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轨道交通环境-投影机恒温箱自身的振动影响与性能分析（四）
为投影机配备的恒温箱，虽然其初衷是为了提供一个稳定、洁净的运行环境，但箱体内部的制冷系统本身却是一个不容忽视的内部振动源。特别是其心脏部件——压缩机组，在运行过程中会产生显著的机械振动。如果恒温箱的结构设计或减振措施不当，这种“自激振动”将直接传递给其内部的投影机，可能完全抵消甚至超过外部环境振动所带来的影响，对投影机的稳定运行构成直接威胁。本章节将深入分析压缩机的振动产生机理，建立其与投影机之间的耦合动力学模型，并评估不同减振设计的效果。
来源:原创 | 作者:纱伽 | 发布时间: 2025-12-06 | 29 次浏览 | 分享到:

4.1 压缩机振动产生机理

恒温箱通常采用压缩式制冷循环，其核心部件包括压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置。其中，压缩机是循环的动力源，其作用是吸入来自蒸发器的低温低压气态制冷剂，并将其压缩成高温高压气态，送往冷凝器。压缩机的类型多种多样，在小型恒温制冷设备中，最常见的有往复式压缩机和涡旋式压缩机。

往复式压缩机的振动主要来源于其运动机构的机械不平衡和动力冲击：

  • 旋转不平衡：压缩机曲轴、电机转子等旋转部件的质量中心与旋转中心不重合，在高速旋转时会产生离心惯性力，其大小与转速的平方成正比，引起机体的周期性晃动。

  • 往复运动惯性力：活塞在气缸内作高速往复直线运动，其加速度时刻在变化，从而产生沿气缸轴线方向的往复惯性力。这种惯性力的大小和方向都呈周期性变化，是引起机体振动的主要根源之一。

  • 气体压力脉动：压缩机在吸、排气过程中，气阀的开启和关闭会使管道内的气体压力产生剧烈的脉动，形成气体的流体动力激励，从而引发管道和机体的振动。

  • 阀片敲击：吸、排气阀片在开启和关闭的瞬间会与阀座发生敲击，产生高频的冲击力，激发机体和连接管道的高频振动。

涡旋式压缩机的结构更为紧凑，运动部件的旋转运动相对平稳，其振动源主要是旋转部件的动不平衡以及少量气体脉动，其振动水平通常低于往复式压缩机。然而，无论何种类型的压缩机，其工作转速通常在 1000 rpm 到 3000 rpm 之间，换算成频率为 16.7 Hz 到 50 Hz。这个频率范围恰好与列车运行引发的环境振动的主要频率范围（10-80 Hz）有重叠，特别是低频部分。这意味着，如果压缩机振动与外部环境振动发生频率耦合，可能会产生更强烈的共振响应。

4.2 振动传递模型与耦合效应

我们可以将恒温箱内的振动传递简化为一个两自由度系统，如图所示：

[压缩机] -- k_{c} , c_{c}            [恒温箱箱体] -- k_{m} , c_{m}               [投影机] -- m_{p} (投影机质量)

[内部激励]-- F_{c}(t)           [内部激励]-- F_{m}(t)

  • m_{p}是投影机的质量

  • k_{m} , c_{m}是投影机与恒温箱箱体之间的安装界面的等效刚度和阻尼

  • k_{c} , c_{c}是压缩机组与恒温箱箱体之间的安装界面的等效刚度和阻尼

这个系统存在两个主要的内部激励：

1.  `F_{c}(t)`：压缩机自身产生的激振力，其频率 ` f_{c} ` 主要集中在运行转速频率及其倍频上。

2.  `F_{m}(t)`：箱体在 `F_{c}(t)` 的激励下发生振动，其振动通过安装界面传递给投影机，从而对投影机产生一个间接的激励力。这个力的频率与箱体的振动频率（即 `F_{c}(t)` 的频率）相关。

这两个激励力共同作用于投影机上，使其产生响应。这种情况下，系统可能发生复杂的“动力吸振”或“共振耦合”现象。例如，如果压缩机的激振频率 `f_{c}` 恰好等于投影机安装在其上的那个“质量-弹簧”子系统（`m_{p}, k_{m} , c_{m}`）的固有频率，那么即使 `F_{c}(t)` 本身不大，也可能引发投影机的剧烈共振。

这个模型也揭示了减振设计的两个关键环节：

  • 环节一：压缩机-箱体界面减振。这是主动隔振，目标是将`F_{c}(t)` 尽可能多地隔绝在压缩机本身，防止其传递到整个箱体。通常采用橡胶减振器或弹簧减振器来支撑压缩机。

  • 环节二：投影机-箱体界面减振。这是被动保护，目标是在压缩机振动已经传递到箱体的情况下，进一步隔离其对投影机的影响。这同样可以通过在投影机与箱体安装面之间增加弹性衬垫或减振胶来实现。

4.3 减振效果量化分析

我们同样可以通过传递率公式来量化减振效果。假设压缩机传递到箱体的力为 ` F_{c} `，箱体传递到投影机的力为 ` Fm `，那么力传递率 ` T_{f} ` 为 ` Fm/Fc `。对于一个简单的单自由度隔振系统，力的传递率 ` T_{f} ` 与位移传递率 ` T_{d} ` 的表达式是相同的：


T_f = sqrt( (1 + (2ζr)^2) / ((1 - r^2)^2 + (2ζr)^2) )


假设压缩机的工作频率为 `f_{c} = 30 Hz`。我们比较两种压缩机安装方式：

  • 刚性安装：压缩机直接通过螺栓固定在金属支架上，其与箱体的连接刚度非常高。此时，系统的固有频率 `f_{n}` 也会很高，假设 `f_{n} = 80 Hz`。

  • 弹性安装：压缩机通过4个橡胶减振器安装在箱体上。橡胶减振器显著降低了系统刚度，假设此时系统的固有频率`f_{n}= 8 Hz`。

刚性安装:

频率比:

r = f_c / f_n = 30 / 80 = 0.375


T_f = sqrt( (1 + (20.050.375)^2) / ((1 - 0.375^2)^2 + (20.050.375)^2) ) ≈ sqrt(1 / (0.609^2 + 0.0014)) ≈ sqrt(1 / 0.372) ≈ 1.64

` T_{f}> 1` 表明，系统工作在“放大区”，不仅没有起到隔振作用，反而放大了振动。这是非常不利的。

弹性安装:

频率比:

r = f_c / f_n = 30 / 8 = 3.75


T_f= sqrt( (1 + (20.053.75)^2) / ((1 - 3.75^2)^2 + (20.053.75)^2) ) ≈ sqrt( (1+0.1406) / (13.14+0.1406) ) ≈ sqrt(1.1406 / 13.28) ≈ 0.293

`T_{f} < 1` 表明，系统工作在“隔振区”，有效地隔离了约70.7%的振动能量。

这个计算清晰地表明，为压缩机设计一个固有频率远低于其工作频率的弹性安装基础，是抑制其振动传递的关键。国家标准《容积式压缩机机械振动测量与评价》（GB/T 7777-2021）中，根据振动速度有效值将压缩机的振动烈度分为A（优）、B（良）、C（合格）三个等级 [8]。一个设计优良的恒温箱，其压缩机本身的振动等级应达到A级，并且通过有效的弹性安装，使得传递到投影机的振动水平被控制在可接受的范围内。

4.4 仿真分析与优化建议

利用FEA软件，可以对恒温箱进行详细的动力学分析和优化。具体步骤如下：

1.  建立模型：在FEA软件中建立恒温箱的完整装配体模型，包括箱体、压缩机、冷凝器、蒸发器、风扇以及内部的投影机。为每个部件赋予正确的材料属性。

2.  模态分析：对整个装配体进行模态分析，计算其前几阶固有频率和振型。检查是否存在固有频率过低（接近压缩机激励频率）或过高（可能导致局部应力集中）的情况。同时，观察振型，判断是哪个部件或区域的变形最大。

3.  谐响应分析：在压缩机的安装螺栓孔或底座上施加一个单位简谐力，频率范围覆盖其可能的工作频率（如10-60Hz），分析箱体和投影机关键点的响应。这可以直接展示出在哪些频率下振动传递最严重。

4.  结构优化：根据分析结果进行优化。例如，如果发现箱体在压缩机激励频率下变形很大，可以通过增加加强筋、改变板材厚度或改变结构布局来提高其局部刚度，从而提高该阶模态频率，避开激励频率。如果力传递率过高，可以优化压缩机减振器的位置和刚度，或者为投影机设计独立的弹性减振底盘。

改进建议：

  • 选择低振动压缩机：在选型时，优先选择动平衡性能好、运行平稳的涡旋式压缩机，或采用双层减振结构的压缩机。

  • “浮筑”设计：将投影机安装在一个独立的、带有减振器的“浮筑”底盘上，形成第二道减振防线。这个底盘的固有频率应设计得非常低（如<5Hz），以获得宽频带的隔振效果。

  • 隔振器选型与布置：根据压缩机和投影机的重量，精确计算和选择隔振器的型号和数量，确保其在工作负载下能达到设计的固有频率。隔振器的布置应尽量使其刚度中心与设备重心重合，避免产生附加的力矩。

  • 管道柔性连接：压缩机的吸、排气管路应采用金属软管等柔性连接，以隔离通过管道传递的振动。

综上所述，恒温箱的压缩机是其内部一个关键且不容忽视的振动源。其振动特性与投影机的工作环境可能产生复杂的耦合效应。必须通过系统性的动力学分析，采用“源头控制”（压缩机自身和安装）、“路径隔离”（箱体结构设计和内部减振）相结合的策略，才能有效抑制其负面影响，为投影机提供一个真正“宁静”的运行环境。