1 室外机阀板结构优化设计

空调运行过程中室外机的主要激励源为压缩机，压缩机的振动能量通过四通阀管路、橡胶脚垫等结构向外传递，其中一条重要路径为：压缩机—四通阀管路—截止阀—阀板—右侧板。从传递路径可以看出压缩机的振动能量首先传递到阀板上，之后再传递到其他钣金件上。尤其是在空调制热模式运行时，制冷剂由压缩机排气口排出后直接流入截止阀，截止阀所受激励增大，同时截止阀阀体通过螺钉固定在阀板上，导致阀板受迫振动同步增大。因此对阀板结构进行优化设计进而减小阀板向其他钣金件传递振动能量是控制室外机噪声的一种有效手段。

当前我司空调产品使用的成熟阀板结构如图1所示，在此成熟结构基础上，本文设计了2种新型阀板结构。其中一种为将阀板与截止阀连接处凸起结构斜面由平面改为圆弧面，如图2所示。另一种为将上述凸起结构由单层改为双层，其中第一层凸起高度与成熟阀板保持一致（12 mm），第二层凸起高度分别为3 mm、6 mm、9 mm，如图3所示。阀板各方案编号对应的结构如表1所示，为了方便叙述下文均以方案号代替阀板具体结构。

图1 成熟阀板结构

图2 圆弧阀板结构材

图3 双层阀板结构

表1 阀板方案

2 钣金模态及响应仿真分析

2.1 阀板及右侧板模态仿真分析

借助计算机有限元仿真计算可以节省试验测试资源并缩短项目开发周期，本文使用仿真软件对上述多种阀板结构进行模态及谐响应仿真计算，理论上验证优化方案的减振效果。

阀板及右侧板的三维模型存在较多细小特征，如图4所示。这些细小特征一方面会影响前处理阶段网格划分的质量，另一方面简化去除这些细小特征对整体结构的仿真结果影响很小。因此在进行仿真计算前对仿真模型进行简化处理，简化后模型如图5所示。

图4 简化前三维模型

图5 简化后三维模型

室外机钣金件材质通常为镀锌钢板，仿真模型材料参数设置如表2所示。此外，在实际生产过程中，一般使用螺钉来固定外机钣金件，本文重点关注阀板及右侧板的振动状态，未建立其余钣金件模型，因此在阀板及右侧板预留螺钉孔处添加固定约束（Fixed Support）来模拟其整机条件下的约束状态。

表2阀板及右侧板仿真模型材料参数

另外，实际生产过程中阀板与右侧板之间通过多个螺钉固定在一起，本文将阀板预留螺钉孔表面与右侧板内表面贴合在一起，并将两者合成为一体，即认为阀板的振动能量100%传递至右侧板上。

仿真计算了上述5种阀板结构及右侧板的固频，固频频率如表3所示。通过查看各方案模态仿真云图及固频频率可知前10阶固频振型均在右侧板上，且各方案固频频率几乎一致，表明阀板结构的变化不影响右侧板固频频率。

表3阀板及右侧板仿真固频

2.2 阀板及右侧板谐响应仿真分析

为了验证阀板结构对传递至右侧板上振动能量的影响，仿真计算了上述5种方案的稳态受迫振动响应。仿真过程中，分别在阀板相同位置（与截止阀连接的螺钉孔处）添加方向相同的单位力，提取出各方案右侧板加速度响应曲线如图6所示。从中可以看出方案4阀板结构对传递到右侧板的振动能量衰减最多，相较于成熟阀板最大加速度响应降低约20%。上述两方案右侧板180 Hz变形、应力云图如图7、图8所示，可以看出相较于方案1，方案4右侧板最大变形量降低约45%，最大应力降低约47%。

图6 右侧板振动响应曲线

图7 右侧板180 Hz变形云图

图8 右侧板固180 Hz应力云图

3 钣金结构声辐射仿真分析

为了进一步验证方案4中右侧板的降噪效果，在有限元软件中，使用直接边界元法计算了方案1与方案4中右侧板的振动噪声。

声学仿真模型与上述模态仿真模型保持一致，阀板与右侧板材料属性也与表2一致。定义流体材料为空气，密度1.225 kg/m3，流体内声速340 m/s。并完全约束右侧板螺钉孔的6个自由度，如图9所示。在阀板与截止阀连接的4个螺钉孔处设置方向垂直右侧板外表面向外，大小为1 N的激励力，如图10所示。

图9 右侧板约束

图10 右侧板激励

使用声学有限元仿真软件计算振动辐射噪声时，软件会自动生成一个符合ISO声功率测试标准的场点，分别提取出方案1与方案4该场点的最大声压级，如图11所示。根据仿真结果可以看出，相较于成熟阀板，方案4阀板在200 Hz～400 Hz区间内最大声压级显著降低，其中370 Hz处声压级云图如图12所示，该频率声压级降低约16%。

图11方案1与方案4最大声压级曲线

图12 各方案370 Hz声压级云图

4 优化阀板结构减振试验验证

上文通过理论分析确定了双层阀板且第二层凸起高度为6 mm结构为最优减振方案，为了验证该方案实际减振效果，制作了该结构阀板样品，如图13所示。将成熟量产阀板方案1与优化阀板方案4阀板先后装配在同一台空调室外机上，测试了右侧板同一位置加速度振动值，测试数据如表4所示。其中压缩机运行频率为78 Hz时，应用两阀板方案时右侧板对应的加速度振动频谱如图14所示，根据测试频谱可以看出，使用方案4阀板结构后，相较于量产方案1结构，右侧板振动加速度总值降低了约12.4%。

图13 方案4阀板样件

表4方案1与方案4右侧板振动加速度测试数据

图14 压缩机运行频率78Hz右侧板振动加速度频谱

5 结论

本文针对空调室外机钣金结构减振、降噪问题，提出了4种新型阀板结构，并通过有限元仿真软件验证了上述4种阀板结构对右侧板减振、降噪的影响。结论如下：

(1）方案4：双层阀板且第二层凸起高度为6 mm结构对右侧板减振效果最明显，仿真结果表明，在相同约束及激励条件下，相较于原结构，方案4中右侧板在0～200 Hz区间内最大加速度响应降低约20%，应力响应降低约47%，变形响应降低约45%。试验实测右侧板加速度振动值降低约12%。

(2）使用直接边界元法计算了方案4中右侧板的振动噪声，仿真结果表明：相较于原结构，方案4中右侧板振动噪声的声压级在200 Hz～400 Hz区间内显著降低，最大可降低约16%。在370 Hz时具有最大降幅约12.9 d B。