空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

莊京忠

摘 要： 空調(diào)風(fēng)機(jī)支架的主要作用是支撐并緊固電機(jī)和風(fēng)葉，其結(jié)構(gòu)可靠性決定了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。風(fēng)機(jī)支架在風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)激勵(lì)作用下不可避免的會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)其固有振動(dòng)頻率等于電機(jī)或風(fēng)葉周期性作用力的頻率的整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，影響空調(diào)產(chǎn)品的可靠性及舒適性。本文以某空調(diào)風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)為例，分析并測(cè)試其動(dòng)態(tài)特性，獲得風(fēng)機(jī)支架模型在工作過程中實(shí)際邊界條件下振動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，在振動(dòng)測(cè)試和固有頻率測(cè)試的基礎(chǔ)上分析出風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)異常的原因并提出合理的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞： 空調(diào);風(fēng)機(jī)支架;振動(dòng);固有頻率;模態(tài)分析

【中圖分類號(hào)】TF307 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）09-0163-01

1 空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

空調(diào)室外機(jī)的振動(dòng)源主要來自于壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)橐环矫嫠鼈冏陨砉ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并通過一定的途徑向其他零部件傳遞出去;另一方面，壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)激勵(lì)其它零部件（主要管路件、風(fēng)機(jī)支架、外殼）產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)等，這些零部件接受激勵(lì)后還會(huì)向外輻射噪聲。通過分析可以得到風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)的產(chǎn)生主要來源于電機(jī)與風(fēng)葉的激發(fā)作用，而風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)也會(huì)激發(fā)外機(jī)殼體的振動(dòng)，從而導(dǎo)致整機(jī)的振動(dòng)。

研究發(fā)現(xiàn)，由于外機(jī)殼體等薄壁零件固有頻率較低，很容易受到壓縮機(jī)、電機(jī)與風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)激發(fā)而產(chǎn)生大幅振動(dòng)。另外，外機(jī)殼體等薄壁零件又具有大的聲輻射面積，在振動(dòng)激勵(lì)下容易產(chǎn)生輻射噪聲，因此壓縮機(jī)、電機(jī)與風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)是空調(diào)外機(jī)的可靠性差及產(chǎn)生噪聲是主要因素，可以看出，風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)的產(chǎn)生主要來源于電機(jī)與風(fēng)葉的激發(fā)作用，而風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)也會(huì)激發(fā)外機(jī)殼體的振動(dòng)，從而導(dǎo)致整機(jī)的振動(dòng)。

2 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)介紹

本次振動(dòng)測(cè)試及固有頻率測(cè)試使用到的主要儀器，本次振動(dòng)測(cè)試及固有頻率測(cè)試均在半消音室中完成，環(huán)境工況室外側(cè)溫度為20℃。

為準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)機(jī)支架對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響，振動(dòng)測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)不運(yùn)行，僅單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，通過多通道應(yīng)變采集儀和加速度傳感器完成振動(dòng)測(cè)試。

固有頻率測(cè)試時(shí)在電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行測(cè)試，通過LMS振動(dòng)測(cè)量?jī)x和激振錘完成測(cè)試。

3 振動(dòng)測(cè)試

在空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和載荷復(fù)雜，其動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)（如固有頻率、阻抗、阻尼等）目前尚無非常準(zhǔn)確的振動(dòng)理論公式計(jì)算，因此，工程上通常采用振動(dòng)測(cè)試及固定頻率來獲取動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，通過對(duì)振動(dòng)及固定頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出結(jié)構(gòu)中存在的薄弱問題，然后再對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高整機(jī)結(jié)構(gòu)的抗振能力。

為了準(zhǔn)確評(píng)估整個(gè)空調(diào)風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)的振動(dòng)情況，結(jié)合風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳遞路徑分析，將加速度傳感器布置在整機(jī)殼體（頂蓋、中隔板、前面板、前側(cè)板）及風(fēng)機(jī)支架上，在僅風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下（為準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)機(jī)支架對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響，振動(dòng)測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)不運(yùn)行，故僅單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)）測(cè)試風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)的振動(dòng)加速度。

4 固有頻率測(cè)試

4.1 激勵(lì)方式

一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析最重要的便是要獲取到精確的頻響函數(shù)，只有在此基礎(chǔ)上，獲得的系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)才相對(duì)精確。目前，頻響函數(shù)測(cè)試主要有兩種方法：一種是單點(diǎn)激振，多點(diǎn)測(cè)量，另一種便是多點(diǎn)激振，多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，兩者的區(qū)別主要是激勵(lì)點(diǎn)的數(shù)量和位置，其中單點(diǎn)激振技術(shù)由于其操作方便，是目前在實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域基本都有使用。而頻響函數(shù)測(cè)試可分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)和瞬態(tài)激勵(lì)三類。在本次風(fēng)機(jī)支架的模態(tài)實(shí)驗(yàn)中采用的便是單點(diǎn)激振技術(shù)中的錘擊脈沖瞬態(tài)激勵(lì)方法，具體操作方法為用一帶有力傳感器的激振錘對(duì)風(fēng)機(jī)支架進(jìn)行敲擊，對(duì)風(fēng)機(jī)支架提供一個(gè)脈沖激勵(lì)，通過安裝在風(fēng)機(jī)支架上的加速度傳感器獲取其振動(dòng)響應(yīng)，將力和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)傳送給測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行求解分析，進(jìn)而獲取到風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

本文基于錘擊法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，在風(fēng)機(jī)支架的同一位置進(jìn)行錘擊激勵(lì)，通過測(cè)量激勵(lì)力和加速度傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，完成對(duì)風(fēng)機(jī)支架模態(tài)參數(shù)的獲取。在錘擊模態(tài)測(cè)試中，激勵(lì)點(diǎn)的位置以及響應(yīng)位置的選擇對(duì)評(píng)估整個(gè)風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)有重要影響。通常，激勵(lì)點(diǎn)需要選擇在結(jié)構(gòu)中剛度將強(qiáng)的位置，同時(shí)應(yīng)盡可能的選擇在有限元分析模型的節(jié)點(diǎn)位置，因此，本測(cè)測(cè)試選擇風(fēng)機(jī)支架側(cè)面筋條作為錘擊點(diǎn)。另外響應(yīng)點(diǎn)的位置通常選擇在結(jié)構(gòu)平整無明顯形狀突變的位置，因此本次測(cè)試在風(fēng)機(jī)支架上布置了10個(gè)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)，10個(gè)測(cè)試點(diǎn)左右對(duì)稱分布于電機(jī)的兩側(cè)，加速度傳感器通過帶磁基座吸附在風(fēng)機(jī)支架上，所示為本次測(cè)試的風(fēng)機(jī)支架響應(yīng)點(diǎn)位置。

5 測(cè)試結(jié)果分析

從風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)及固有頻率測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的一階固有頻率為15.2Hz，而振動(dòng)測(cè)試中測(cè)量所得風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)最大值對(duì)應(yīng)頻率為15Hz，兩者基本一致。同時(shí)通過計(jì)算，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)基頻為14.3Hz，也很接近風(fēng)機(jī)支架的固有頻率，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論可知，當(dāng)外界激勵(lì)的頻率和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率相接近時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)就會(huì)被放大，這種現(xiàn)象工程上通常稱為共振。因此，可以判斷風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)異常的主要原因?yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)基頻與風(fēng)機(jī)支架的固有頻率接近，引起風(fēng)機(jī)支架產(chǎn)生共振，風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)被放大。通過振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)也可以看出，風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)速度達(dá)到了47.61mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外圍殼體及其他鈑金件的振動(dòng)速度，這也符合共振的特征。

6 總結(jié)

本文先運(yùn)用動(dòng)態(tài)特征測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)殼體振動(dòng)明顯、有噪音質(zhì)量問題的機(jī)子進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，獲得了機(jī)子各部件的振動(dòng)有效值、最大值及最大值所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，并分析出前側(cè)板的振動(dòng)來源于風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，風(fēng)機(jī)支架振動(dòng)最大值對(duì)應(yīng)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基頻較接近，且風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)遠(yuǎn)高于其他部件，從而判斷可能是共振引起。為了進(jìn)一步證實(shí)為共振引起及給出解決方案，本文再次運(yùn)用動(dòng)態(tài)特征測(cè)試系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)支架的固頻進(jìn)行測(cè)試，獲得了風(fēng)機(jī)支架的各階固頻，并分析出風(fēng)機(jī)支架的一階固頻與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)基頻很接近，從而判斷出風(fēng)機(jī)支架的振動(dòng)為共振引起。為了避開與電機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻產(chǎn)生共振，本文最后對(duì)風(fēng)機(jī)支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其固頻發(fā)生改變，最終成功避開與電機(jī)共振，使噪音問題等到解決。

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