空调配管结构振动分析及优化

空调配管结构振动分析及优化

周剑波

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

摘要：空调配管是空调重要的零部件，管路振动是空调故障中的首要破坏因素之一，根据调查可知，压缩机壳体的振动传递及管内工作流质的扰动是引发配管振动的原因，严重时会加速铜管疲劳断裂及空调制冷剂泄漏问题，影响空调的功能和安全，降低空调使用寿命。因此，如何对空调进行配管结构进行分析及优化，以达到减振效果，具有较大的实际意义。

关键词：空调结构；配管振动；固有频率；性能优化

压缩机是空调制冷系统正常工作的关键部件，在空调系统运行过程中，由于受到压缩机的激励和冷媒的脉动冲击，管路不可避免的会产生振动，强烈的共振会使管路产生疲劳损伤，降低空调的使用寿命。因此，空调配管的结构动态特性对空调可靠性有着重要意义。以某款空调配管为研究对象，通过对空调中压缩机配管结构振动分析，以采取有效措施对空调压缩机性能进行优化。

一、配管结构的模态分析与试验

空调管路系统主要包括压缩机、配管，配管与压缩机焊接连接，压缩机通过减震垫圈和螺栓固定于空调底板上。本次测试只针对配管，由于配管单体自由状态与实际装配有差异，增加的约束将导致配管模态发生变化，因此在管路装配在整机上的状态下进行测试。空调配管系统在工作时发生振动，主要受压缩机吸气口和排气口低频气流激励，在管道上产生压力脉动导致管道振动。由于配管结构主要承受压缩机振源的激励，非出口的定频涡旋压缩机额定转速一般在2900r/min，所以配管结构的固有频率及振型主要关注压缩机激励主频率±10%附近的共振影响频带，即44~53Hz。为了探究压缩机激励是否与配管系统发生共振，采用有限元方法对配管系统进行模态分析。根据模态分析结果，共振带内共有5阶固有频率，但振型最大位移非双系统下的吸气管与排气管管型，设计较好的避开了43~53Hz共振带的影响，无运行共振风险。但在试验样机测试阶段，双系统下的吸气管与排气管皆出现明显振动超标问题，为此开展了对应模块机试验整改问题的深入研究。

采用LMSTestLab.12A对涡旋压缩机、吸气管、排气管在制冷和制热工况（高电压、额定电压、低电压）下分别进行了频谱测试和模态锤击测试，相应的频率测试结果如图1 所示：

对涡轮压缩机3个机脚及顶盖3个位置进行了振动测试，涡旋压缩机有转动1倍固有频率47Hz、转动2倍固有频率95Hz、马达1阶力波频率100Hz，转动3倍固有频率141Hz。吸气管在压缩机马达1阶力波频率100Hz，和转动3倍固有频率141Hz出现振动幅值远大于压缩机本体的现象，100Hz和141Hz处有可能存在共振。相应的，排气管在141Hz处有可能存在共振。为了探究压缩机吸气管及排气管振动值超标是否为共振原因导致，开展吸气管及排气管的模态锤击测试，吸气管及排气管的固有频率识别结果如图2 和图 3所示:

吸气管固有频率102Hz与压缩机马达1阶力波频极为接近，吸气管固有频率136Hz与压缩机转动3倍频141Hz较为接近，充分说明了吸气管振动超标问题是100Hz和141Hz处共振问题导致。排气管固有频率是53.5Hz和71Hz，较好的避开了压缩机1倍、2倍、3倍转频的影响，因此排气管在三倍频的幅值放大原因应该是吸气管共振的波及影响。

二、空调压缩机的配管结构振动及性能优化措施

2.1避免配管应力超标，影响空调系统可靠性

空调的配路结构和系统的合理性是影响空调性能的重要因素之一，而空调压缩机开机、运行以及关机，三种状态的作用力都会直接对空调管路系统造成影响。管路系统在空调运行时的应力状态，主要是由管路系统的固频确定，即要避开共振，以确保在空调运行时配管应力在合理的范围内。空调压缩机关机的时候，系统的振动较小。但是在启动时，力矩产生，压缩机振动大，导致了管路系统受力大，容易超出管路系统的标准要求。因此，相关空调设计人员通过对压缩机的单相电机建立模型，分析出电机启动时的力矩，求出空调系统启动时，管路系统的受力，通过分析单自由度系统在冲击载荷作用下，系统响应的特点，给出管路优化的方向，通过改进管路的布局，以达到优化管路的目的。

2.2优化吸气管型的结构，减少共振

在对空调吸气管型结构进行优化时，可在结构上增加配重块或敷阻尼层，或者用管固定块将管路与其他结构连接起来。加配重块相当于增加结构的局部质量，可减小结构的频率，从而避开激励频率，避免共振；敷设阻尼层可衰减结构的振动幅值和能量；加固定块可提高结构的频率，且结构本身不会有大幅度的摆动。根据吸气管原方案的模态锤击试验及模态分析结果，确定吸气管管型更改方案上要避开100Hz和141Hz的共振影响，同时还要防止2倍频96Hz的影响，因此确定了将吸气管固有频率降低10Hz的设计更改方向。根据原方案的模态分析结果，找到与吸气管固有频率136Hz较为接近的吸气管振型129Hz为参照，通过吸气管第2弯的向下延伸，使其达到吸气管固有频率降低至118Hz左右的效果。

2.3预防压缩机管路低压产生，避免空调低压故障

空调压缩机低压故障是空调常见的故障之一，而压缩机低压故障其本质求实就是管路的低压故障，配管的低压产生会造成整个空调压缩机的低压，导致空调的运行效率低下。要预防空调配管的低压产生，必须要熟悉造成管路低压故障的常见原因，例如在制冷剂泄漏导致低压故障，压缩机启动时，整机抖动大，可能造成排气管弯处的应力超标，需要对管路进行优化，提升排气管的刚度；如果是由于制冷管路堵塞导致制冷剂的流动受阻，引发低压，需要及时对配管进行清理。若蒸发器的热交换不彻底，会导致制冷剂在此环节不能完全汽化而引发低压故障；另外空调传感器自身存在问题，有时也会造成空调的低压故障误报。

三、结语

由上可知，空调压缩机配管在设计阶段采用了有限元分析及模态试验相结合的手段，高效解决了压缩机吸排气管路的共振问题，只关注涡旋压缩机1倍转频附近的方法不够严谨，涡旋压缩机的特征频率应该包含1倍转频、2倍转频、马达一阶力波频率、3倍转频。对于管路振动问题整改，应重点关注压缩机吸排气管口与吸排气管的振动幅值放大比例关系，良好识别共振现象。模态试验找出了引起配管额定工况时振动过大的压缩机固有频率，模态分析为结构改进提供了良好参照。

参考文献：

[1]现代空调压缩机的改进方法的研究.邱锡荣.建筑设计及理论,2018(12)

[2]空调系统中压缩机的可靠性试验.方之灵.建筑技术科学,2019(07)

[3]浅谈空调压缩机及控制系统常见故障检修.钟熠强.文化科学,2019(11)