空调器配管系统优化设计

吴广平 刘传剑 梁健巧

（广东美的制冷设备有限公司 广东顺德 528311）

引言

随着人们生活水平的提高，对于空调的舒适性及可靠性的要求也越来越高。空调结构的可靠性和性能一样，受到广大用户的重视。这就给我们设计和生产空调的企业，带来了挑战及机遇。而其中配管的设计,对于空调性能、结构可靠性、噪音等都有着深远的影响。

空调室外机的配管设计，遵循着这样一个原则：既要易于制作，又要振动达到相关要求，从而避免实际运输和使用时疲劳断管现象。

通常传统的设计是在设计后做试验，测试出排气管、回气管等处的振动，从而得到振动是否满足要求的结论。这种方法需要大量的设计和试验来验证，并且还要进行结构可靠性的试验及长期运行试验，来验证在用户实际使用中是否会出现管裂，以及由配管振动引起的噪音问题。

由于有限元配管振动分析系统[1]的引入，使这个问题得到了简化。通过对配管多阶固有频率的分析及周期性变化载荷分析，以避开共振区，并选择最小的振动位移值。最后试验验证相关配管的振动。

1 空调配管振动原因分析

空调配管机械振动的主要原因，在于压缩机本体由于内部结构本身的特性，使得压缩机动平衡不是很理想而产生振动；管内气流脉动在管道转弯、管径变化及有阀门时产生变化载荷，从而产生激振力,导致管道产生机械振动。

当周期激励的频率和设计管道的固有频率相近时，管道就会产生共振。

室外机中与压缩机相连接的排气管处于气体通路的最前端，压力是最大的。因为是脉动压力，所以通常此处的振动也较大。另回气管处虽压力较小，但此处和压缩机的储液罐连接，储液罐通常随压缩机的机械振动而振动，另加上气动的冲击，所以振动的振幅也是比较大的[2]。

所以本文就室外机中相关管路的振动进行分析，特别是排气管和回气管处的振动，得到最优方案后，再进行实验验证。

2 原机配管设计仿真

通过三维设计软件UG在钣金结构框架下，设计配管及其零部件，形成总装配体。通过在UG中的相关CAE软件插件，首先对三维模型相关管路、管路附件、阀件、压缩机等赋予相关属性及参数，并将我们要分析的模型的数据提取出来。在有限元分析软件中，将模型数据要转化为CAE分析数据。最后进行整机的模态分析、谐响应分析的计算。

如图1所示，原配管装配体中为了减小振动，配管设计时，采用U型设计。压缩机回气管的设计采用了大U型设计，并且围绕在压缩机周围。这样设计的好处是当压缩机运行时，回气管的振动会减小。另外由于压缩机本体的振动较大，使压缩机汽液分离器处的振动也比较大，所以传递给回气管的振动也相应较大，决定了回气管的设计必须加U型设计才能够缓冲振动。压缩机排气管的设计也是U型设计，从设计经验来讲，也有利于减小振动。从图中可以看出排气管及回气管的长度比较长，这就为后面的优化提供了足够的空间。

由于空调配管的复杂性，仿真分析只能得到一个近似的值。根据分析经验，这个近似值对于指导配管优化设计已经足够。分析时配管的参数如下：

紫铜密度Q= 8.95×103kg/m3；泊松比μ= 0.34

弹性模量E=1.23×1011N/m2；阻尼比ξ= 0.02。

模型导入分析软件后，用壳单元法划分网格。在排气管端、回气管端、阀冷凝器接管端口处、低压阀接管端口处施加固定约束。使用叠代法（subspace)进行叠代求解，得到配管的多阶固有频率，如表1。

分析后得到相关位移分布如图2、图3、图4所示。

从表1可以看出，第11阶及第12阶配管固有频率和压缩机的运行频率（48.5Hz）较接近，这是配管与压缩机产生共振的主要原因。从图2整机位移分布和图4回气管综合位移分布，可以看出回气管下弯位处的振动位移比较大。图3排气管综合位移分布值最大值也是在下弯位处。

3 配管的优化设计

由上面对原机的分析结果来看，配管管路的设计需要优化,特别是回气管和排气管。通过改变相关管路的长度，从而改变配管的固有频率，使其避开压缩机运行时的频率，即避开共振区。首先在UG中给每个零件加属性、特征点及特征线。加完属性后进行模型属性完整性检查。检查通过后，进行数据参数的填写及数据的提取。提取到《空调器配管动力分析及优化设计软件》中，进行几何建模及划分网格。同时进行压缩机激励计算。最后进行优化设计仿真分析，分析出配管的动态位移及谐响应情况。分析后针对多种优化方案，选择最优的方案来进行制作配管，并进行试验验证。优化后的配管装配体如图5所示：

仿真分析的结果如表2以及图6、图7、图8所示。

从上面表2优化后配管系固有频率列表来看，配管系的固有频率现在已和压缩机的运行频率（48.5Hz）远离，也就是说远离共振区。另外从图6、图7、图8各部分的综合位移值来看，配管位移也明显减小。从这几个数据综合来分析研究，远离48.5Hz共振区并且排气管及回气管位移相对较小的方案，符合优化设计要求。

表1 原配管系固有频率列表

表2 优化后配管系固有频率列表

表3 原机管路及优化机管路振动测试结果

4 配管振动位移测试验证

试验时样机是在半消声室应用丹麦的B&K振动测试系统进行测试。测试结果如表3所示。通过对原室外机及优化后的室外机的管路系统振动进行测试，证明此优化设计是可行的。

由表3中的数据可以得知，在优化设计中改变相关管路的长度后，管路的固有频率变化了，和压缩机本身的运行频率远离了，这样就避免了管路和压缩机运行时产生共振。而振动位移值也符合要求，达到优化的目的，同时降低了配管的成本。

5 结论

从上面的室外机配管仿真分析及试验验证，我们可以看出当管路的固有频率接近压缩机的运行频率(48.5)时,就会产生共振。通过改变管路的状态：包括布管空间方式、管路的长度、增加阻尼等来改变配管的固有频率，使管路的固有频率在48.5±8Hz范围外，同时减小振动位移值。这样就消除了机械共振，降低了振动位移值，同时也满足了企业标准，为空调器室外机的可靠运行及降低运行噪音奠定了基础。

[1]卢剑伟,吴文新等.有限元分析软件ANSYS在空调配管设计中的应用研究.机械科学与技术，2004，23（5），515-516.

[2]招伟.基于有限元分析对空调器配管的优化设计.家电科技，2008年19期，54-56.