空调室外机低频振动原因分析和解决途径探讨

空调室外机低频振动原因分析和解决途径探讨季振勤;邢志钢【摘要】低频振动是导致空调室外机存在异常噪音的重要原因,甚至在大量案例中,低频振动会经由墙体传入室内侧，因此，室外机低频振动会严重影响消费者的使用体验.本文通过对典型案例进行频谱分析，确认了压缩机振动传递至室外机钣金结构，是导致室外机产生低频振动的主要原因.在此基础上，本文进一步探讨了通过隔离压缩机振动，降低室外机低频振动的可行技术手段，利用模态分析和瞬态仿真计算,确认降低了回气管固有频率，是显著降低室外机低频振动的最有效技术手段，同时，降低压缩机脚垫硬度对室外机低频振动也有明显的改善.最后，本文通过对比试验测试，验证了室外机低频振动的主要解决途径.【期刊名称】《家电科技》【年(卷)，期】2017(000)002【总页数】4页(P62-65)【关键词】低频振动;噪音;室外机;振动传递率;模态分析【作者】季振勤;邢志钢【作者单位】广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311;广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311【正文语种】中文随着空调消费阶段的不断提升，噪音和振动越来越成为消费者关注的核心问题［1］，而噪音和振动问题，往往在根源上是一致的。对空调室外机而言，低频振动引起的室外机异常噪音，往往是影响消费者静音体验的主要因素［1,2］,甚至在不少案例中，低频振动还会经由墙体传入室内，直接在消费者所在的室内壁面上产生低频异常噪音，从而严重影响消费者的使用感受。因此，从提升消费体验的角度看，空调室外机低频振动是一个亟待解决的问题［3］。本文首先通过对典型案例进行频谱分析，得到了空调室外机低频振动的主要原因，并在此基础上利用模态分析和仿真计算，探讨了这一问题的解决途径，最后通过对比试验，验证了本文给出的室外机振动解决途径的有效性。空调室外机异常噪音发生频率较高，虽然其不会影响空调基本的制冷制热功能，但随着消费阶段的不断提升，其越来越受到消费者的关注和重视，由此产生的投诉也不断增加。为分析室外机异常噪音的产生原因，本文首先对室外机异常噪音典型案例的录音进行了FFT变换，其频率成分如图1所示。观察图1可知，室外机噪音主要频率成分为压缩机旋转振动基频47.6Hz和这一频率的一系列倍频95.2Hz、142.8Hz、190.4Hz、238.0Hz和285.6Hz等。除此之外，还有零星的其他频率成分，如风叶转速频率或电源频率倍频等，但其在室外机的噪音组成中处于次要地位，室外机噪音由压缩机噪音主导，特别是室外机低频噪音。这说明，室外机低频噪音与压缩机振动密切相关。一方面，压缩机振动的基频和倍频是室外机低频噪音的主要激励源；另一方面，这些压缩机振动频率会和其他相近的频率产生拍振，例如风叶转动频率和电源频率，从而发出明显而低沉的拍振声，频率大约为每秒3至4次，这也是经常出现的外机异音，由于听感较差，拍振声的存在会严重影响用户的使用体验。综上所述，低频振动是导致空调室外机存在异音的重要原因，而其根源是来自压缩机的旋转振动。然而，在一般的空调室外机中，压缩机外往往覆盖有完整的隔音棉，因此压缩机往夕卜直接辐射噪音的能力非常有限。但是，压缩机振动会通过各种途径传递到外机钣金结构上，成为产生外机低频噪音和异常噪音的主要原因，具体的压缩机振动传递路径如图2所示，主要包括排气管、回气管、异常接触和底脚。为分析得到压缩机至外机钣金结构的振动传递路径，下面首先对压缩机及附带管路系统进行模态分析。压缩机及附带管路系统模态分析的几何模型和有限元模型分别如图3和图4所示。由于振动传递路径主要由结构的低阶模态决定，因此本文主要分析该结构前10阶模态的情况。模态分析结果如表1所示。由分析结果可知，第一、二、三、四、七、八阶模态为压缩机整体模态，第五、六阶模态为排气管模态，第九、十阶模态为回气管模态。上文已经分析，空调室外机低频振动的原因是压缩机旋转振动通过排气管、回气管、底脚或异常接触传递至外机钣金结构上。但是，必须进一步明确主要的振动传递路径，才能更为有效地研究室外机低频振动的解决措施。对于振动传递路径，一般用振动传递率来衡量其传递激振力的多少[4,5]，其定义为某一结构输出激励力与输入激励力的比，显然，振动传递率越高，则通过该结构途径传递的振动能量就越大。单自由度系统振动传递率的计算方法如下式所示[4,5]:上式中，T表示振动传递率，3n表示系统固有频率，3表示激励力频率，Z表示阻尼比。根据上式，可以绘制振动传递率T与系统固有频率3n、激励力频率3和阻尼比Z之间的关系，如图5所示。观察图5可知，当激励频率3高于某一振动传递路径的固有频率3n时（对于空调室外机而言，各传递路径的低阶频率都低于压缩机的激励频率，这一条件总是满足的），激励频率3与固有频率3n之间的距离越大，则该传递路径的振动传递率T越低。换句话说，对于一个固定的压缩机激励3=50Hz，某一传递路径的固有频率3n越低，则其对应的传递率T也越低。表1中已经给出了排气管、回气管和压缩机底脚三种振动传递路径各自的固有频率，观察表1可知，压缩机底脚对应的固有频率最低，因此其传递振动的可能性最小；排气管次之；回气管固有频率在三种传递路径中最高，距离压缩机激励频率的差值最小，因此，回气管的振动传递率在这三种可能的夕卜机振动传递路径中是最高的。根据振动传递率的定义，输出激励力等与输入激励力与振动传递率的乘积［4,5］。对于回气管而言，由于压缩机的主要振动形式为回转振动，而回气管口距离旋转中心的距离较排气管口和压缩机底脚而言是最远的，因此回气管处的输入激励力最高，这进一步决定了回气管是主要的外机低频振动传递路径。换句话说，压缩机运行产生的振动，主要通过回气管传递至外机钣金结构上。如图6所示。上文已经得出结论，回气管是将压缩机振动传递至外机钣金结构的主要途径。因此，通过优化回气管设计，降低回气管固有频率，可能成为降低外机低频振动的有效技术手段。本文首先通过仿真计算，验证回气管固有频率降低对空调室外机低频振动的改善。改善途径是将回气管下U位置的防振胶由小规格的FZJ-01，替换为大规格的FZJ-09，其参数对比如表2。回气管防振胶替换后，其固有频率分析结果如表3所示。由表3可知，防振胶替换后，回气管前两阶固有频率分别下降3.79Hz和4.98Hz,其振动传递率也会出现显著降低。下面利用外机结构的简化有限元模型进行瞬态仿真计算，计算模型如图4所示，计算结果如图7和表4所示。阀安装板是空调外机钣金振动的典型测试位置，本文通过对这一位置进行仿真计算来比较不同回气管状态下，夕卜机钣金的振动情况。观察图7和表4可知，随着回气管固有频率的降低，阀安装板相对振幅快速下降，这意味着外机钣金振动也出现了显著的下降。仿真计算结果说明，回气管固有频率越低，则传递到外机钣金的振动也越少，夕卜机低频振动也越低。为验证仿真计算结果，下面通过试验测试来进行进一步比较验证，首先进行FZJ-01回气管安装状态下的噪音测试，然后进行FZJ-09回气管安装状态下的噪音测试，测试示意图和结果比较分别如图8和图9所示。观察图9可知，当回气管固有频率降低后，传递至外机钣金的低频振动显著下降，由此振动产生的低频噪音也会出现明显降低，特别是在压缩机旋转振动的基频和倍频位置（本测试案例中为95.2Hz、142.8Hz、190.4Hz、238.0Hz和285.6Hz等）。因此，回气管固有频率的降低，不仅会使得外机低频振动出现下降，还能够消除压缩机振动导致的拍振等外机异音。总而言之，降低回气管固有频率，不仅能够改善空调室外机低频振动，还能够消除空调室外机由于压缩机振动产生的异常噪音。此外，尽管相比回气管，排气管、底脚和异常接触在振动传递方面处于次要位置，但这些传递路径振动传递率的降低，仍然会有助于改善外机低频振动和异常噪音。换句话说，除了降低回气管固有频率以外，降低排气管固有频率、降低底脚刚度、消除异常接触，对于外机低频振动和异常噪音的改善也能发挥一定的作用。本文通过对典型外机低频振动和异常噪音案例进行FFT变化和频率成分分析，确认了压缩机振动传递至室外机钣金结构，是导致室外机产生低频振动和异常噪音的主要原因。在此基础上，本文进一步探讨了压缩机振动传递至室外机结构的主要途径，其中，主要途径是通过回气管传递，次要途径是通过排气管、底脚和异常接触传递。利用模态分析和瞬态仿真计算，确认降低了回气管固有频率，是显著降低室外机低频振动，避免室外机发出异常噪音的最有效技术手段。同时，降低压缩机脚垫硬度、降低排气管固有频也有助于降低室外机低频振动和消除室外机异常噪音。最后，本文通过试验测试验证了上述结论。【相关文