

如图7所示，竖直方向随机振动时，原风机系统的安装螺栓处应力最大，与随机振动实验中风机螺栓拉断部位一致，1σ应力为569.6Mpa，可知2σ应力为1139.2Mpa，3σ应力为1708.8Mpa；优化方案风机系统竖直方向随机振动时，应力最大部位出现在加强圆环上，1σ应力为311.5Mpa，相对原风机系统减小45.3%，而电机安装螺栓处应力较小。

根据以上分析，对原风机系统进行加强圆环结构更改，制作样件，再次进行8小时随机振动实验，风机系统各部分结构完整，无损坏。

4 结论

（1）通过风机系统模态实验，确定了其安装结构模态在随机振动扫频过程中产生共振，是风机系统安装螺栓拉断的主要原因。

（2）结合CAE和实验方法，基于风机系统模态分析振型和随机振动应力分布，给出了加强圆环的结构优化方案。

（3）风机系统加强圆环优化方案，通过了模态和随机振动的CAE对比验证；同时，进行样件制作后的产品也通过了随机振动实验验证。

[1] 张玉梅,韩增尧,邹元杰.随机振动环境下航天器结构强度设计方法总述.力学进展,2012,42(4):464～466

[2] 汪苗苗.平板电视缓冲包装件的力学特性研究.东北林业大学硕士论文,2010:11～12

Structural optimization of fan-motor system base on random vibration

LI Peng
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

In this thesis, random vibration test and modal test of fan-motor system are carried out , the damage of fanmotor system is observed and how to be destroyed is analyzed. According to the reason for fan-motor system damage, with the method of CAE, random vibration analysis is done and the optimized fan-motor system structure scheme is determined. Based on random vibration theory and modal adjustment, the fan-motor system structure is optimized and verified by CAE, modal test and random vibration test.

Random system; PSD; Modal test