論文價值的評定意見：
振動噪聲是空調設備重要技術性能指標，其中，旋轉式壓縮機的橡膠墊是壓縮機的主要減振元件，設計優化其減振性能是橡膠底腳匹配設計的工作重點。該論文以旋轉式壓縮機橡膠墊減振系統分析及穩健性設計為主題開展相關研究，基於響應面法分析了不同結構橡膠墊結構參數對減振能力的影響，結合某機型橡膠墊減振失效問題進行了研究，設計了新結構橡膠墊，有效降低了橡膠墊使用過程中減振失效的概率。本論文的研究工作對於壓縮機減振墊匹配設計有一定的借鑑意義。
王潮 范羽飛
廣東美芝製冷設備有限公司
摘要
Abstract
為分析橡膠墊結構參數對其減振能力的影響，基於響應曲面法建立了各結構參數對橡膠墊剛度的數學模型，分析了各結構因子對剛度的影響規律。探討了橡膠墊在實際使用條件下的減振失效機理，提出了一種考慮穩健性的新型橡膠墊結構。與常規結構相比，該結構在不影響原有減振能力的前提下，可有效降低橡膠墊使用過程中減振失效的概率，提高橡膠墊的減振可靠性。
關鍵詞
Keywords
減振能力；響應曲面；減振失效；穩健性
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.01.006
0 引言
振動噪聲是衡量空調系統優劣的關鍵指標之一。作為重要的減振元件，壓縮機橡膠墊的設計合理與否直接關係到整個空調的振動和噪聲水平。岑蘭等[1]根據壓縮機重量及頻率計算了橡膠墊的尺寸及材料參數；申孟亮[2]對比了不同材料的橡膠墊在同一系統的測試結果，說明了橡膠墊材料與空調系統噪聲的關係；陳英強等[3]提出了一種彈簧與橡膠相結合的橡膠墊結構，該結構可顯著改善系統噪聲；李顯等[4]建立了壓縮機橡膠墊熱氧老化數學模型，分析了熱氧老化對橡膠墊動態特性的影響。
當前關於壓縮機橡膠墊對減振性能的影響已有一定的分析與結論，但尚缺乏橡膠墊具體結構尺寸對減振性能的量化分析。另外，在實際空調系統噪聲案例中，有大量噪聲問題的產生是由於跌落、運輸、製造誤差或壓縮機安裝不當等引起橡膠墊與底盤螺柱接觸，橡膠墊減振失效所致。這種考慮實際安裝條件下的橡膠墊減振失效還鮮有研究。
本文基於響應曲面法建立了結構參數對橡膠墊剛度的數學模型，分析了各參數對剛度的影響規律，該規律可用來指導橡膠墊設計。並探討了橡膠墊在實際使用條件下減振失效的機理，提出了一種考慮穩健性的新型橡膠墊結構。試驗表明，該結構橡膠墊相較於常規橡膠墊具有更強的穩健性。
1 橡膠墊結構因子分析
1.1 橡膠墊參數化建模
根據隔振原理，當頻率比s（激勵頻率f與系統固有頻率fn之比）大於時，系統起到隔振效果。在此基礎上，頻率比s越大，隔振效果越好。在激勵頻率不變的前提下，頻率比s由系統固有頻率決定。進一步地，壓縮機系統固有頻率受橡膠墊剛度影響。即，在僅將橡膠墊剛度作為變量的壓縮機系統中，橡膠墊剛度越小，系統固有頻率越低，隔振效果越好。因此，本節將橡膠墊剛度作為衡量其減振性能的關鍵指標，研究結構因子對剛度的靈敏度，以指導橡膠墊設計。
本文選取以下兩類常見結構的橡膠墊作為研究對象，並將其結構參數作為設計變量，如圖1、2所示。各變量取值範圍如表1、2所示。
為保持橡膠墊幾何結構的完整性，A型結構橡膠墊應滿足式組（1）的約束關係；B型結構橡膠墊應滿足式組（2）的約束關係。
1.2 響應面模型
鑑於橡膠墊參數化模型變量較多，採用正交試驗設計恐難以得到滿足精度要求的模型。故本文採用均勻設計試驗法，在設計空間中生成200個樣本點，響應變量（軸向剛度K1與切向剛度K2）由有限元模型計算得出，採用Kriging法構造響應面模型。在此僅詳述A型結構橡膠墊建模過程。由於A型橡膠墊較多的設計參數，其響應面模型應為一個10維的超曲面。為直觀表示，在此僅以一個三維曲面表示該模型，其餘未列出參數保持恆定值。A型橡膠墊剛度響應面模型如圖3、4所示。
為校驗模型精度，隨機生成5個樣本點作為擬合模型檢驗點，比較擬合值與真實值（有限元計算結果），驗證模型精度。由表3可知，5個樣本點最大擬合誤差僅為4.9%，滿足精度要求。
1.3 結構因子對剛度的影響分析
1.3.1 A型結構分析
基於上述響應面模型，分析各結構因子對剛度的靈敏度，如圖5、6所示。
由圖5，對於A型結構，9個結構因子中，高度H與壁厚T對切向和軸向剛度靈敏度最高。高度H與剛度呈負相關，厚度T與剛度呈正相關。其餘因子對剛度的影響相對較小。因此，在A型橡膠墊的結構設計中，為了得到較低的剛度，可適當減小壁厚，增大高度。
1.3.2 B型結構分析
由圖6，對於B型結構，各設計因子中，對剛度靈敏度較高的參數依次有：下彎位孔徑l3、上彎位孔徑l1、壁厚T、中彎位孔徑l2。其中，l3、l1與剛度呈負相關，T與剛度呈正相關。並且，A型橡膠墊軸向剛度K2結構參數靈敏度明顯普遍大於切向剛度K1。也就是說，該種結構橡膠墊的結構變化對軸向剛度影響更大。與其他結構橡膠墊相比，該種結構軸向剛度一般較低。但是，過低的軸向剛度可能會帶來失穩等可靠性問題。
在B型橡膠墊設計中，為了得到較低的剛度，可增大尺寸l3、l1，減小壁厚T。但是，尺寸l3、l1在實際生產時有諸多限制，一般要滿足l3-l2≤2mm，否則會導致脫模困難等問題。
2 橡膠墊結構穩健性設計
2.1 橡膠墊失效機理分析
在實際空調系統噪聲案例中，有大量問題是跌落、運輸、裝配誤差等因素導致的。此時壓縮機在管路拉力、壓縮機迴轉力矩、螺柱形變擠壓力等多種載荷作用下，迴轉軸心可能會產生一定偏移，進而導致橡膠墊內孔與螺柱產生接觸。當切向的接觸力達到一定程度，即所謂「硬接觸」後，橡膠墊即會發生減振失效現象，此時空調系統噪聲顯著惡化。如圖7所示，為市場上常見的橡膠墊減振失效現象。
圖8為常見的橡膠墊在空調系統的安裝示意圖。螺柱與系統底盤為一體式結構，橡膠墊安裝在底盤螺柱上，且橡膠墊頂端不與螺帽產生接觸。壓縮機通過底座安裝在橡膠墊上，避免了與系統的直接接觸。在空調系統實際使用過程中，橡膠墊在各種載荷的作用下可能與螺柱發生接觸，此時橡膠墊剛度會發生明顯的變化。如圖9所示，在橡膠墊未與螺柱產生硬接觸時，切向剛度的變化較小，此時螺柱橡膠墊變形雲圖如圖10所示，橡膠墊處於完全形變階段；隨著切向載荷的進一步增大，橡膠墊開始與螺柱產生硬接觸，此時橡膠墊狀態如圖11所示，橡膠墊剛度迅速增加。
所謂橡膠墊與螺柱產生「硬接觸」，主要是指壓縮機底座與橡膠墊的直接接觸區域與螺柱產生硬接觸，如圖12所示。該區域與螺柱產生接觸後，會迅速降低橡膠墊的切向變形，即切向剛度增大。
橡膠墊剛度增大後，從「源-路徑」角度分析如下：
（1）源：橡膠墊剛度增大後，壓縮機剛體模態頻率提高，壓縮機振動有惡化風險，即對振源不利。
（2）路徑：正常狀態下，壓縮機到系統主要的振動傳遞路徑為（此處不討論管路影響）「壓縮機底腳-橡膠墊-系統底盤-系統面板」。
橡膠墊與螺柱硬接觸後，振動傳遞路徑除上述外，新增了「壓縮機底腳-橡膠墊-螺柱-系統底盤-系統面板」。
因此，當橡膠墊與螺柱硬接觸時，振源與傳振路徑均產生不利影響，系統噪聲相應惡化。此時橡膠墊無法起到應用的減振隔振效果，即發生減振失效。
2.2 橡膠墊新型結構設計及分析
2.2.1 橡膠墊新型結構設計
為解決2.1節提到的橡膠墊減振失效問題，在A型橡膠墊結構的基礎上，上部或中部增加一小凸台結構，如圖13所示。應注意的是，若上部增加凸台結構需保證上部凸台下邊緣與橡膠墊支撐面間距l應大於壓縮機底座厚度。該種設計可緩解底座與橡膠墊接觸區域與螺柱的接觸程度,具有更強的抵抗螺柱與橡膠墊硬接觸的能力，減振失效概率更小，穩健性更強。
2.2.2 橡膠墊性能對比
（1）橡膠墊切向力與切向剛度對比
如前所述，在空調系統多種載荷的作用下，橡膠墊會受到一定的切向力作用。在切向力大到一定程度時，橡膠墊會與螺柱產生硬接觸。即，在壓縮機運行時，橡膠墊在受到動態的迴轉力矩的同時，還會受到一個穩態的切向預緊力作用。為模擬該點，對兩種結構橡膠墊施加相同預緊力（該力使常規橡膠墊與螺柱處於臨界的硬接觸狀態），在此基礎上，比較兩種結構在不同切向力下的切向剛度，如圖14所示。可以看到，在相同預緊力作用下，兩種結構橡膠墊切向剛度均隨切向力的增加而增加，且新型結構的橡膠墊剛度始終小於常規橡膠墊切向剛度。
（2）螺柱傾斜狀態下橡膠墊剛度對比
兩種結構橡膠墊在螺柱傾斜狀態下的剛度計算結果如圖15所示。可以看出，常規橡膠墊在螺柱傾角0°、2°時，切向剛度一致，這表示2°螺栓傾角下，螺柱還未與橡膠墊發生接觸。在螺柱傾角2°時，新型結構橡膠墊剛度大於常規橡膠墊，這是因為新型結構橡膠墊孔徑更小，在2°傾角下與螺柱發生接觸。在傾角4°、5°時，常規橡膠墊剛度均大於新型結構橡膠墊，這表明在該傾角下，常規橡膠墊已與螺柱發生硬接觸，新型結構橡膠墊由於凸台結構的緩衝效果，其變形量大於常規橡膠墊。
（3）相同衝擊力矩下橡膠墊對應螺柱的變形量在跌落、運輸等工況下，螺柱會受到來自壓縮機的衝擊力矩，該力矩可能使螺柱產生一定的傾斜變形。為模擬該工況，在螺柱底部施加一定的扭轉力矩，計算不同結構橡膠墊下螺柱的變形，結果如圖16所示。可以看出，在不同衝擊力矩下，新型結構橡膠墊對應的螺柱變形均小於常規橡膠墊對應的螺柱變形。
3 試驗驗證
基於某空調系統，分別搭載常規量產結構橡膠墊、優化新結構橡膠墊，對系統進行振動測試，具體測點布置如圖17所示。
為模擬實際條件下系統螺柱產生的偏斜，手動將螺柱傾斜約5°傾角，壓縮機與螺柱產生了一定程度的接觸，在此狀態下，再次測試兩種橡膠墊搭載系統的振動。圖18和圖19分別是兩種狀態下系統的振動對比情況。可以看出，正常狀態下，新結構橡膠墊表現優於常規結構橡膠墊；在螺柱傾斜的異常狀態下，常規橡膠墊振動惡化相對較大，發生失效或部分失效，新結構橡膠墊振動惡化則較小，兩者差距進一步拉大。
壓縮機橡膠墊設計不僅直接影響空調系統的振動水平，同時還關乎空調系統的可靠性，尤其對空調系統的跌落測試有較大影響。鑑於此，對新結構橡膠墊搭載空調系統進行跌落測試，試驗結果如圖20、21所示。如圖可知，跌落後系統內部管路等附件、系統底盤無明顯變形，壓縮機無明顯傾斜，跌落測試合格。
4 結論
（1）本文基於響應面法分析了兩種結構橡膠墊各結構參數對減振能力的影響規律。對於A型結構橡膠墊，高度H與壁厚T是影響橡膠墊減振能力的關鍵參數；對於B型結構橡膠墊，下彎位孔徑l3、上彎位孔徑l1、壁厚T是影響橡膠墊減振能力的關鍵參數。該結論可用於指導橡膠墊結構設計。
（2）在實際使用條件下，橡膠墊減振失效機理為：橡膠墊與螺柱發生硬接觸，剛度急劇升高，壓縮機（振源）振動有惡化風險，壓縮機至系統的振動傳遞路徑增多。
（3）本文提出的新結構橡膠墊可有效降低橡膠墊使用過程中減振失效的概率，具有更強的穩健性。
參考文獻
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（責任編輯：張晏榕）