管路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)空調(diào)整機(jī)運(yùn)輸過程中振動(dòng)的影響

王銘坤 熊碩 秦憲

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，空調(diào)器逐漸成為人們改善工作、生活環(huán)境的必需品，而提供工作可靠的產(chǎn)品是空調(diào)器制造企業(yè)的責(zé)任和追求的方向。空調(diào)器配管斷裂失效是影響空調(diào)器工作可靠性的一個(gè)常見問題，由此會(huì)造成制冷劑泄露，影響機(jī)器正常工作，并對(duì)空調(diào)產(chǎn)品的質(zhì)量形象產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

分體空調(diào)制冷管路常見的失效形式有兩種：運(yùn)輸過程中的管路斷裂和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的管路斷裂。而造成運(yùn)輸過程中的管路斷裂的原因有很多種，從設(shè)計(jì)上來講大致可以分為：包裝設(shè)計(jì)不合理和空調(diào)器管路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理兩種。本文主要討論空調(diào)器管路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的管路失效，對(duì)運(yùn)輸過程中管路的受力情況進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及理論分析對(duì)解決方案進(jìn)行總結(jié)。

2 空調(diào)器系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中的受力情況分析及影響因素

2.1 空調(diào)器系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中的受力情況分析

對(duì)大量的售后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)及理論分析發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)管路斷裂的點(diǎn)絕大多數(shù)集中在圖1所示的冷凝器進(jìn)管的根部。原因?yàn)椋簤嚎s機(jī)的底角是不固定的，在運(yùn)輸過程中壓縮機(jī)可以在一定范圍內(nèi)跳動(dòng)和擺動(dòng)，致使運(yùn)輸工具在加速和制動(dòng)過程中壓縮機(jī)存在一定的慣性力，導(dǎo)致配管受到較大的瞬間載荷；而冷凝器中U管的壁厚多數(shù)都是0.25mm的，是整個(gè)管路系統(tǒng)中最薄弱的地方，且壓縮機(jī)相連接管的管路直接與冷凝器進(jìn)管相連，致使應(yīng)力集中在冷凝器進(jìn)管的根部。另一方面，運(yùn)輸工具在行駛過程中需要承受來自路面的沖擊，其中多為20Hz以下的隨機(jī)激勵(lì)，如果配管在前1、2階固有頻率落在20Hz以下，在運(yùn)輸過程中將有發(fā)生共振的可能。 此外，冷凝器進(jìn)管在擺動(dòng)過程中會(huì)帶動(dòng)冷凝器U形管進(jìn)行擺動(dòng)，如果冷凝器邊板與冷凝器U形管的配合（如圖2）間隙不合適，就會(huì)在冷凝器邊板與冷凝器連接處發(fā)生微動(dòng)磨損，進(jìn)而導(dǎo)致冷凝器進(jìn)管根部失效。

2.2 空調(diào)器系統(tǒng)在運(yùn)輸過程中受力的影響因素分析

根據(jù)上面受力分析的結(jié)果，我們得出：要想提高運(yùn)輸過程中的可靠性可以從壓縮機(jī)的腳墊、冷凝器邊板的孔徑、冷凝器進(jìn)管的結(jié)構(gòu)三方面著手來考慮。

表1 同一機(jī)型不同硬度腳墊的對(duì)比

表2 同一機(jī)型不同內(nèi)徑腳墊的對(duì)比

3 運(yùn)輸過程中可靠性的技術(shù)分析與實(shí)驗(yàn)

以下的試驗(yàn)結(jié)果均為在同一個(gè)運(yùn)輸振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，頻率從5Hz 25Hz之間進(jìn)行掃頻振動(dòng)試驗(yàn)測得的，沒有特殊說明時(shí)，運(yùn)輸過程中測試的應(yīng)變值均為圖2中測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的測試結(jié)果。

3.1 壓縮機(jī)腳墊對(duì)運(yùn)輸過程中管路的可靠性的影響

把壓縮機(jī)的底角固定的更加可靠，來減小壓縮機(jī)的跳動(dòng)和擺動(dòng)可以減小壓縮機(jī)慣性力對(duì)配管產(chǎn)生的瞬間載荷。加強(qiáng)壓縮機(jī)的固定方式可以有兩種：加大壓縮機(jī)腳墊的硬度，以減小壓縮機(jī)腳墊的形變，或者減小壓縮機(jī)腳墊與壓縮機(jī)定位螺栓的間隙，來減小壓縮機(jī)腳墊的位移。為了驗(yàn)證上面理論的準(zhǔn)確性，在同一臺(tái)樣機(jī)上把壓縮機(jī)固定在底盤上，僅壓縮機(jī)腳墊不同，采用拉力儀用相同的拉力對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拉力測試（拉力的方向相同，均按照?qǐng)D3的拉力方向），然后測量壓縮機(jī)排氣管管口的位移量，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)腳墊加硬和壓縮機(jī)腳墊內(nèi)徑加大均可以減小壓縮機(jī)的位移（具體的測試的結(jié)果如表1和表2），故前面的理論分析是可行的。把此兩種方案應(yīng)用到整機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下面表1和表2所示。

由表1和表2整機(jī)測試的數(shù)據(jù)可以看出：加大壓縮機(jī)腳墊硬度和減小壓縮機(jī)腳墊與壓縮機(jī)定位螺栓的間隙，均可以有效改善空調(diào)器整機(jī)在運(yùn)輸過程中管路的應(yīng)變問題。

3.2 邊板的開孔尺寸及結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)輸過程中管路的可靠性的影響

在運(yùn)輸過程中由于壓縮機(jī)的慣性力，導(dǎo)致冷凝器進(jìn)管存在擺動(dòng)，冷凝器進(jìn)管又帶動(dòng)冷凝器U形管發(fā)生振動(dòng)，加上冷凝器U形管與冷凝器邊板連接處存在間隙，導(dǎo)致U形管相對(duì)于冷凝器邊板在接觸表面發(fā)生橫向的往復(fù)振動(dòng)，配管磨損不斷加大直至出現(xiàn)裂紋。其中配管的磨損程度主要受到以下因素的影響：載荷（振幅）大小，磨損與載荷大小近似線性關(guān)系；加載循環(huán)次數(shù)。

為了預(yù)防微動(dòng)磨損對(duì)U形管產(chǎn)生的損害，可以把減小U形管與冷凝器邊板的接觸面積及機(jī)會(huì)為最基本的指導(dǎo)思想。在同一臺(tái)空調(diào)器上僅換熱器邊板孔徑不同的情況下的應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)如表3，其中邊板孔徑不同時(shí)，邊板與U形管的配合尺寸的對(duì)比數(shù)據(jù)也如表3所示。兩種邊板采用的不同孔的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由表3的數(shù)據(jù)可以得到：當(dāng)冷凝器邊板使用直通孔時(shí)，U管與邊板之間的間隙變大時(shí)，U型連接管受到的剪切應(yīng)力會(huì)變小。

3.3 冷凝器進(jìn)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)輸過程中管路的可靠性的影響

在運(yùn)輸過程中，壓縮機(jī)在慣性作用下將會(huì)產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，如果冷凝器進(jìn)管的剛性過大，不能為壓縮機(jī)的晃動(dòng)提供足夠的變形裕量，可能會(huì)在配管內(nèi)產(chǎn)生較大的瞬間應(yīng)力，所以降低冷凝器進(jìn)管的剛性，在水平和豎直平面內(nèi)利用“U”形管路等提供配管較大的變形裕量，可以減小運(yùn)輸過程中對(duì)配管的應(yīng)力應(yīng)變。另外，也可以采用其他的方法減小冷凝器進(jìn)管的晃動(dòng)和位移來達(dá)到目的。

3.3.1 降低冷凝器進(jìn)管的剛度即增加冷凝器進(jìn)管的柔性

以一款05K的分體機(jī)為例，此機(jī)型采用2種不同的冷凝器進(jìn)管（如圖5所示L型管和回形針型管）分別采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析（如圖5所示），發(fā)現(xiàn)L形管在與冷凝器邊板的交接處存在較大的應(yīng)力集中點(diǎn)，而回形針結(jié)構(gòu)的冷凝器進(jìn)管受力較小，能夠有效分解壓縮機(jī)的慣性力。兩種管型的冷凝器進(jìn)管應(yīng)用于整機(jī)后的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

3.3.2 減少冷凝器進(jìn)管的懸臂長度來減小冷凝器進(jìn)管的位移

預(yù)防微動(dòng)磨損對(duì)U形管產(chǎn)生的損害，也可以通過減小U形管與冷凝器邊板的相對(duì)振幅來實(shí)現(xiàn)。在同一臺(tái)空調(diào)器上僅冷凝器進(jìn)管的長度不同的情況下的應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)如表5。從表5中的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)冷凝器進(jìn)管的懸臂減短時(shí)，受力力矩就會(huì)減小，冷凝器進(jìn)管的位移也會(huì)相應(yīng)減小，冷凝器進(jìn)管的應(yīng)變就會(huì)變小。

3.3.3 增加冷凝器進(jìn)管固定塊來減小冷凝器進(jìn)管的位移

把冷凝器進(jìn)管和相鄰管路捆綁在一起，把力強(qiáng)行分解到其他結(jié)構(gòu)更加可靠的管路上，強(qiáng)制性的不允許冷凝器進(jìn)管出現(xiàn)位移，也是一種解決方案。同一機(jī)型冷凝器增加管夾前后的對(duì)比數(shù)據(jù)如表6所示。

由表6可見，冷凝器進(jìn)管增加管夾后，冷凝器進(jìn)管的應(yīng)變值也有較大的降低，可以有效解決運(yùn)輸過程中的管路振動(dòng)問題。

4 結(jié)論

(1)加大壓縮機(jī)腳墊的硬度和減小壓縮機(jī)腳墊與壓縮機(jī)固定螺栓的間隙均可以有效保證空調(diào)整機(jī)在運(yùn)輸過程中的可靠性。其中減小壓縮機(jī)腳墊與壓縮機(jī)固定螺栓的間隙可以從減小壓縮機(jī)腳墊的內(nèi)徑和增大壓縮機(jī)固定螺栓內(nèi)徑兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)冷凝器邊板與U形管的配合尺寸加大可以有效改善空調(diào)器整機(jī)在運(yùn)輸過程中的應(yīng)力應(yīng)變。

(3)在水平和豎直平面內(nèi)利用“U”形管路可以增加冷凝器進(jìn)管的柔性，可以較大限度的提高變形裕量，進(jìn)行改善管路在運(yùn)輸過程中的可靠性。

表3 同一空調(diào)器僅換熱器邊板孔徑不同的應(yīng)力對(duì)比

表4 同一機(jī)型不同冷凝器進(jìn)管的對(duì)比

表5 同一空調(diào)器冷凝器進(jìn)管長度不同的應(yīng)力對(duì)比

表6 同一機(jī)型冷凝器增加管夾前后的對(duì)比

(4)通過減小配管與冷凝器連接處直線段的長度，提高其局部剛性，可以在一定程度上減小微動(dòng)磨損對(duì)配管可靠性的損害。

(5)在冷凝器進(jìn)管上增加管固定塊把冷凝器進(jìn)管與其他管路捆綁在一起，也可以減少冷凝器進(jìn)管的位移，達(dá)到提高管路可靠性的目的。

[1]盧劍偉、楊九銘、陳天寧、馮源。分體空調(diào)配管失效分析及改善方法.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)及創(chuàng)新.2004.17(1)：43-45。

[2]盧劍偉?？照{(diào)器配管斷裂失效分析及可靠性改善.機(jī)械設(shè)計(jì).2006.23(5)：33-35。