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1、引言

隨著生活水平的日益提高，人們對于冰箱的噪音水平要求也越來越高，冰箱產(chǎn)品的噪音水平越來越成為衡量產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

冰箱噪音的主要激勵源為機(jī)械室、風(fēng)機(jī)、制冷管路系統(tǒng)等，其中冰箱機(jī)械室包括壓縮機(jī)、橡膠墊、底板、冷凝器、吸排氣管等，冰箱壓縮機(jī)[1]通過吸排氣為制冷循環(huán)提供能量輸入，是冰箱機(jī)械室的主要振源，壓縮機(jī)的振動通過吸排氣管路、腳墊底板、冷媒等路徑傳遞到箱體上，產(chǎn)生噪聲輻射。冰箱機(jī)械室的振動、噪音水平，直接決定了冰箱噪音表現(xiàn)。本文以某款冰箱機(jī)械室共振問題的噪音改善為例，綜合運用仿真分析、實驗對標(biāo)等方法，成功解決了冰箱低頻噪音大的問題，為冰箱機(jī)械室共振等問題的解決提供了方案。

2、機(jī)械室共振噪音問題分析

冰箱機(jī)械室共振噪音問題，是冰箱固體噪音的主要來源之一，且冰箱機(jī)械室共振噪音問題常表現(xiàn)為箱體及附件的“嗡嗡聲”，用戶體驗較差。

機(jī)械室共振主要激勵源為壓縮機(jī)，壓縮機(jī)通過橡膠墊安裝在壓縮機(jī)安裝板上，壓縮機(jī)上部通過吸氣、排氣管路與冰箱箱體相連，如圖1所示。

圖1 機(jī)械室部件裝配圖

壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)的簡諧運動帶動曲柄連桿結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生簡諧激勵，通過振動傳遞及內(nèi)部聲場輻射激勵傳遞到壓機(jī)殼體[2]，產(chǎn)生振動輻射噪音。壓縮機(jī)殼體振動激勵主要通過兩條路徑傳遞到箱體上：（1）壓縮機(jī)—腳墊—底板—箱體，壓縮機(jī)殼體振動通過金屬支架傳遞到橡膠墊上，橡膠墊與底板通過螺釘相連，底板將振動傳遞到箱體上；（2）壓縮機(jī)—管路—箱體，壓縮機(jī)殼體振動通過金屬管路傳遞到箱體上，產(chǎn)生箱體噪音輻射。

簡化壓縮機(jī)的連接狀態(tài)，將壓縮機(jī)殼體振動作為主要研究對象，簡化壓機(jī)殼體與箱體的管路連接結(jié)構(gòu)，通過剛度、阻尼等效原理，簡化為壓縮機(jī)殼體振動的等效剛度、阻尼，又考慮到壓縮機(jī)殼體與橡膠墊及底板的強(qiáng)連接，壓縮機(jī)殼體的振動可簡化為X、Y、Z三個方向的單自由度系統(tǒng)振動，如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)Z方向單自由度系統(tǒng)振動

其中Z方向單自由度系統(tǒng)振動的剛度K、阻尼C，為Z方向上壓縮機(jī)橡膠墊及管路系統(tǒng)的等效剛度及等效阻尼。同理可得，壓縮機(jī)X、Y方向單自由度系統(tǒng)振動等效剛度及等效阻尼，分別建立壓縮機(jī)X、Y、Z三個方向等效振動系統(tǒng)。

由結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)理論可得，Z方向有阻尼單自由度系統(tǒng)簡諧振動方程為：

其中：m為壓縮機(jī)質(zhì)量；c，k為壓縮機(jī)振動系統(tǒng)Z方向等效阻尼系數(shù)及等效剛度系數(shù)；F為壓縮機(jī)內(nèi)簡諧激勵力幅值；p為壓縮機(jī)內(nèi)簡諧激勵力頻率。

則壓縮機(jī)振動系統(tǒng)Z方向壓縮機(jī)殼體振動幅值為：

其中：

c為壓縮機(jī)等效阻尼系數(shù)，k為壓縮機(jī)等效剛度系數(shù)。

由上式可知，冰箱機(jī)械室壓縮機(jī)Z方向的振動狀態(tài)，與壓縮機(jī)Z方向的等效固有頻率直接相關(guān)，在ν=1兩側(cè)附件為共振區(qū)，ηd較大，共振現(xiàn)象明顯，在遠(yuǎn)離共振區(qū)的地方，ηd較小，共振現(xiàn)象較弱。

但是壓縮機(jī)Z方向等效固有頻率，由壓縮機(jī)Z方向等剛度系數(shù)、等效阻尼系數(shù)共同決定，其中的等效剛度與管路空間結(jié)構(gòu)、橡膠墊材質(zhì)結(jié)構(gòu)、底板材質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，等效阻尼與橡膠墊材質(zhì)結(jié)構(gòu)、底板材質(zhì)結(jié)構(gòu)等有關(guān)，相關(guān)影響因素較多。

3、機(jī)械室共振問題仿真分析

下面以我司某款冰箱的機(jī)械室結(jié)構(gòu)仿真分析優(yōu)化為例，具體說明機(jī)械室共振問題的解決方法。

我司某款冰箱在實際使用中出現(xiàn)噪音較大問題，通過掃頻實驗，在壓縮機(jī)不同工作頻率下測量冰箱機(jī)械室噪音頻譜，發(fā)現(xiàn)各工作頻率下冰箱整體低頻噪音較大，且在51Hz等頻率下冰箱噪音存在突變，51Hz工作頻率下冰箱噪音1/3倍頻程測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 51Hz冰箱噪音1/3倍頻程頻譜圖

從噪音頻譜可得，在51Hz工作頻率下冰箱基頻噪音偏大，具體集中在50Hz、200Hz等頻段，冰箱機(jī)械室存在明顯共振現(xiàn)象。運用仿真分析方法，分析冰箱機(jī)械室共振問題，考慮冰箱機(jī)械室部件相關(guān)裝配條件，建立冰箱機(jī)械室振動有限元分析模型。

壓縮機(jī)底板采用殼單元，單元大小為2mm，單元類型S4R，網(wǎng)格總數(shù)為58928個，滾輪采用六面體單元，單元類型為C3D8R，網(wǎng)格總數(shù)為5488個，接水盤采用殼單元，網(wǎng)格大小為2mm，單元類型為S4R，網(wǎng)格總數(shù)為28640個，管路系統(tǒng)采用殼單元，單元大小為1mm，單元類型S4R，網(wǎng)格總數(shù)為29057個，壓縮機(jī)殼體采用殼單元，單元大小為3mm，單元類型S4R，網(wǎng)格總數(shù)為10268個，橡膠墊采用四面體單元，單元大小為1mm，單元類型C3D4，網(wǎng)格總數(shù)為138236個。

簡化壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在壓縮機(jī)重心位置施加質(zhì)量點配重，簡化連接問題，在壓縮機(jī)、配管、底板、腳墊等位置使用rib2剛接，考慮橡膠墊材料阻尼等參數(shù)影響，根據(jù)相關(guān)實驗采用瑞雷阻尼模型建立橡膠墊阻尼耗散模型[3]，在壓縮機(jī)底板滾輪位置、底板與側(cè)壁連接位置及管路與箱體連接位置，施加固定約束，如圖4所示。

圖4 冰箱機(jī)械室有限元分析模型

可得現(xiàn)有結(jié)構(gòu)冰箱機(jī)械室固有頻率及陣型分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)械室模態(tài)分析結(jié)果

機(jī)械室固有頻率與壓縮機(jī)工作頻率51Hz、63Hz十分接近，現(xiàn)有機(jī)械室結(jié)構(gòu)存在共振風(fēng)險。

4、機(jī)械室共振問題仿真優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果可得，機(jī)械室壓縮機(jī)X、Z方向固有頻率存在明顯共振問題，為降低冰箱低頻共振噪音，進(jìn)行冰箱機(jī)械室共振問題仿真優(yōu)化。

考慮到冰箱機(jī)械室固頻與管路空間結(jié)構(gòu)、橡膠墊材質(zhì)結(jié)構(gòu)、底板材質(zhì)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素密切相關(guān)，綜合考慮安裝工藝、方案可行性等，結(jié)合上述關(guān)鍵因素提出冰箱機(jī)械室共振問題改善優(yōu)化方案[4]，見表1所列。

根據(jù)機(jī)械室部件改善方案計算結(jié)果可以得到：

（1）優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)，改善管路X、Y、Z三方向的剛度，對機(jī)械室固頻影響較大，其中X方向固頻降低6.6Hz，Z方向固頻降低1.5Hz，改善效果明顯；

（2）優(yōu)化底板結(jié)構(gòu)，底板加厚25%，對機(jī)械室固頻影響較大，其中X方向固頻增高1.9Hz，Z方向固頻增加4.6Hz，改善效果明顯；

（3）優(yōu)化底板材質(zhì)，底板板材彈性模量增加50%，對機(jī)械室固頻影響較大，其中X方向固頻增加3.7Hz，Z方向固頻增加7.0Hz，改善效果明顯；

（4）優(yōu)化橡膠墊結(jié)構(gòu)，考慮到現(xiàn)有橡膠墊為高阻尼丁基橡膠墊，橡膠墊材料優(yōu)化空間較小，優(yōu)化橡膠墊結(jié)構(gòu)，對機(jī)械室固頻影響較小，其中X方向固頻降低0.5Hz，Z方向固頻降低0.3Hz，改善效果較弱。

5、實驗驗證

根據(jù)機(jī)械室部件共振問題仿真優(yōu)化結(jié)果可以得到，針對現(xiàn)有機(jī)械室共振問題，機(jī)械室管路結(jié)構(gòu)、底板結(jié)構(gòu)、底板材質(zhì)影響較大，改善效果明顯，橡膠墊結(jié)構(gòu)影響較小，改善效果較弱。綜合考慮方案2、方案3材料成本提升較多，初步確定采用方案1，制作相關(guān)手板樣件進(jìn)行實驗驗證。優(yōu)化結(jié)構(gòu)1各頻率整體噪音水平存在不同程度降低，51Hz工作頻率下冰箱噪音1/3倍頻程實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 改善結(jié)構(gòu)51Hz冰箱噪音1/3倍頻程頻譜圖

從改善后結(jié)構(gòu)峰值噪音頻譜圖（圖6）可以得到：

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)1對于100Hz以下低頻改善效果較好，部分單峰下降幅度較大；

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)1對于250Hz左右中低頻存在改善效果，部分單峰稍有下降，但效果相對較差；

（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)1對于500Hz以上中高頻改善效果較差，機(jī)械室振動部件優(yōu)化對中高頻噪音優(yōu)化效果差。

6、結(jié)論

本文針對冰箱機(jī)械室共振問題，詳細(xì)說明了機(jī)械室共振問題的振動模型、振動影響因素，并以我司某款冰箱機(jī)械室共振問題為例，建立了冰箱機(jī)械室振動分析的有限元模型，結(jié)合相關(guān)振動影響因素，利用有限元模型進(jìn)行了方案優(yōu)選，并最終驗證了改善方案的可行性，詳細(xì)說明了冰箱機(jī)械室共振問題的解決思路，為冰箱機(jī)械室共振問題的解決提供了一套完善的分析、優(yōu)化及解決思路。

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