家用立柜式空调器重心稳定性研究

王敏燕 陈君 刘仁东

摘要 本文从立柜式空调器倾覆原理出发，利用理论计算，分析出最佳立柜式空调的重心位置与支撑面的稳定性关系公式。再利用三维模型设置密度后来模拟重心位置，计算其稳定性关系。在通过安规的实验测试的方法进行验证。最后将模型模拟和试验结果进行对比，证明了立柜式空调的重心位置与支撑面的稳定性关系式的准确性。

关键词 骨架布局 重心位置 倾覆力矩 稳定性分析

Application of one way short pipe throttle valve in air conditioner

Wang Minyan，Chen Jun，Liu Rendong

（Ningbo AUX Electric Co. Ltd., 315100）

ABUSTRACT： Based on the overturning principle of the vertical cabinet air conditioner, this paper analyzes the formula of the relationship between the center of gravity position of the best cabinet air conditioner and the stability of the support surface. Then use the 3D model to set the density and then simulate the position of the center of gravity and calculate its stability relationship. The method of experimental testing through safety is verified. Finally, the model simulation and test results are compared to prove the accuracy of the relationship between the center of gravity position of the vertical cabinet air conditioner and the stability of the support surface.

KEYWORDS：Polystyrene Foam, Model Strain Rate, Constitutive, Packaging Drop

1 引言

随着社会经济发展，家用立柜式空调器越来越普及，其中，外形别致的圆形柜机更加受到消费者青睐。但是，立柜式空调器内机放置于地面上，重心较高时容易倾倒，在运输，安装过程中形成隐患，对消费者使用也带来不便。

本文从产品开发骨架布局（重心位置、出风口位置、支撑面大小等）着手，分析出最佳重心位置与支撑面的稳定性关系，增强可靠性，提高开发效率，提升产品质量及可靠性。

2 原理分析

2.1 倾覆力矩

倾覆力矩是指引起自行式机械倾覆的力矩，是倾覆载荷与倾覆力臂(倾覆载荷到倾覆边距离)的乘积[1]，用于衡量物体倾翻或稳定。

倾覆力矩是矢量，当等于0时，物体处于临界状态；当倾覆力矩为正时，力矩越大物体越稳定；当倾覆力矩为负时，物体失衡状态。

组合力矩：M= ∑ FH

2.2 稳定性关系

稳定系数定义为稳定力矩与倾覆力矩的比值[2] ，稳定系数是一个规定值，是断定物体的稳定性能。

稳定系数： k=M_稳/M_翻=1.11（外力）

倾翻力臂： H_翻=Hg/d=0.2 （静止）

2.3 柜机倾斜角度要求

根据国标GB 4706.1家用和类似用途电器的安全要求，柜机倾斜10°不倒；带电加热倾斜15°倒需满足安规相关试验[3]

3 解决措施

根据以上理论公式及安规要求，进行相关关系式建立，用于演算验证现有机型的稳定性判定，用于后续开发设计时使用。

3 .1建立关系式

组合力矩：

M=M_F+M_f+M_G=F×0+f×0+G×H_G

当HG=0时，物体倾翻，此时倾翻角=α

根据以上及下图2的三角函数关系，得出：

①L²=h²+r²

②Max角度：tan α =r/h

③Sin(α - θ)=H_G/L

根据①②③:

H_G=sin(tan^-1(r/h)- θ)×

稳定性关系式判断：

当θ=10°，H_G ≥ 0.2×2r

_{参数说明：}

M组合力矩；M

_F支撑力矩；M_f摩擦力矩； M_G重力力矩；F支撑力；f 摩擦力； G 重力； H_G重力力臂；α倾翻角度；θ倾斜角度；L旋转半径； h重心高度； R底座半径； RX、RY重心X Y方向与底座旋转边距离。

_{4 验证及分析}

4.1 模型模拟重心位置

采用Creo3.0软件对零件的密度进行修改，点击质量属性查看相关整机模型的重心位置：

图3：样机重心位置

4.2 公式计算

_{表2 整机模型模拟重心稳定性计算表}

机型	样机1	样机2	样机3
重心位置	(1.05, 21.62,-63.79)	(-9.4, 20.42,-90.16)	(0.33,- 0.39,-96.13)
模型质量	33kg	32.2kg	30.3kg
实际质量	35kg	33.25kg	32.88kg
重心与底座高度h	978	983	977
底座支撑半径r/rx/ry	212.5/210.32/190.88	215/204.63/194.38	218
倾翻角度α	12.26/12.14/11.04	12.34/11.76/11.19	12.56
倾斜10°的力臂HG	39.44/37.3/24.35	41.04/30.83/20.73	45.03
是否满足关系式 HG/r≥0.4	否 0.19/0.18/0.13	否 0.19/0.15/0.11	否 0.21
结论	倾斜10°不倒，但不稳定

根据模型模拟出的重心，及应用公式计算出的稳定性关系比值。表2中得出结论，计算出的结果均能满足倾斜10°的要求，但稳定性不足。从表中可看出样机3的稳定性较好。

4.3 实测数据

_{表3 历史试验数据表}

样机	稳定性试验报告	结论	备注
样机1	WT5-201801013	合格	倾斜角度10度合格，15度斜面下会倾倒，需在安放时加防倒链
样机2	WT5-201808150	不适用	未做
样机3	WT5-201605020	不合格	倾斜角度10、15度斜面均不合格

根据表3历史数据与模型模拟一致，稳定性较差，倾斜10°临界，样机1、样机3会出现不合格状态。

_{表4 柜机倾斜角度实测数据}

机型	底座d		前		后			左		右
			翘起高度	角度	翘起高度		角度	翘起高度	角度	翘起高度	角度
样机1	425		76	10.30	81		10.99	81	10.99	80	10.85
样机2	430		70	9.37	93		12.49	86	11.54	73	9.77
样机3	436		96	12.72	116		15.43	103	13.66	106	14.07
样机4	450	405	108	13.89		110	14.15	93	13.28	93	13.28

根据表4的实测数据进一步说明模型模拟的准确性，样机1、2的实际倾倒角度低于10°，即10°时出现倾翻现象，与历史数据不合格一致；而样机3满足10°要求。

_{表5 参数对标表格}

方案对标维度	样机1	样机2	样机3	样机4
风口高度	578	604	604	540
底座最大直径d	425	430	436	450
倾斜后尾端高度(实测)	76	70	96	108
倾翻角度	10.30	9.37	12.72	13.89
重心位置	978	983	977	910
倾翻力臂Hg	39.44	41.04	45.03	63.47
稳定性关系比值Hg/r	0.19	0.19	0.21	0.28
是否通过稳定性试验10°	否	否	是	是

根据表3、表4、表5得出，模型计算出的重心在满足稳定性关系式Hg=0.2r才可满足10°倾斜试验验证。

4.4 模拟调整

根据底座直径、重心高度20mm的间隔计算出的稳定性关系比值Hg/r，得出如下关系变化图。从关系图可看出底座的变化量对稳定性的影响比较大。故在设计时，可优先选择调整底座大小。

5. 结论

综上所述，得出如下结论：

（1）重心与底座的比值需满足倾斜10°时，重心力臂H_G≥0.2倍底座半径，最好满足0.4倍底座半径。

由计算公式得到模型模拟重心方法：

H_G=sin(tan^-1(r/h)- θ)×

稳定性关系式判断：

当θ=10°， H_G ≥ 0.2×2r

（2）三维模型计算出的重心在满足稳定性关系式Hg=0.2r即可满足10°倾斜试验验证。当柜机不增加配重的情况下，调整底座比调整重心更加易满足稳定性。

（3）计算工具表

_{表6 稳定性关系计算见下表}

1	C	D	E	F
2	参数		数据	备注
3	底座半径	r	230	输入值
4	重心高度	Hg	770	输入值
5	倾斜角度	θ	10	公司标准规定倾斜10°不倒
6	倾翻角度α	tan-1(R/h)	16.63	=DEGREES(ATAN(E3/$E$4))
7	旋转半径L	√(𝒉^𝟐+𝒓^𝟐 )	803.62	=SQRT(SUMSQ(E3,$E$4))
8	倾斜θ的力臂HG	sin(α- θ)×L	92.80	=(SIN(RADIANS(E6-E5)))*E7
9	稳定性关系式	Hg/r≥0.4	0.40	=E8/E3

_{表7 底座重心变量求解表}

1	C	D	E
2	变量求解		备注
3	底座半径r	217.0076713	变量：输入值
4	重心高度h	980	变量：输入值
5	稳定性判断Hg/r	=((SIN(RADIANS((DEGREES(ATAN(D3/D4)))-10)))*(SQRT(SUMSQ(D3,D4))))/D3	目标：见图8输入

参考文献

[1] 王国法，徐亚军，李丁一.大倾角综采工作面液压支架刚柔组合倾覆力矩平衡的支护原理及其应用[J]. 岩石力学与工程学报，2018，37(2)：4125–4132

[2] GB/T 3811-2008 起重机设计规范

[3] GB 4706.1 家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求

[4] 林忠明，陈忠辉，谢俊文，等. 大倾角综放开采液压支架稳定性分• 4132 • 2018 年 析 与 控 制 措 施 [J]. 煤 炭 学 报 ， 2004 ， 29(3) ： 264 – 268.(LIN Zhongming，CHEN Zhonghui，XIE Junwen，et al. Stability analysis and control measures of powered supports in greater inclined fully- mechanized coal seam[J]. Journal of China Coal Society，2004，29(3)：264–268.(in Chinese))

[5] 孔令海，姜福兴，王存文. 特厚煤层综放采场支架合理工作阻力研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(11)：2 312–2 318.(KONG Linghai，JIANG Fuxing，WANG Cunwen. Study of reasonable working resistance of support in fully-mechanized sublevel caving face in extra-thick coal seam[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering[J]. 2010，29(11)：2 312–2 318.(in Chinese))

通信作者简介：王敏燕，女，1988年5月生，本科，现任宁波奥克斯电气股份有限公司结构设计工程师一职，主要从事空调产品结构设计工作，电子邮箱[e-mail]。