压缩机减振陶瓷内排管模拟分析及优化

黄佳雯，罗宏斌，周健震

(1.景德镇学院 机械电子工程学院 江西 景德镇 333400；2.景德镇陶瓷大学 机械电子工程学院 江西 景德镇 333403)

0 引言

冰箱作为一种现代成熟科技产品，已迈入千家万户，深受百姓的爱戴。但随着生活水平的提高，过去停留在能制冷，且耗电量小的旧观念随着时间的流逝不断改变。高制冷量、低能耗、低振动噪声、智能化、时尚等多元素结合一体的冰箱成为当今基本配置要求。

随着冰箱市场竞争日益激烈，降低冰箱材料成本，减小板材厚度的降本观念已深入到各冰箱厂家。然而，此举常常会使得振动噪声的弊端显露出来，令用户无比烦恼，减少了冰箱的销售量。因此，减振降噪工作越来越受到各大冰箱厂家的关注。压缩机作为冰箱的心脏，是冰箱振动和噪声的源头，当然是众多学者首选的研究对象。

近年来，关于冰箱压缩机减振降噪的研究有不少报道。Dugast 等[1]提出了一种基于振动测试的压缩机。李洪亮等[2]对振动噪声进行了理论和实验分析，设计出了一种新压缩机隔振系统。钟崇明等[3]对往复式压缩机的振动进行了有限元分析和试验研究。张奎等[4]分析了冰箱压缩机的振动源，应用隔振系统原理进行了复合隔振器设计，并成功地降低了压缩机振动。骆江锋[5]分析了往复式压缩机活塞直径大小和曲轴偏心量配合对压缩机振动与噪声的影响，并通过实验得出较小活塞直径配较大曲轴偏心量是比较优秀的设计方案。周更生等[6]以压缩机配管为研究对象，并对其进行了模态分析、谐响应分析及辐射声场分析，提出了一种新的配管结构，从而有效地降低了压缩机的振动噪声。虽然以上这些研究措施对压缩机减振降噪有一定的效果，但都忽视了陶瓷内排管对振动传递的影响。本文应用ANSYS 软件对压缩机陶瓷内排管进行了应力和模态分析，在此基础上设计优化出一种新结构陶瓷内排管。通过实验发现，新结构陶瓷内排管能明显改善压缩机低速下的振动。

1 物理模型建立

为了便于分析和简化模型，本文以整个盖板组件为研究对象，对现有的陶瓷内排管建立了简化物理模型，如图1 所示。

图1 现有陶瓷内排管物理模型Fig.1 Physical model of existing ceramic internal dumping tube

陶瓷内排管物理模型所采用的网格大小均为0.25 mm。受力分析时边界条件为陶瓷内排管与排气管焊接端固定，与排气消音腔连接端分别施加沿X 方向4 mm 位移，沿Y 方向6 mm 位移，具体参数及受力条件见表1。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

2 数值分析

图2 为现有陶瓷内排管数值模拟所得模态云图。从图中可以发现，陶瓷内排管最大变形区域为小U 型处。

图2 现有陶瓷内排管模态Fig.2 Mode of existing ceramic internal dumping tube

表2 为模拟所得前6 阶时内管的固有频率。其中，第6 阶时频率最大为439 Hz，且各阶频率与压缩机运行时频率较接近，故易产生共振现象。

表2 现有陶瓷内排管前6 阶固有频率Tab.2 The first 6 natural frequencies of ceramic inner tubes available

结构合理的陶瓷内排管决定着整体的柔度，而陶瓷内排管柔度又对压缩机吸振起着举足轻重的作用。因此，为衡量陶瓷内排管的柔度，分别对陶瓷内排管在X 与Y 方向施加一定位移时所产生的应力进行了模拟分析。其中，X 方向为水平方向，Y 方向为竖直方向。图3(a)为现有陶瓷内排管在X 方向施加4 mm 位移时的应力。从图中可以发现，最大应力发生与盖板相连接部位，最大值为120.7 MPa；图3(b)为现有陶瓷内排管在Y 方向施加6 mm 位移时的应力。从图中可以发现，最大应力发生与排气管相连接部位，最大值为232.9 MPa。

图3 现有陶瓷内排管应力分析Fig.3 Stress analysis of ceramic inner tubes available

图4 为优化后的陶瓷内排管模型。整体长度较优化前增长了100 mm，且中间结构也由直管改成了大弧度的半圆结构。通过模拟发现，优化后固有频率与优化前差异较明显。

图4 优化状态陶瓷内排管Fig.4 Optimized ceramic internal dumping tube

图5(a)为优化陶瓷内排管在X 方向施加4 mm位移时的应力。从图中可以发现，最大应力为中间U 型部位，最大值为94.9 MPa；最大位置较优化前有所变动，最大值降低了26 MPa。而较优化前相同位置处下降明显，约为80 MPa。图5(b)为现有陶瓷内排管在Y 方向施加6 mm 位移时的应力。

图5 优化陶瓷内排管应力分析Fig.5 Stress analysis of optimized ceramic inner tube

从图中可以发现，最大应力发生与排气管相连接部位，最大值为 193.0 MPa，下降值为40 MPa。优化后陶瓷内排管在X 与Y 方向的应力均有明显下降，说明优化后陶瓷内排管整体柔韧性有所改善。

表3 为模拟所得优化后陶瓷内排管内管前6阶时的固有频率。其中，第6 阶时频率最大为407 Hz，避开了压缩机运行时频率，改善共振现象。

表3 优化内排管前6 阶固有频率Tab.3 Optimizing the first 6 order natural frequency of the internal tube

3 实验验证

为验证优化后压缩机陶瓷内排管较优化前的振动有明显改善，在尽可能减小差异化的条件下，选择精度、尺寸、安装间隙、实验测试工况、测试设备等均相同条件下，对装有两种陶瓷内排管的压缩机分别进行低速振动测试。测试位置为压缩机壳体的x、y、z 三个方向，测试转速为1200 rpm、1300 rpm、1400 rpm。

表4 为优化前后压缩机振动测试数据。从表中可以发现，不同转速下优化陶瓷内排管的压缩机在x、y、z 三个方向振动均明显下降。其中，在1200 rpm 时，最大振动下降了0.1 m/s2；1300 rpm时，最大振动下降了0.02 m/s2；1400 rpm 时，最大振动下降了0.06 m/s2。说明优化陶瓷内排管对压缩机低速运行时的振动有所改善。

表4 优化前后压缩机振动测试数据Tab.4 Compressor vibration test data before and after optimization

4 结论

陶瓷内排管是压缩机内部至关重要的柔性部件，对压缩机振动影响明显。为此，对现有压缩机陶瓷内排管进行模型建立，并从模态及X 方向4 mm 位移与Y 方向6 mm 位移时的应力进行了数值分析。在此基础上进行了优化，并得出了以下结论。

（1）优化后整体长度增长了100 mm，中间部位由直管改成了大圆弧结构，优化后的固有频率与优化前差异较明显。

（2）优化陶瓷内排管的压缩机在X 方向最大应力为94.9 MPa，最大位置较优化前有所变动。当最大值降低了26 MPa，较优化前相同位置处下降明显，约为80 MPa。

（3）优化陶瓷内排管的压缩机在Y 方向最大应力为193.0 MPa，下降值为40 MPa。

（4）优化陶瓷内排管的压缩机在x、y、z 三个方向振动均明显下降。其中，在1200 rpm 时，最大振动下降了0.1 m/s2；1300 rpm 时，最大振动下降了0.02 m/s2；1400 rpm 时最大振动下降了0.06 m/s2。