空调管路系统的振动分析

　　引　言

　　空调的振动和噪声指标已成为产品市场竞争力的重要因素之一[1]。经研究发现,空调器的振动主要来源于压缩机,而管路系统是传播压缩机振动的主要途径[2]。笔者以某空调管路为例,应用振动理论对其进行模态分析,并以模态分析的结果为依据,分别研究管路厚度及阻尼配重对管路模态的影响,提出了管路结构设计的建议。

　　1　空调管路有限元模型

　　空调压缩机的管路中,排气管承受压力最大,回气管振幅最大。因此,压缩机排气管路设计以降低应力为主,回气管以降低应力和振幅、减少扭力矩为主。根据相关的设计要求,压缩机排气口和回气口的管路都有一段长度大于等于20 cm的直管,以改善此处的受力状况。同时,为了降低管路的振动,通常设计成U形管,并且让U形管布置在离压缩机最近之处。压缩机排出的高压气体的冲击使排气管产生振动,但振动不大,一般使用1个U形管来减振。压缩机回气管受气流的冲击较小,但压缩机本身的汽液分离器的振动较大,所以回气管至少设计1个U形管来减振。在确定了压缩机排气管、回气管之后,其他管路工作时的振动不大,故一般设计成省材料、低成本的连接方式。最后根据相关设计要求,确定管路与其他零部件的间距。

　　鉴于研究目的为管路的固有振型问题,对实际分析模型进行简化。所建有限元模型如图1所示,其边界条件的施加说明如下:

　　1)将管路加以简化,删除不影响分析结果的几何特征及四通阀上的次要特征——电磁阀安装凸台,建立管路有限元模型;

　　2)四通阀组件中的排气管、回气管、冷凝器连接管采用2D映射网格对管路进行划分。对于四通阀,则采用2D网格划分。四通阀组件定义的材料为铜,其参数如下:弹性模量为1.23×1011Pa,泊松比为0.34,密度为8.94×103kg/m³。管路用中位面来代替,为其定义物理属性;

　　3)修复小面引起的网格不连续;

　　4)因为排气管和回气管与压缩机相连,所以在这两根管与压缩机连接的端部圆心处施加强迫运动约束,低压管和冷凝器连接管端部施加固定约束。

　　2　空调管路模态分析

　　2.1　管路振动结构模态分析理论

　　模态计算分析即求出管路各阶固有频率及相应振型,而其各阶固有频率及相应振型是在略去外作用力和阻尼的情况下,通过求解结构自由振动方程的广义特征值而得到[3-5]。

　　该管路结构的振动微分方程为

　　其中:M为系统的质量矩阵;K为系统的刚度矩阵。

　　系统的特征方程为

　　对于M和K是正定的系统,上式必能解出P2i的n个大于零的实根,这些根为广义特征值,开方即是各阶固有频率。