分體空調(diào)器室外機(jī)鈑金件動態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧劍偉 李曉陽 祖玉建

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 安徽合肥 230009)

分體空調(diào)器室外機(jī)鈑金件動態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧劍偉 李曉陽 祖玉建

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 安徽合肥 230009)

本文針對某分體空調(diào)室外機(jī)低頻異響問題，通過現(xiàn)代聲振測試手段確定了鈑金件與異響之間存在的關(guān)聯(lián)，重點(diǎn)以鈑金件為研究對象，通過對鈑金件模態(tài)屬性的測試，結(jié)合有限元分析，掌握了鈑金件的動態(tài)特性，明確了其存在的問題缺陷，在不增加鈑金件成本的前提下通過鈑金件的局部結(jié)構(gòu)修改對其模態(tài)屬性等動態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，修改后樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明本文采取的結(jié)構(gòu)修改措施可以顯著改善鈑金件聲輻射性能，消除室外機(jī)低頻異響。

空調(diào)器；鈑金件；模態(tài)屬性；異響

1 引言

當(dāng)前空調(diào)器行業(yè)競爭非常激烈，為消費(fèi)者提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品成為當(dāng)前空調(diào)器制造企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。其中，空調(diào)器的振動噪音指標(biāo)越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注，并成為影響消費(fèi)者選購產(chǎn)品的重要參考技術(shù)指標(biāo)之一。如何在降低材料成本的同時(shí)，保持產(chǎn)品良好的聲音品質(zhì)，成為了各空調(diào)器制造企業(yè)必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

分體空調(diào)器室外機(jī)鈑金件主要包含室外機(jī)底盤、頂蓋、圍板、中隔板以及電機(jī)支架等部件，其不僅對內(nèi)部的壓縮機(jī)、冷凝器和配管有保護(hù)作用，而且對壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等噪聲源有隔聲作用。但是如果鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會在壓縮機(jī)等運(yùn)動部件的激勵(lì)下產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動并引發(fā)異常噪聲，因此鈑金件的動態(tài)特性分析與設(shè)計(jì)是關(guān)系室外機(jī)振動噪音水平的一項(xiàng)重要技術(shù)開發(fā)工作內(nèi)容。

圖1 樣機(jī)模態(tài)測試示意圖

圖2 各鈑金幅頻特性及其相頻特性

國內(nèi)某知名空調(diào)企業(yè)新研發(fā)的某機(jī)型在產(chǎn)品測試中發(fā)現(xiàn)存在低頻“嗡嗡”異響，當(dāng)拆除圍板及頂蓋后，“嗡嗡”異響明顯減弱。經(jīng)過聲振測試分析發(fā)現(xiàn)室外機(jī)低頻異響的主要成因是鈑金件在壓縮機(jī)等運(yùn)動部件激勵(lì)下出現(xiàn)了拍振，并且確定了出現(xiàn)拍振的頻率區(qū)間為[95.4Hz,100Hz]和[143.1Hz,147.7Hz]。為了消除異響，確保產(chǎn)品如期上市，對該機(jī)型的鈑金件動態(tài)特性進(jìn)行了測試分析，并特別關(guān)注了上述拍振頻率區(qū)間內(nèi)的模態(tài)配置，通過鈑金件結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步完善了其模態(tài)屬性，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中提出的結(jié)構(gòu)修改措施達(dá)到了降低鈑金件振動、消除室外機(jī)低頻異響的目標(biāo)。

2 鈑金件模態(tài)測試分析

應(yīng)用錘擊法對空調(diào)室外機(jī)鈑金件進(jìn)行模態(tài)測試，實(shí)驗(yàn)測試示意圖如圖1所示。測試儀器采用東華測試儀器公司的通用型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)DH5922N，振動傳感器選用型號DH132高性能壓電式加速度傳感器，力錘型號為LC13F02（含力傳感器）。其中力錘上的力傳感器接動態(tài)信號采集分析儀的第一通道，振動傳感器接第二通道。設(shè)置合適的傳感器靈敏度及量程范圍，選取合適的敲擊點(diǎn)和拾取點(diǎn)，依次敲擊測試各鈑金，分別對測得結(jié)果進(jìn)行頻響分析，取多次平均，得到各鈑金在拍振頻率區(qū)間附近的模態(tài)頻率，如表1所示。圖2是其中一組鈑金模態(tài)測試數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，該機(jī)型右側(cè)鈑金在壓縮機(jī)二倍頻附近存在頻率為98.6Hz的模態(tài)，很容易在壓縮機(jī)的諧頻激勵(lì)下產(chǎn)生較強(qiáng)的振動響應(yīng)，存在與壓縮機(jī)發(fā)生“拍振”或共振的可能，故需對其模態(tài)屬性進(jìn)行修改。因此，通過有限元分析，對鈑金件的結(jié)構(gòu)修改方案進(jìn)行探討，以修改其模態(tài)屬性配置為目標(biāo)，改善其在拍振頻率區(qū)間內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)。

3 基于有限元的鈑金件動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)修改

空調(diào)器室外機(jī)部件比較多，因此在應(yīng)用有限元分析技術(shù)對鈑金件進(jìn)行仿真分析時(shí)，只考慮對整機(jī)模態(tài)影響較大的部件進(jìn)行分析。忽略電控盒、接線柱等部件，對冷凝器、壓縮機(jī)、電機(jī)等剛性比較大的部件，則主要保留其質(zhì)量慣性特征，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，鈑金件材料為DX52D鍍鋅鋼板。利用UG NX鏈接面技術(shù)，將鈑金部件轉(zhuǎn)換為IGES格式文件，依次導(dǎo)入ANSYS分析軟件，并進(jìn)行必要的修復(fù)操作，確保所建的有限元模型能夠反映樣機(jī)的模態(tài)特征，得到的有限元分析模型如圖3所示。其中，采用了耦合節(jié)點(diǎn)自由度的方式來模擬鈑金部件之間的螺釘連接約束。頂蓋鈑金比較特殊，其四個(gè)頂角圓弧過渡部位的約束作用不容忽視，否則導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。這里在每個(gè)圓弧處挑選兩條棱線分別與對應(yīng)的棱線進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自由度耦合約束，僅約束其X,Y向自由度，保留Z向自由度。

基于上述分析模型，求取其前45階模態(tài)，并列出拍振頻率區(qū)間附件相關(guān)的模態(tài)頻率，結(jié)果如表2所示，圖4所示為該機(jī)型的17～22階模態(tài)振型。

對比表1和表2，各鈑金模態(tài)頻率誤差很小，說明有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試模態(tài)結(jié)果比較吻合，故可以以此有限元分析模型為基礎(chǔ)，對鈑金件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施進(jìn)行探討。分析17～22階振型發(fā)現(xiàn)，19階94.7Hz由右側(cè)板及前面板主導(dǎo)，21階102.9Hz由頂蓋主導(dǎo)，且頻率均位于壓縮機(jī)2倍頻頻率區(qū)間，容易形成共振，需要重點(diǎn)修改；而18階、22階均由進(jìn)風(fēng)柵格主導(dǎo)，聲輻射效率較低，故不作為修改重點(diǎn)；17階和20階均由導(dǎo)風(fēng)圈主導(dǎo)，因?qū)эL(fēng)圈的修改涉及風(fēng)機(jī)風(fēng)道匹配等問題，也不宜作為修改重點(diǎn)。

根據(jù)以往鈑金件設(shè)計(jì)和分析的經(jīng)驗(yàn)來看，增加鈑金厚度能夠顯著提升鈑金的模態(tài)頻率，降低模態(tài)密度。但是這樣會增加產(chǎn)品材料成本，最終確定在不增加鈑金厚度的前提下，著重修改右側(cè)板和頂蓋鈑金的結(jié)構(gòu)。其具體修改方法為：

表1 鈑金件模態(tài)試驗(yàn)測試結(jié)果

表2 鈑金件模態(tài)仿真分析結(jié)果

表3 鈑金原狀態(tài)與修改后模態(tài)頻率對比

圖3 整機(jī)鈑金有限元仿真模型

圖4 鈑金原狀態(tài)17～22階模態(tài)振型圖

（1）觀察該機(jī)型外觀，發(fā)現(xiàn)右側(cè)板中間部位存在大面積平面鈑金，嘗試在該處增加橢圓形和方形凹槽等加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

（2）分析頂蓋主導(dǎo)的振型圖可知，當(dāng)前三個(gè)長條狀的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)容易激發(fā)頂蓋前后兩側(cè)的彎曲振動，嘗試將三個(gè)打斷成六個(gè)相對稍短的條狀結(jié)構(gòu)。

修改后的右側(cè)板和頂蓋形式如圖5所示。

對修改后的鈑金件進(jìn)行分析，列出16～21階模態(tài)振型，如圖6所示，并將鈑金件修改前后的頻率進(jìn)行對比如表3所示。

對比分析圖5和圖6模態(tài)振型，可知鈑金件修改后，原方案中由頂蓋和右側(cè)板主導(dǎo)的模態(tài)頻率較好地避開了拍振頻率區(qū)間，同時(shí)上述修改方案使其他鈑金件的模態(tài)屬性配置也較為理想。

按照上述鈑金件修改方案，對樣機(jī)進(jìn)行了改裝測試，發(fā)現(xiàn)低頻異響得到明顯改善，驗(yàn)證了鈑金件修改措施的有效性。

4 結(jié)論

通過對該款分體空調(diào)器新機(jī)型整機(jī)鈑金件進(jìn)行模態(tài)測試分析及修改，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過對鈑金件結(jié)構(gòu)的合理修改，可以部分抵消鈑金件減薄帶來的模態(tài)密度增加等問題，從而在鈑金件減薄的情況下獲得更佳的動態(tài)性能；

（2）空調(diào)器室外機(jī)鈑金件的動態(tài)特性對整機(jī)噪音指標(biāo)影響較大，特別是大面積鈑金件對室外機(jī)聲音品質(zhì)貢獻(xiàn)較大，因此是室外機(jī)鈑金件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一；

（3）在掌握鈑金件模態(tài)屬性變化規(guī)律的前提下，可以通過鈑金件局部結(jié)構(gòu)的修改，改善其動態(tài)響應(yīng)特性，從而在不增加成本的前提下改善其振動噪音。

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Dynamic properties analysis and optimization of sheet metal of outdoor unit of split type air conditioner

LU Jianwei LI Xiaoyang ZU Yujian
（School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology Anhui 230009）

The mechanism of low frequency abnormal noise of the outdoor unit of a certain split type air conditioner was analyzed, and it was found that the sheet metal of the out door unit made great contribution to the abnormal noise based on acoustic and vibration of the machine. Therefore, improvement on this problem focused on dynamic properties analysis and its optimization of the sheet metal by modal testing and FEM analysis, the dynamic properties of the sheet metal were obtained, and its defects were determined. Local structural modification of the sheet metal was discussed, to improve its dynamic properties without increasing the cost. And in the end, the modified prototype experiment verified that the updated structure could significantly improve acoustic radiation properties of sheet-metal and eliminate the low frequency abnormal noise of the outdoor unit.

Air conditioner; Sheet-metal; Modal properties; Abnormal noise

圖5 右側(cè)板和頂蓋修改前后對比

圖6 鈑金件修改后16～21階模態(tài)振型圖