空調(diào)器配管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

吳廣平 劉傳劍 梁健巧

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528311）

引言

隨著人們生活水平的提高，對于空調(diào)的舒適性及可靠性的要求也越來越高?？照{(diào)結(jié)構(gòu)的可靠性和性能一樣，受到廣大用戶的重視。這就給我們設(shè)計和生產(chǎn)空調(diào)的企業(yè)，帶來了挑戰(zhàn)及機遇。而其中配管的設(shè)計,對于空調(diào)性能、結(jié)構(gòu)可靠性、噪音等都有著深遠(yuǎn)的影響。

空調(diào)室外機的配管設(shè)計，遵循著這樣一個原則：既要易于制作，又要振動達到相關(guān)要求，從而避免實際運輸和使用時疲勞斷管現(xiàn)象。

通常傳統(tǒng)的設(shè)計是在設(shè)計后做試驗，測試出排氣管、回氣管等處的振動，從而得到振動是否滿足要求的結(jié)論。這種方法需要大量的設(shè)計和試驗來驗證，并且還要進行結(jié)構(gòu)可靠性的試驗及長期運行試驗，來驗證在用戶實際使用中是否會出現(xiàn)管裂，以及由配管振動引起的噪音問題。

由于有限元配管振動分析系統(tǒng)[1]的引入，使這個問題得到了簡化。通過對配管多階固有頻率的分析及周期性變化載荷分析，以避開共振區(qū)，并選擇最小的振動位移值。最后試驗驗證相關(guān)配管的振動。

1 空調(diào)配管振動原因分析

空調(diào)配管機械振動的主要原因，在于壓縮機本體由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身的特性，使得壓縮機動平衡不是很理想而產(chǎn)生振動；管內(nèi)氣流脈動在管道轉(zhuǎn)彎、管徑變化及有閥門時產(chǎn)生變化載荷，從而產(chǎn)生激振力,導(dǎo)致管道產(chǎn)生機械振動。

當(dāng)周期激勵的頻率和設(shè)計管道的固有頻率相近時，管道就會產(chǎn)生共振。

室外機中與壓縮機相連接的排氣管處于氣體通路的最前端，壓力是最大的。因為是脈動壓力，所以通常此處的振動也較大。另回氣管處雖壓力較小，但此處和壓縮機的儲液罐連接，儲液罐通常隨壓縮機的機械振動而振動，另加上氣動的沖擊，所以振動的振幅也是比較大的[2]。

所以本文就室外機中相關(guān)管路的振動進行分析，特別是排氣管和回氣管處的振動，得到最優(yōu)方案后，再進行實驗驗證。

2 原機配管設(shè)計仿真

通過三維設(shè)計軟件UG在鈑金結(jié)構(gòu)框架下，設(shè)計配管及其零部件，形成總裝配體。通過在UG中的相關(guān)CAE軟件插件，首先對三維模型相關(guān)管路、管路附件、閥件、壓縮機等賦予相關(guān)屬性及參數(shù)，并將我們要分析的模型的數(shù)據(jù)提取出來。在有限元分析軟件中，將模型數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化為CAE分析數(shù)據(jù)。最后進行整機的模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析的計算。

如圖1所示，原配管裝配體中為了減小振動，配管設(shè)計時，采用U型設(shè)計。壓縮機回氣管的設(shè)計采用了大U型設(shè)計，并且圍繞在壓縮機周圍。這樣設(shè)計的好處是當(dāng)壓縮機運行時，回氣管的振動會減小。另外由于壓縮機本體的振動較大，使壓縮機汽液分離器處的振動也比較大，所以傳遞給回氣管的振動也相應(yīng)較大，決定了回氣管的設(shè)計必須加U型設(shè)計才能夠緩沖振動。壓縮機排氣管的設(shè)計也是U型設(shè)計，從設(shè)計經(jīng)驗來講，也有利于減小振動。從圖中可以看出排氣管及回氣管的長度比較長，這就為后面的優(yōu)化提供了足夠的空間。

由于空調(diào)配管的復(fù)雜性，仿真分析只能得到一個近似的值。根據(jù)分析經(jīng)驗，這個近似值對于指導(dǎo)配管優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)足夠。分析時配管的參數(shù)如下：

紫銅密度Q= 8.95×103kg/m3；泊松比μ= 0.34

彈性模量E=1.23×1011N/m2；阻尼比ξ= 0.02。

模型導(dǎo)入分析軟件后，用殼單元法劃分網(wǎng)格。在排氣管端、回氣管端、閥冷凝器接管端口處、低壓閥接管端口處施加固定約束。使用疊代法（subspace)進行疊代求解，得到配管的多階固有頻率，如表1。

分析后得到相關(guān)位移分布如圖2、圖3、圖4所示。

從表1可以看出，第11階及第12階配管固有頻率和壓縮機的運行頻率（48.5Hz）較接近，這是配管與壓縮機產(chǎn)生共振的主要原因。從圖2整機位移分布和圖4回氣管綜合位移分布，可以看出回氣管下彎位處的振動位移比較大。圖3排氣管綜合位移分布值最大值也是在下彎位處。

3 配管的優(yōu)化設(shè)計

由上面對原機的分析結(jié)果來看，配管管路的設(shè)計需要優(yōu)化,特別是回氣管和排氣管。通過改變相關(guān)管路的長度，從而改變配管的固有頻率，使其避開壓縮機運行時的頻率，即避開共振區(qū)。首先在UG中給每個零件加屬性、特征點及特征線。加完屬性后進行模型屬性完整性檢查。檢查通過后，進行數(shù)據(jù)參數(shù)的填寫及數(shù)據(jù)的提取。提取到《空調(diào)器配管動力分析及優(yōu)化設(shè)計軟件》中，進行幾何建模及劃分網(wǎng)格。同時進行壓縮機激勵計算。最后進行優(yōu)化設(shè)計仿真分析，分析出配管的動態(tài)位移及諧響應(yīng)情況。分析后針對多種優(yōu)化方案，選擇最優(yōu)的方案來進行制作配管，并進行試驗驗證。優(yōu)化后的配管裝配體如圖5所示：

仿真分析的結(jié)果如表2以及圖6、圖7、圖8所示。

從上面表2優(yōu)化后配管系固有頻率列表來看，配管系的固有頻率現(xiàn)在已和壓縮機的運行頻率（48.5Hz）遠(yuǎn)離，也就是說遠(yuǎn)離共振區(qū)。另外從圖6、圖7、圖8各部分的綜合位移值來看，配管位移也明顯減小。從這幾個數(shù)據(jù)綜合來分析研究，遠(yuǎn)離48.5Hz共振區(qū)并且排氣管及回氣管位移相對較小的方案，符合優(yōu)化設(shè)計要求。

表1 原配管系固有頻率列表

表2 優(yōu)化后配管系固有頻率列表

表3 原機管路及優(yōu)化機管路振動測試結(jié)果

4 配管振動位移測試驗證

試驗時樣機是在半消聲室應(yīng)用丹麥的B&K振動測試系統(tǒng)進行測試。測試結(jié)果如表3所示。通過對原室外機及優(yōu)化后的室外機的管路系統(tǒng)振動進行測試，證明此優(yōu)化設(shè)計是可行的。

由表3中的數(shù)據(jù)可以得知，在優(yōu)化設(shè)計中改變相關(guān)管路的長度后，管路的固有頻率變化了，和壓縮機本身的運行頻率遠(yuǎn)離了，這樣就避免了管路和壓縮機運行時產(chǎn)生共振。而振動位移值也符合要求，達到優(yōu)化的目的，同時降低了配管的成本。

5 結(jié)論

從上面的室外機配管仿真分析及試驗驗證，我們可以看出當(dāng)管路的固有頻率接近壓縮機的運行頻率(48.5)時,就會產(chǎn)生共振。通過改變管路的狀態(tài)：包括布管空間方式、管路的長度、增加阻尼等來改變配管的固有頻率，使管路的固有頻率在48.5±8Hz范圍外，同時減小振動位移值。這樣就消除了機械共振，降低了振動位移值，同時也滿足了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為空調(diào)器室外機的可靠運行及降低運行噪音奠定了基礎(chǔ)。

[1]盧劍偉,吳文新等.有限元分析軟件ANSYS在空調(diào)配管設(shè)計中的應(yīng)用研究.機械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（5），515-516.

[2]招偉.基于有限元分析對空調(diào)器配管的優(yōu)化設(shè)計.家電科技，2008年19期，54-56.