基于諧響應分析某空調配管設計

郭金露 馬海林

（1.杭州九陽小家電有限公司 杭州 310018； 2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

空調管路不僅事關空調可靠性，還會影響空調的噪音品質[1]。管路設計是空調研發(fā)過程的一個關鍵環(huán)節(jié)，因為管路設計不合理造成斷管、異響、冷媒泄露、生產(chǎn)停線等事情時有發(fā)生，不僅影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率，也無法對產(chǎn)品的售后質量提供可靠的保障。

當前絕大多數(shù)廠商管路設計的方式是：“管路設計→裝機測試→方案整改→裝機再測試”，需反復多次才能達到預期指標，并且當機子需要優(yōu)化整改時，也常常因為缺乏方向性指導而存在較大的盲目性[2]。

為了提高管路的設計效率，部分工程師展開了管路的仿真分析研究，但是多集中在管路的模態(tài)分析，從避開共振頻率入手[3]，但是管路設計是否符合要求，最終是依據(jù)管路應力應變測試來判定，對管路應力進行計算可以得到更直觀判斷。圖1是管路傳統(tǒng)設計方法和基于仿真的設計方法對比，后者進行有效次數(shù)的裝機測試就可以完成管路設計。

圖1 管路傳統(tǒng)設計方法和基于仿真設計方法對比

由于壓縮機振動具有周期性，因此空調配管可以進行諧響應分析，對管路不同頻率下的應力應變進行模擬分析。相比于模態(tài)分析，諧響應分析結果可與應力測試進行直接對比，可以直接判斷管路的優(yōu)劣。

某機型空調設計了多套管路，應力測試不合格，為了減少裝機測試次數(shù)，節(jié)約實驗資源和提高效率，展開管路的諧響應分析研究，探索一套行之有效的管路高效設計方法。

1 基于諧響應分析的管路設計流程

基于諧響應分析的管路設計流程如下：①測試壓縮機的振動數(shù)據(jù)，作為后面管路應力仿真的輸入載荷；②根據(jù)管路設計的工藝要求、壓縮機的振動特點、產(chǎn)品的空間結構，結合管路設計的一些經(jīng)驗，設計不同方案的管路；③對不同的管路方案進行仿真分析及優(yōu)化；④選擇較優(yōu)方案進行裝機測試。如圖2所示。

圖2 基于仿真的管路設計流程

2 實驗測試及分析

采集吸排氣管口振動的振動數(shù)據(jù)，其目的是為后面做諧響應時計算輸入載荷，確定吸排氣管口的出口方向，同時也可以判斷壓縮機是否存在異常。測試時布點位置如圖3，為保證振動方向與圖中標示一致，測試時探頭最好能夠與壓縮機切線垂直，且注意記錄激勵頻率。將振動探頭布置在圖3所示的A、B兩點，測試該兩點的振動位移，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 管口振動測試測試數(shù)據(jù)

圖3 管口振動測試布點位置

3 管路三維設計

3.1 管路設計注意事項

1）管路的設計管尺寸和管路內部的直管長度至少要比管路設計規(guī)范的要求的管端直管尺寸和夾模尺寸長（3～5）mm，因為不同的模具和機床存在差異。

2）焊點的選擇要注意，要事先評估是否能夠焊接，無法確定時最好進行實際焊接驗證。

3.2 管路設計基本原則

1）管路應盡量靠近壓縮機布置，這樣可以減小管路的力臂，在壓縮機振動時可以減小管路的慣性載荷，從而減小管路應力。

2）吸排氣管口的第一彎應力通常較大，直線段和折彎半徑盡可能大一些，彎位彎曲角度應大于90 °，在空間允許條件下，吸排氣管的直角折彎可以采用由兩個互余角度設計，以減小冷媒壓力脈動形成的沖擊。

3）第一段應力較大時，可以考慮使用管徑較大的管，但是管長盡量縮短，以免振動傳遞到管路遠端，也可以考慮使用V彎或者Z型管解決第一彎應力大問題。

4）吸氣管遠離旋轉中心擺幅較大，排氣管靠近旋轉中心擺幅小，所以吸氣管至少要設置一個以上U彎減振，排氣管一般設置一個就可以了，如果排氣管口不在缸體中心，擺幅會變大，這個時候就要考慮是否要增加U彎。在俯視的時候，吸氣管至少要有幾個彎位置，切向振動比較厲害，在垂直于切線方向至少要有兩個彎位置。

5）吸排氣管的出管方向盡量靠近位移合成方向，這樣可以在管路最大振動的方向上進行應力衰減。

3.3 三維設計

原機管路如圖4所示，表2為原機管路應力測試數(shù)據(jù)，從測試數(shù)據(jù)可以看出較大的點主要集中在吸氣管上，最大應力出現(xiàn)在蒸發(fā)器出管內軸，應力為90 με，不符合企標≤80 με的要求，另外吸氣管1彎、吸氣管3彎應力也偏大，需要優(yōu)化整改。排氣管除了排2應力稍大外，其余各點應力較小。

圖4 原機管路

對原機管路進行優(yōu)化，考慮吸氣管前幾個彎應力偏大，可以采用大V彎對應力進行分散；吸氣管跨度過小，管路過于集中，需要增加管路長度進行應力分散；同時加長管路優(yōu)化排氣管彎2應力。圖5是根據(jù)以上思路優(yōu)化的方案，其中優(yōu)化方案1和方案2排氣管一樣，方案1比方案2吸氣管上多一個U彎。

圖5 優(yōu)化方案

4 仿真分析

對原機方案和優(yōu)化方案進行對比分析，采用諧響應分析模塊進行，諧響應分析需要輸入壓縮機激勵，壓縮機的振動載荷非常復雜，但是可通過測量吸排氣管口的振動，將激勵簡化為扭矩和徑向力進行近似計算[4]，此方法已經(jīng)得到了多次驗證。

扭矩的計算公式如下：

式中：

I—壓縮機的轉動慣量；

θ—壓縮機轉動角加速度。

徑向力的計算公式如下：

式中：

m—壓縮機的質量；

a—壓縮機徑向加速度。

根據(jù)表1的管口振動數(shù)據(jù)并結合壓縮機的轉動慣量計算出壓縮機的扭矩和徑向力，并將其施加到壓縮機缸體上（如圖6所示）。

圖6 扭矩及徑向力施加載荷

圖7為原機方案應力云圖，從圖7可以看出，應力較大的地方主要集中在吸氣管上，吸1彎、吸2彎、吸3彎、吸4彎和蒸發(fā)器出管應力較大，與表2的原機管路應力分布趨勢基本一致。圖8、圖9為優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2的應力云圖，從圖中可以看出優(yōu)化后的方案應力有了較大幅度的降低，最大應力由19.4 MPa分別下降到3.8 MPa和2.5 MPa，考慮到原機最大應力為90 με（原機管路應力測試數(shù)據(jù)見表2），離企標≤80 με相差不遠，從仿真可以判定兩個方案都滿足要求。

表2 原機管路應力測試數(shù)據(jù)

圖7 原機方案應力云圖

圖8 優(yōu)化方案1應力云圖

圖9 優(yōu)化方案2應力云圖

5 測試驗證

仿真優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2應力相差不多，但是優(yōu)化方案2吸氣管較短，可以節(jié)約成本，所以選擇優(yōu)化方案2進行裝機測試。

表3為優(yōu)化方案2管路應力的測試數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可以看出，吸氣管管路應力從80 με下降到53 με，排氣管最大應力從50 με下降到42 με，整套管路所有測點應力均小于80 με，符合企業(yè)關于管路應力應變標準。從管路最大應力角度分析，仿真趨勢與實測較為一致。另外看到具體的應力分布，圖9顯示管路最大應力在排氣管上，實際測試應力最大出現(xiàn)在吸氣管上，因此在應力的具體分布上，仿真還存在一定誤差。最后看到具體的應力值，仿真顯示應力會大幅下降，但是實測應力值下降幅度沒有仿真的大。造成以上結果的主要原因主要有兩個，一個是仿真建模與實際之間的區(qū)別，包括管路加工過程中的變形，以及模型簡化兩方面。另外一個重要的原因就是輸入載荷與實際載荷不一致，直接添加徑向力和扭矩過于簡單，仿真誤差大。雖然在應力分布和具體數(shù)值方面存在較大誤差，但是可以滿足不同方案優(yōu)劣判斷的需求，可以高效的對優(yōu)化方案進行初步篩選。

表3 優(yōu)化方案1管路應力測試數(shù)據(jù)

6 結論

針對某機型管路多次整改不合格，結合測試數(shù)據(jù)和管路設計基本原則設計優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2，并采用諧響應分析對原機方案和優(yōu)化方案管路應力進行模擬，并挑選優(yōu)化方案2進行裝機測試，結果表明：

1）方案2管路最大應力小于企標80 με，管路應力測試合格。

2）基于諧響應的仿真結果與實測趨勢基本一致，該模擬方法能夠對預測管路的應力進行初步預測，可以運用于管路的設計開發(fā)中，提高管路的設計效率。