压缩机排气盘管固频分析与改善设计

[摘要]：排气盘管是连接压缩机机芯与壳体的重要振动传递零部件，管内流动的

是经过气缸压缩后的高压气流，设计合理的排气盘管既可以减少气流压力损失、提升性能，也能减小管道振动传递、避免共振及压缩机噪声。本研究对某厂家生产的一款压缩机进行噪声、振动测试，经过锤击实验证明为排气盘管存在共振，利用ANSYS Workbench软件对其进行模态分析与改善设计，避开了电源工作频率，明显降低了压缩机噪声与振动。

[关键词]：压缩机；排气盘管；固有频率；共振

中图分类号：TH457 文献标志码：B

文章编号：1006-2971（2018）02-0061-04

1 引言

冰箱压缩机运动部件及电机利用弹簧支撑方式密闭于一个封闭壳体空间，其振动与噪声必须借助壳体振动向外辐射，传播途径主要包括2个[1]：（1）压缩机运动部件产生的振动经由支撑弹簧和内排气管传递给壳体，使壳体振动与辐射噪声；（2）压缩机工作时封闭壳体空间中所形成的能量声场（机械噪声、气动噪声等），以声激励的形式激励壳体振动并辐射噪声。

压缩机内排气盘管是连接机芯与壳体排气管的振动传递零部件，管内流动的是经过气缸压缩后的高压气流，在实际工作过程中，由于系统工作状态的周期性变化或受到外界干扰，将不可避免地在管道内产生流量与压力冲击或脉动，激发流体管道的机械振动和噪声[2-3]，严重时甚至会导致管道断裂、泄漏、燃烧和爆炸等严重生产事故[4]。

管道振动主要由以下两方面引起：（1）压缩机运动机构不平衡质量产生的惯性力或基础设计不当引起机组和管道振动，从而造成管道振动而作用到壳体上；（2）吸、排气管道中因气流脉动而引起加于管道的周期性激振力[5]。

引起排气管道振动的激励频率与管道固有频率相同，内排气盘管便发生共振，使得压缩机振动与噪声明显增大，人耳听着便会不舒服。本文分析某厂家实际生产的一款压缩机噪声问题，经过噪声、振动测试数据分析及对排气盘管锤击实验，证明此款压缩机存在排气盘管共振问题，应用ANSYS Workbench软件对其进行模态优化设计，有效改善了此款压缩机噪声与振动。

2 噪声测试与诊断

如图1所示，为某司一型号压缩机排气盘管组件实物图，排气盘管组件由1排气消音盖、内排气盘管及套在其上的减震簧组成。图2为对此款压缩机运行噪声扫频测试，通过变压器调节压缩机在电源工作频率从58 Hz到62 Hz运行，测得其GB噪声总值1/3倍频程频谱变化统计。对比噪声频谱可以发现：此款压缩机在60 Hz电源频率运行时，噪声值明显大于其他电源频率噪声值，可见压缩机在60 Hz发生了共振。

将此款压缩机安装好橡胶脚垫，壳体上贴一个加速度传感器，摇晃压缩机发现振动谱上存在60 Hz峰值。取此款压缩机的开盖机，对其各零件进行锤击试验测试，发现排气盘管组件的1阶固有频率恰好为60 Hz，初步诊断为压缩机排气盘管发生共振。

3 模态仿真分析与改善设计

图3所示为此款压缩机排气盘管三维模型，应用ANSYS Workbench软件对其进行模态仿真分析，计算后得到图4所示排气盘管的1阶固有频率及振型，恰好为60.5 Hz，在电源工作频率60 Hz附近。

依据公式1固有频率计算公式，此排气盘管组件要想避开电源工作频率60 Hz，可降低排气盘管组件重量m值或提高其刚度K值，对应分别做了如图5、图6所示改善设计。图5所示改善方案Ⅰ：盘管形状及长度均不变，减震簧长度由原来一根400 mm长簧减短为2根140 mm短簧，此方案加重了盘管组件的m值，同时加长了减震簧的长度，具有更好的吸振效果，同时不用改动盘管成型工装与生产机器设备，容易快速投产；图6所示改善方案Ⅱ：对排气盘管结构进行了改变，但总长度不变，也加长了减震簧的长度。

应用ANSYS Workbench软件对此方案Ⅱ排气盘管模型进行模态仿真分析，计算后得到如图7所示排气盘管Ⅱ的1阶固有频率及振型，1阶固有频率为64.5 Hz，比原排气盘管1阶固有频率提高了4 Hz。

4 改善方案效果验证

4.1 锤击模态试验测试

取一台此款压缩机的开盖机，先后焊接上原始盘管组件、改善Ⅰ盘管组件、改善Ⅱ盘管组件分别进行锤击模态测试，如图8所示，测得改善前后3种方案盘管组件在小力锤激励下的频响函数，经过整理后得如图9所示的对比图：改善Ⅰ盘管组件1阶固有频率为63 Hz，改善Ⅱ盘管组件1阶固有频率为64 Hz，均避开了此款压缩机的电源工作频率60 Hz。

4.2 装机试验效果验证

将原始盘管组件、改善Ⅰ盘管组件、改善Ⅱ盘管组件，先后焊接在同一个机芯上，装入壳体环焊成整机，分别对噪声进行扫频测试，整理GB测试噪声值得到如表1所示数据，在电源工作频率为60 Hz时测得的3种盘管方案噪声1/3倍频程频谱对比如图10所示

从表1压缩机GB噪声扫频测试数据可以看出：原结构排气盘管压缩机、改善Ⅱ排气盘管压缩机、改善Ⅰ排气盘管压缩机分别在60 Hz、63 Hz、64 Hz电源工作频率噪声值最大，这与前面3种盘管组件锤击测试的1阶固有频率相同，此3种盘管分别在60 Hz、63 Hz、64 Hz频率发生了共振。原始盘管组件压缩机刚好在此型号压缩机的额定电源工作频率60 Hz发生共振，而改善Ⅰ盘管组件压缩机、改善Ⅱ盘管组件压缩机均避开了额定电源工作频率60 Hz，但改善Ⅱ盘管组件压缩机具有更好的噪声效果。

改善Ⅰ排气盘管无须改动盘管制作工装及机器设备等，容易快速投入生产，鉴于市场要求产品快速响应的压力，但又考虑到产品批量生产的波动性，排气盘管1阶固有频率偏离电源工作频率要求越大越好。该公司先采用改善Ⅰ排气盘管组件方案进行过渡生产，后来全部切换成了改善Ⅱ排气盘管方案，生产抽检多批次此款压缩机，再也没有出现明显共振问题。

5 结论

本文经过测试某公司生产的一款压缩机噪声问题，经过锤击实验分析诊断为压缩机内排气盘管组件的1阶固有频率为60 Hz，与此款压缩机的额定电源工作频率发生了共振。应用ANSYS Work原bench软件对排气盘管进行模态仿真分析，1阶固有频率与实验测试相吻合，对排气盘管进行2种方案改善设计，经过仿真分析、锤击实验与装成整机测试验证：改善后2种排气盘管的1阶固有频率分

别为63 Hz与64 Hz，均避开了额定电源工作频率60 Hz，测试额定电源工作频率60 Hz下的GB噪声值，分别下降7.43 dB与8.0 dB。本文的研究，成功解决了此款压缩机因排气盘管基频共振引起的噪声问题，排气盘管的锤击实验分析与模态仿真分析为同类零件的正向设计，具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 沈海波，巨小平.降低冰箱压缩机噪声的试验研究[J].流体机械，2003，31（7）：8-9.

[2] 蔡亦钢.流体传输管道动力学[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[3] 谭平.输气管道振动分析[J].天然气工业，2005，25（1）：133-134，140.

[4] 喻迪垚，江志农.往复压缩机管道振动分析及减振方法[J].压缩机技术，2012，04（011）：44-46.

[5] 韩海晓，何志龙，彭强强.全封闭冰箱压缩机噪声控制研究综述[J].流体机械，2012，40（1）：35-40.