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1、引言

空調(diào)室外機主要用于住宅區(qū)域或者公共區(qū)域，而室外機風(fēng)機系統(tǒng)中的軸流風(fēng)葉和電機通過螺釘固定在電機支架上，形成一個組件后，再通過螺釘鎖緊于底盤上，電機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接關(guān)系到風(fēng)機噪聲的品質(zhì)。為了有效降低室外機風(fēng)機腔的噪聲，電機支架的設(shè)計需要從結(jié)構(gòu)形式、加工方式等方面進行考慮。

2、室外機風(fēng)機腔噪聲源分析

在運行期間空調(diào)室外機的激勵源包括壓縮機和電機風(fēng)葉，并且室外機在運行期間會產(chǎn)生不同的振動和噪聲等問題。根據(jù)噪聲源的不同，對室外機進行分析發(fā)現(xiàn)，不僅存在固體間的振動傳遞，還存在流體間的噪聲傳播。每個部件或者組件都可以單獨發(fā)出噪聲，并且可以通過諧振疊加來放大產(chǎn)生的噪聲。諸如前面板、右側(cè)面板和頂蓋的大面積外殼體部件容易被噪聲源激發(fā)，以在噪聲輻射下產(chǎn)生噪聲。壓縮機的振動及風(fēng)葉電機的振動會影響殼體、底盤和換熱器的振動。

風(fēng)機系統(tǒng)在固體的傳遞包括以下兩個路徑，如圖1所示[1]。對于風(fēng)機系統(tǒng)的減振和降噪，電機本身的振動和電機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。由于電機是購買部件，輸入材料是不可控制的，可控設(shè)計主要是電機支架的設(shè)計。電機支架的設(shè)計受殼體的大小、工藝加工方式和自動化等要求所約束，電機支架的振動程度受到支架整體抗彎剛度、鋼材的厚度、加強筋的形式類型、高度和電機的重心的影響。電機、支架和風(fēng)葉的偏心程度以及電機與電葉部分質(zhì)量中心距電機安裝面的距離等因素的影響[2]。

圖1 風(fēng)機系統(tǒng)噪聲在固體的傳播路徑

在空調(diào)室外機風(fēng)機系統(tǒng)的流體中傳播的噪聲如圖2所示。風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的固有頻率等于或者接近電機支架的頻率，或者與電機支架的頻率成倍數(shù)，將使風(fēng)機系統(tǒng)產(chǎn)生共振。在噪聲被放大和放大之后，被輻射到空氣中，這導(dǎo)致室外機的噪聲增加。當(dāng)電機支架與換熱器之間搭接時，當(dāng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時，其固有旋轉(zhuǎn)頻率等于或成倍于換熱器和冷媒在換熱器銅管中的流動頻率時，則會與冷媒相互影響，共振疊加，從而把產(chǎn)生的噪音加強放大，再向空氣或者其他零部件輻射傳播。

圖2 流體的傳播路徑中的風(fēng)機系統(tǒng)噪聲

風(fēng)葉周期性地受到出口不均勻的氣流脈動從而導(dǎo)致風(fēng)機系統(tǒng)運行產(chǎn)生噪聲[2]?？照{(diào)室外機的旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的原因主要是軸流風(fēng)葉的重量不均、風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時葉片上壓力的分布不均和風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時對周圍氣體及零件的擾動等方面。當(dāng)氣體流過軸流風(fēng)葉片時，在葉片表面上發(fā)生湍流分層、渦流和渦流分離，氣流周期性地沖擊葉片，導(dǎo)致葉片上的壓力不均勻并產(chǎn)生渦流噪聲。

在設(shè)計電機支架時，應(yīng)同時考慮電機支架的固有頻率，以防止開模出來的樣件與風(fēng)葉、壓縮機工作的固有頻率及其倍頻發(fā)生耦合，并在運行期間發(fā)生共振。當(dāng)電機支架的固有頻率和風(fēng)機的諧振頻率等于或接近殼體的頻率或倍頻時，外部單元殼體的諧振會加劇，從而使空調(diào)運行時的噪聲加大，進而影響室外機的音質(zhì)和音量，降低空調(diào)的體驗性。

3、電機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)階段常用的電機支架種類分為直型電機支架、弓形電機支架和半截電機支架等。

3.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

風(fēng)葉、電機安裝到電機支架上后其重心是否合適等方面決定了電機支架的結(jié)構(gòu)形式。理論上風(fēng)葉伸進的越多越好，但是伸進的距離與風(fēng)量是對數(shù)之間的關(guān)系，伸進距離達到某數(shù)值后風(fēng)量變化不大，而且風(fēng)葉前緣與格柵有距離要求，風(fēng)葉前緣伸進2/3是最合理的。為此設(shè)計了三款不同的電機支架的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3 三款不同電機支架結(jié)構(gòu)形式

3.2 翻邊方向設(shè)計

常見電機支架為了走線方便，翻邊均是與風(fēng)葉方向相反的，是朝后的，但是這樣會影響室外機的風(fēng)量、噪音和功率。為此，在電機支架設(shè)計時為能夠降低噪音和功率，翻邊設(shè)計為與風(fēng)葉方向相同，是朝前的。試驗數(shù)據(jù)如表1：在同轉(zhuǎn)速下，電機支架翻邊朝后的噪音、功率高于翻邊朝前，噪音高1dB左右，功率高0.6w左右；在同轉(zhuǎn)速下，電機支架翻邊朝后風(fēng)量低于翻邊朝前，減少量約為26m3/h。

3.3 CAE仿真分析

為保證電機支架設(shè)計的合理性，分別對以上方案進行模態(tài)、約束模態(tài)振型和模擬實際工作形變對比。

3.3.1 模態(tài)和約束模態(tài)對比

電機支架前6階自由模態(tài)與約束模態(tài)的對比見圖4；第1階模態(tài)振型對比與第2階模態(tài)振型對比見圖5。

圖4 電機支架前6階模態(tài)和約束模態(tài)頻率對比

圖5 模態(tài)陣型對比

3.3.2 模擬實際工作形變對比

模擬實際工作變形對比見表2、圖6～圖9。

圖6 抗彎形變云圖

圖7 抗扭形變云圖

圖8 抗踩踏形變云圖

圖9 中部承載形變云圖

3.4 成形分析

在沖壓件設(shè)計前期，需要進行成形分析。進行成形分析主要是為了利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測設(shè)計的零件在成形加工時是否存在破裂的現(xiàn)象或者其他加工問題。通常根據(jù)原始屈服函數(shù)和相關(guān)的流動規(guī)律計算每個步驟的應(yīng)力和應(yīng)變場，并引入適當(dāng)?shù)牧芽p標(biāo)準(zhǔn)。

對于模擬出現(xiàn)破裂的判據(jù)很多，如成形極限圖、成形極限應(yīng)力圖、最大變薄率、應(yīng)變率突變準(zhǔn)則、厚度梯度準(zhǔn)則等，最常用的判斷依據(jù)是成形極限圖[4]。

為確認(rèn)直型電機支架（中間凸包）是否可以加工，需要對其進行成形分析，保證方案的可行性。首先需要導(dǎo)入模型，對模型的材料屬性進行設(shè)置。材料屬性設(shè)置好后，對模型進行前處理，導(dǎo)入Dynaform軟件中進行分析，分析結(jié)果主要看成形極限圖，如圖10所示。從圖10中可以看出，在零件成形過程中無拉裂出現(xiàn)，零件設(shè)計合理。為保證下料尺寸足夠，同時不影響生產(chǎn)，分析其走料情況，如圖11所示。

圖10 成形極限圖

圖11 走料圖

4、加工方式的選擇

現(xiàn)有常見的工藝加工方式包括單沖模，連續(xù)模和三次元。

單沖模是無導(dǎo)向裝置的沖裁模和成形模[3]。根據(jù)單個零件的工序流程，每個機床只負(fù)責(zé)完成一個工序，加工效率較低，精度不高，難以保證大批量零件的一致性，但是其維修成本低，適合中小批零件的加工。

連續(xù)模是用不同結(jié)構(gòu)類型的多工位模具，直接從板、條、帶、卷材等不同原材料上，一模成形沖制出各種復(fù)雜形狀的沖裁件和立體成形件的模具結(jié)構(gòu)形式[5]。當(dāng)連續(xù)模工作時，壓力機完成一個行程，連續(xù)模上的不同工位分別完成所需要的全部沖壓作業(yè)。當(dāng)原材料在進給方向上連續(xù)通過模具中的所有工位時，完成一個行程或一組沖壓部件。因此，當(dāng)連續(xù)模生產(chǎn)時，不僅效率高，而且制造的部件具有良好的一致性和高互換性，更便于實現(xiàn)生產(chǎn)的無人化、機械化、自動化和操作安裝性。與其他類型的模具相比，多工位連續(xù)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造和維護，并且成本高，其結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要預(yù)留連料點，否則無法實現(xiàn)，而且連續(xù)模頭尾兩件是廢件。

三次元是采用機械手進行連續(xù)生產(chǎn)。每個工位完成一個工序，每個工位與工位之間用機械手移動，生產(chǎn)效率高[6]。其優(yōu)點是加工后的零件不僅具有良好的一致性和高互換性，而且便于生產(chǎn)中的機械化和自動化。缺點是設(shè)備成本高、需要長期維護，同時需要更高的設(shè)計要求。

在實際應(yīng)用中，選用哪種結(jié)構(gòu)，通常要根據(jù)交貨期T、質(zhì)量Q、成本C三要素權(quán)衡確定[4]，同時也需要考慮到公司內(nèi)部現(xiàn)有的生產(chǎn)線，不能因為采用連續(xù)模導(dǎo)致現(xiàn)有生產(chǎn)線必須改造。在現(xiàn)有的成形技術(shù)水平與條件下，在保證沖壓件質(zhì)量的基礎(chǔ)上，最短的生產(chǎn)周期和最低的制造成本是模具選擇的基本原則。正常情況下，零件尺寸處于中小級別的薄板沖壓件，在條件允許的條件下最好選用合適的連續(xù)模沖制。使用連續(xù)模在大多數(shù)情況下都能達到?jīng)_件的質(zhì)量要求，但需求量小時則未必經(jīng)濟合算。多工位連續(xù)模只有在大批量生產(chǎn)時才能顯示出明顯的優(yōu)勢。在選擇零件加工方式時，有必要估算該零件的總產(chǎn)量，這樣更容易取得更好的經(jīng)濟效益。

某外機現(xiàn)階段的規(guī)劃是后續(xù)可覆蓋現(xiàn)有量產(chǎn)26、35的所有殼體和50的部分殼體1/2/3級能效機型，同時兼容和出口技術(shù)部大部分出口樣機的要求，且電機支架屬于通用件，在不同殼體都能通用。結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)線體，對于電機支架來說，連續(xù)模生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)利益的最大化。表3給出了公司生產(chǎn)基地電機支架的加工方式。

5、結(jié)論

針對空調(diào)室外機電機支架設(shè)計，從多個維度進行驗證，以下結(jié)論可供參考：

（1）從約束模態(tài)剛度結(jié)果對比分析可以看出，直型（中部凸包）電機支架剛度優(yōu)于弓形電機支架，弓形電機支架剛度明顯優(yōu)于直型電機支架；

（2）從各工況下仿真的靜力強度分析可以看出，直型（中部凸包）電機支架優(yōu)于弓形電機支架和直型電機支架；

經(jīng)過剛性、模態(tài)、多方位模擬實際工作的靜載荷分析，直型電機支架（中部凸包）的剛度、振動模態(tài)振型、靜載荷變形與應(yīng)力均優(yōu)于弓型電機支架和直型電機支架。采用直型電機支架（中間凸包）可以有效提高減振、降噪的可能性。

參考文獻

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[6] 黃偉. 三次元送料機械手的設(shè)計與軌跡的規(guī)劃和優(yōu)化[D]. 山西太原: 中北大學(xué), 2015.(1).