基于仿真分析的冰箱回气管优化设计

钟泽 江俊 李语亭 王利亚 赵圣宇

美的集团冰箱事业部用户与产品中心 安徽合肥 230601

0 引言

经济的增长带动了人们消费水平的提高，冰箱作为主要的家电产品已经成为人们日常生活中必不可少的一部分，冰箱在带给人们生活便利的同时，其噪声问题成为影响人们生活品质的因素之一，冰箱的噪声大小也成为人们衡量产品性能的一大指标。

冰箱的噪声问题一直以来都是研究的重点，其噪声来源主要为压缩机的振动、制冷剂流动、风机的旋转、材料的热胀冷缩以及管路的共振等方面[1]，冰箱机械室的管路共振则是噪声的主要表现之一。回气管和排气管作为冰箱机械室内连接压缩机和冷凝器等重要部件，是制冷剂运输的重要通道，管路的结构性设计是影响其可靠性的关键因素，解决管路共振问题通常是通过进行合理的配管设计，减小管路的振幅，使得管路的固有频率避开冰箱压缩机的运行频率。

何少勇[2]等人分析了风冷变频冰箱的噪声主因，并针对管路提出了部分改善建议；鲍敏[3]等人通过对小型风冷冰箱的压缩机管路进行模态仿真分析确定了管路振动异常原因，并对此进行了优化；杨恺[4]等人提出一种基于反共振原理的管路吸振器调谐方法通过调谐动力吸振器固有频率，改变管路振动传递函数的反共振区域，从而改变管路振动传递特性，实现振动抑制；邱文辉[5]等人针对配管停机应力超标问题，通过实验和仿真两种手段，对配管系统进行模态分析，得到其固有频率及对应振型，并对配管系统进行结构优化。以上的研究为解决管路噪声指引了方向。

本研究针对我司某一型号冰箱的压缩机管路共振问题展开，通过仿真和实验两种手段对回气管进行固频分析，借助仿真分析对回气管进行结构优化，并利用实验结果验证了仿真的准确性，有效地避开了压缩机固有频率，降低了管路的刚度，为解决管路共振问题提供了方案依据。

1 冰箱管路建模分析

1.1 管路三维模型

冰箱机械室内的管路系统主要包括压缩机、回气管和排气管及底板等，压缩机是振动源，能量由管道传递到箱体和底板上，能量在传递的过程中引发管路振动，由此将其作为一个整体研究对象，同时为了便于计算，对小型结构进行简化处理，建立三维模型如图1所示。

图1 管路系统三维模型

1.2 仿真分析

压缩机作为振源，管路作为其振源传递路径之一。而管路结构本身的振动属性——振动模态是影响管路共振噪声的主要原因，文章的目的是基于管路结构本身的属性进行研究，而不是把整个机械室作为研究对象而考虑。而压缩机实际运行中是通过将产生的振动力传递给管路，引起管路振动，当压缩机运行产生的振动频率与管路结构本身的频率同等时会引发共振，故而对管路结构本身进行设计优化，更多的把压缩机作为激励源进行简化处理。仿真分析是作为研究管路结构常用的一种方法，本研究从管路的固频和刚度两个方面分析压缩机管路共振问题，固频是管路材料的本身特性，只与系统的刚度、阻尼以及质量有关，结构动力学方程主要为：

式（1）中：{a}、{v}、{x}、{f}分别是加速度向量、速度向量、位移向量和载荷向量，[M]、[C]、[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵。当物体为弹性体时，可忽略阻尼作用，则可得：

式（4）中：f为材料的固有频率。

而材料受到外力的刺激会产生弹性形变，根据胡克定律可得：

式（5）中：F为力的大小，K为弹性系数，x为位移。

将建立好的几何模型导入到软件中进行仿真分析，有限元回气管模型如图2所示。通过设置相应的边界条件可得到回气管的固有频率。

图2 回气管仿真分析

2 实验测试

针对我司某一款冰箱机械室的管路共振问题进行研究，对装配状态下的管路进行实验分析，获取回气管路的相关参数。采用锤击法对回气管进行测试，通过智能数据采集和处理设备对回气管路进行实验数据采集，实验通过单点激励、多点响应的方法，在回气管的不同测点处分别布置加速度传感器，采用PCB压电传感器，单相和三相振动探头进行测试，具体技术参数为：传感器质量5.4 g；尺寸11.4 mm立方体；量程±100 g；轴向灵敏度（25℃）100 mV/g（160 Hz）；频率响应（±1 dB）1～5000 Hz；工作温度-54℃～121℃。

在每个测点处测量三个方向上的加速度，同时选定激励点进行敲击，通过加速度传感器获得输出响应。

2.1 实验与仿真结果对比分析

通过实验测试分析其相干性可得回气管频响函数如图3所示，从中提取回气管的固有频率，回气管的实验与仿真的固有频率如表1所示，针对回气管的固频研究只考虑在低阶固频上，所以本次实验数据只采集120 Hz以下进行分析，由表中数据分析可得实验与仿真的固有频率误差在3%以内，证明了仿真的准确性和可行性。

图3 回气管频响函数曲线

表1 回气管实验和仿真固有频率（Hz）

2.2 回气管结构优化

对频响函数曲线进行分析可知，在回气管的z方向上振动变化明显，由此降低回气管z方向的振动是优化的重点方向。回气管与压缩机相连，整体形状以直线为主，容易造成回气管在压缩机附近的刚度变化，将回气管设计进行形状优化，设计成一个竖弯形状和两个竖弯形状，对其建立三维模型如图4所示，并对其进行仿真研究，得到其固频分布，如表2所示，由表中数据可知在回气管在两端固定且边界条件恒定下，回气管管路竖弯的存在极大地降低了固频值，同时随着管路中竖弯的增加，固频值减小，有利于避开共振频率。

表2 三种不同形状回气管仿真固频（Hz）

图4 两种竖弯形状回气管

同时，与压缩机相连的回气管受力会发生振动产生位移，继而会影响回气管的刚度变化，于是在仿真模拟中在回气管的一端测点处施加相同大小的敲击力道，记录三种不同形状的回气管在三个方向上的的位移变化特征，根据计算公式可得刚度变化结果，如表3所示。

表3 三种不同形状回气管仿真位移和刚度

由表3中数据可得，将回气管设置成竖弯形状，回气管的三个方向上的位移都增大，其中在y和z方向上变化更为明显，y方向刚度最大变化率达到25.47%，z方向上最大变化率达到46.06%；同时回气管路中随着竖弯的个数增加其刚度逐渐降低，在x方向上刚度减小45.53%，y方向上减小48.65%，z方向上变化最大，减小了63.58%。

2.3 实际测试结果对比分析

该实际优化管路结构已在我司产品上得到应用，经测试管路振动减小，整机噪声也有明显改善，各验证模型实际噪声和振动加速度测试结果如表4所示。

表4 三种不同形状回气管实际噪声和振动加速度测试结果

3 结论

本文针对我司某款冰箱管路共振优化问题，利用实验及仿真的方法对管路噪声进行优化分析，通过对回气管进行结构优化，得到如下结论：

（1）通过实验测试与仿真分析得到了管路的频响函数，仿真结果和实验测试结果十分吻合，证实了模型的可行性。

（2）对回气管结构进行优化，将回气管形状增加一个竖弯会降低回气管的固频和刚度，从而在一定程度上可以避开共振频率，减少共振噪声；同时随着回气管路竖弯的个数增加，管路的固频和刚度会继续降低，在y和z方向上表现明显。