对制冷空调设备来说，振动和噪声是关系到设备性能的两个主要因素。设备的振动主要来源是压缩机和风机，压缩机因其振幅较大，且与换热器间通过管路连接，除了由振动引发噪声以外，还可能由于振动过程产生过大的、管路无法长期承受的应力和位移，导致管路泄漏和断裂，从而造成设备停机，引发更严重的后果，如何解决这一隐患成为行业内工程技术人员需要面对的问题。通常在产品开发过程中，设计人员会结合经验完成对管路走向、弯曲半径、弯曲位置等布置，并在样机组装完成后由测试人员根据设备工况进行压缩机管路振动应力等型式试验进行验证。上述设计流程对设计人员的经验水平要求极高，一旦发生疏漏，便成为产品快速开发的阻碍，也会增加相关成本。杨靖[1]使用ANSYS对管路进行模态分析，对压缩机和管路整体进行谐响应分析，完成了对空调外机压缩机管路的设计优化。卢剑伟等[2]比较有限元分析和单体振动测试结果，得知了压缩机的振动特性，通过假定的压缩机激励完成了整体有限元分析和管路优化。金涛等[3]开发了顺序为三维设计、多种有限元分析、管路优化、样机测试、管路再优化的管路设计流程。杨元涛[4]综合实验测试与分析结果，使用VC++开发了综合多个软件的压缩机管路振动分析程序。刘晓明等[5]通过管路应力测试进一步验证了有限元分析用于管路振动优化的有效性。孔祥强等[6]对管道内部气柱模型进行有限元模态分析，验证了管路长度和支撑数目对优化的影响。雷朋飞等[7]使用Solidworks作为有限元分析软件，在热泵系统中完成了振动测试布点的优化。李政等[8]结合ODS测试与谐响应分析，优化了压缩机单体设计，同时得出了该系列滚动转子压缩机壳体表面的振动分布规律。本研究以双系统冷水机作为优化对象，使用Solidworks和ANSYS完成了压缩机吸、排气管路振动的仿真、分析和优化。1压缩机吸排气管路设计基础和设计步骤压缩机吸排气管路产生振动有两个主要原因，一是管内介质流动产生的脉动压力，二是压缩机的机械振动传递到管路上。小型制冷设备中一般使用涡旋式压缩机或滚动转子式压缩机，制冷剂在管路中以气态或气液混合状态存在，且液态所占比例较小，故而由介质流动产生的脉动压力不作为主要因素，在实际分析中可以忽略。作为本文分析对象的设备中使用了带有气液分离器的转子压缩机，其高速旋转产生的机械振动具有一定规律。综合对比：切向振动径向振动轴向振动。切向振动：有距离气液分离器越远，切向振动越剧烈的趋势；相位相近的点在压缩机振动中会几乎同时达到最大振幅。径向振动：上端振动下端振动中间振动。压缩机管路振动优化设计流程如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.10.022.F001图1压缩机管路振动的优化设计流程对压缩机管路按照图1的流程进行设计和优化：用三维建模软件建立压缩机及吸排气管路的装配体模型；用仿真分析软件分别对进气、排气管路进行模态分析；将管路模态频率与压缩机工作频率对比，判断是否优化管路并重新进行模态分析；将压缩机与吸排气管路整体进行谐响应分析；判断最大应力是否可接受，根据是否优化管路并重新进行模态分析；按流程重复优化和分析过程直到获得满意结果。2压缩机吸排气管路优化2.1管路初步设计建模和有限元分析前处理为简化设备的管路设计和装配制造过程，建模中暂不考虑配重块和减振胶的应用。对压缩机吸排气管路根据经验用Solidworks连接。为提高有限元分析计算速度，需要对模型进行简化处理，包括将压缩机顶部凸起、压缩机自带的气液分离器、压缩机上的附件等进行简化，删除管路上的传感器等零件。压缩机管路的初始设计模型及简化结果如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.10.022.F002图2压缩机管路初始设计模型及简化结果2.2管路模态分析及优化进行模态分析的目的主要是排除共振的风险，模态分析是进行其他动力学分析的前提[9]。分析前将吸气管路、排气管路分别创建成组件形式便于选择分组。将管路设置为管道单元，两端和支架处进行约束，得出分析结果。其中，两个系统的吸气管路为对称关系，仅取一组分析。管路模态分析结果如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.10.022.T001表1管路模态分析结果管路第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶吸气管（第一次）75.84110.30217.31320.09407.46548.42排气管1（第一次）10.4311.1525.2525.8829.8033.21排气管2（第一次）8.718.9426.7428.8854.2658.74排气管2（第二次）18.1419.7528.4929.2277.8597.25Hz在排气管2第一次模态分析中，第5阶和第6阶模态的频率接近压缩机的工作频率60 Hz，故考虑在管路中增加支架。经过多次尝试，在冷凝器端的倒数第二个直段上增加支架，可以改善模态分析的结果，且支架在该位置便于利用现有结构进行安装。2.3谐响应分析的边界条件和激励参数在本研究的双系统冷水机中，两个系统的吸气管共用一个板式换热器作为蒸发器，板式换热器与设备底座连接，两个系统各自连接一套冷凝器，冷凝器与设备框架连接。将管路设置为流道，压缩机设置为壳单元，橡胶底脚设置为实体单元。压缩机管路系统中连接冷凝器、蒸发器、设备框架和底座的单元，即吸、排气管末端、橡胶底脚底部、支架位置设置为固定约束，橡胶底脚侧面设置为只有垂直方向自由。压缩机管路振动分析通常涉及3种材质，即钢、铜和橡胶，材料振动分析主要参数如表2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.10.022.T002表2材料振动分析主要参数参数材料钢（压缩机）铜（吸、排气管）橡胶（底脚）弹性模量/MPa2.00×1051.01×10510.00密度/（kg/m3）7.8×1038.9×1038.6×102泊松比0.280.370.48屈服强度/MPa—205—疲劳强度/MPa—43.05—需要提前确定压缩机激励。该品牌压缩机厂商提供了压缩机工作频率60 Hz、吸排气温度都接近实际工况的状态下，压缩机上两点的振动加速度和振幅情况。根据压缩机的振动数据，可以用简化模型反推出一个合适的假定值作为压缩机激励，该假定值只对当前模型有效。2.4压缩机组件的谐响应分析及优化具备以上条件后，可以开始压缩机组件的谐响应分析。输入反推出的压缩机激励假定值，结果中将等效应力作为判断设计是否合格的主要依据，总变形作为参考依据判断是否出现干涉、由振动导致接触噪声等其他影响。系统1的等效应力最大值8.15 MPa远小于铜管屈服强度和疲劳强度，总变形最大值0.32 mm对设备无其他影响，故认为系统1设计合格；系统2的等效应力23.67 MPa远小于铜管屈服强度，是疲劳强度的55%，总变形最大值0.87 mm不确定影响，但应力与变形相比系统1均较大，故认为存在优化空间。根据出现最大值的位置，对系统2吸气管的折弯进行调整，远离管路两端的固定约束位置。再次进行模态分析，前6阶均未发现异常，继续进行谐响应分析，等效应力最大值为15.91 MPa，降低了32.8%，总变形最大值0.56 mm，降低了35.6%，可以认为该优化有效。3结语将优化后的管路设计应用到样机搭建中，并在焓差实验室运行压缩机的过程中贴片测试，应力结果虽然与谐响应分析结果存在最大36%的误差，但管路各位置的应力分布趋势基本一致，考虑到试验设备误差、模型简化误差、假设激励误差等因素，认为使用该优化方案可行。