某大型裝備液冷機(jī)組振動測試及減振優(yōu)化

王曉紅，彭超

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088; 2.國家級工業(yè)設(shè)計中心，合肥 230088）

液體冷卻是目前解決裝備總熱量和熱流密度都較高的散熱問題的有效熱控制方式之一[1-3]，大型裝備往往采用液冷機(jī)組作為附屬保障設(shè)備[4]。液冷機(jī)組冷卻和循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)包含了一些大功率旋轉(zhuǎn)運(yùn)動設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，工作時這些設(shè)備產(chǎn)生的振動會傳遞給安裝平臺和連接管路，給裝備可靠性和安裝平臺上工作人員的舒適性帶來負(fù)面影響[5-6]。如何減少這些不利影響，是液冷機(jī)組設(shè)計和使用時必需解決的問題。

筆者以某大型裝備的液冷機(jī)組為研究對象，對裝機(jī)液冷機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行振動測試，并對振動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估其對安裝平臺上工作區(qū)域人員舒適性的影響。測試結(jié)果表明，測試工況下工作區(qū)域人員舒適性不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)現(xiàn)場條件，對機(jī)組現(xiàn)有減振措施進(jìn)行優(yōu)化，降低機(jī)組振動對工作區(qū)域的影響。減振優(yōu)化后，再次進(jìn)行振動測試與分析，驗證減振優(yōu)化設(shè)計的有效性。

1 液冷機(jī)組概況

某大型裝備的液冷機(jī)組，主要由1個增壓單元、6個制冷單元、1個儲液單元、多組液冷管網(wǎng)及相關(guān)附件組成，安裝在鋼制裝備平臺的兩側(cè)，見圖1。該液冷機(jī)組在工作時，其內(nèi)部增壓泵、制冷壓縮機(jī)的不平衡轉(zhuǎn)動、風(fēng)機(jī)的氣動、以及液冷管道內(nèi)部的流體脈動都會產(chǎn)生振動，這些振動將會通過液冷機(jī)組安裝面，傳遞到裝備平臺上，引起平臺振動。為減小振動對平臺上工作區(qū)域人員的舒適性的影響，在前期設(shè)計時采取了相應(yīng)的減振降噪措施，如選用振動性能好的品牌電機(jī)、壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)等，減小振源強(qiáng)度[7-8]；選用隔振墊，進(jìn)行被動隔振[9-10]，減少液冷機(jī)組傳遞到平臺上的振動。

圖1 液冷機(jī)組布置簡圖Fig.1 Location diagram of the liquid cooling system

制冷單元和增壓單元中所有設(shè)備均采用焊接或法蘭連接安裝在尺寸為4.5 m（長）×2.438 m（寬）×2.75 m（高）的方艙內(nèi)，每個單元總質(zhì)量約10 500 kg，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2970 r/min。單元方艙底部與安裝平臺之間鋪設(shè)有橡膠隔振墊，衰減傳遞到平臺上的振動。

2 振動測試及分析

裝備安裝調(diào)試階段，現(xiàn)場工作人員反應(yīng)液冷機(jī)組開機(jī)時，安裝平臺振感明顯。為了解液冷機(jī)組振動情況，并進(jìn)一步對工作人員的健康影響和工作舒適性進(jìn)行評估，對液冷機(jī)組開展振動響應(yīng)測試，獲取其振動響應(yīng)量級的大小、主要峰值頻率等信息，評估其工作舒適性。

2.1 振動測試系統(tǒng)及測點(diǎn)

振動測試系統(tǒng)由動態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、三向加速度傳感器、安裝數(shù)據(jù)采集與分析軟件的筆記本工作站及若干信號線纜組成[11]。

根據(jù)現(xiàn)場安裝狀態(tài)，并考慮液冷機(jī)組可測試工況、測試周期，選擇在增壓單元和靠近增壓單元的重點(diǎn)工作區(qū)域5和區(qū)域6進(jìn)行布點(diǎn)測試。

增壓單元與安裝平臺間有6個安裝點(diǎn)，在增壓單元底部安裝點(diǎn)處的主梁和對應(yīng)的安裝平臺位置上各取6個測點(diǎn)，共計12個測點(diǎn)，見圖2。主梁測點(diǎn)（UP i）和平臺測點(diǎn)（DOWN i）一一對應(yīng)，兩者之間隔著隔振墊。主梁測點(diǎn)主要測試增壓單元增壓泵傳遞到主梁的振動響應(yīng)；平臺測點(diǎn)主要測量振動經(jīng)由主梁和隔振墊后傳遞到平臺上的振動響應(yīng)。每個測點(diǎn)測試X、Y、Z三個方向。

圖2 增壓單元測點(diǎn)Fig.2 Measuring points of the pressurized unit

在靠近增壓單元的重點(diǎn)工作區(qū)域5和區(qū)域6選擇5個有代表性的位置布置響應(yīng)測點(diǎn)，其中G5-D1在工作區(qū)5內(nèi)部的平臺底板梁上，G5-U1為與G5-D1對應(yīng)的正上方的架高地板上；G6-D1、G6-D2在工作區(qū)6內(nèi)部的平臺底板梁上，G6-U1和G6-U2為與G6-D1和 G6-D2對應(yīng)的正上方的架高地板上。部分測點(diǎn)詳圖見圖3。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

處理分析測試數(shù)據(jù)，部分測試曲線見圖4。可以看出增壓單元主梁上測點(diǎn)的振動能量主要集中在49.5、99.8、148.5、248.5、298.5、595.0 Hz 附近，其它頻率處峰值不明顯。

圖3 部分測點(diǎn)詳圖Fig.3 Detail of some measuring points:(a) G6-D1 measuring point; (b) G6-U1 measuring point

圖4 增壓單元測試曲線Fig.4 Test curves of the pressurized unit

增壓單元中的主要動力源為增壓泵，計算其轉(zhuǎn)頻[12]：

式中：n為增壓泵轉(zhuǎn)速，r/min。

分析發(fā)現(xiàn)振動能量集中的頻率與增壓泵的轉(zhuǎn)動頻率及其倍頻吻合。結(jié)合其它頻率處峰值不明顯的特征，得出如下結(jié)論：增壓單元底部主梁的振動主要由增壓泵引起，增壓單元箱板等結(jié)構(gòu)振動的影響較小。

提取各測點(diǎn)的均方根加速度，其中增壓單元各測點(diǎn)的均方根加速度見表1。從表1可以看出，測點(diǎn)DOWNi的量值均小于對應(yīng)測點(diǎn)UPi的量值，表明振動經(jīng)過隔振墊后得到了衰減。根據(jù) GB/T 13441.1-2007標(biāo)準(zhǔn)，計算工作區(qū)域各測點(diǎn)的振動量值，見表2。由表2可以看出，工作區(qū)域測點(diǎn)的振動量值最大為0.627 m/s2，出現(xiàn)在G6-D1測點(diǎn)的Y向；工作區(qū)域架高地板上的振動量值的最大值為0.555 m/s2，出現(xiàn)在G6-U1測點(diǎn)的Z向。GB/T 13441.1-2007規(guī)定，當(dāng)振動量值小于0.315 m/s2時，人員感覺不到不舒適；當(dāng)振動量值大于0.315 m/s2且小于0.63 m/s2時，人員感覺有點(diǎn)不舒適；當(dāng)振動量值大于 0.5 m/s2且小于1 m/s2時，人員感覺相當(dāng)不舒適[13]；工作區(qū)域地板上測點(diǎn)的振動量值最大為0.555 m/s2，處于相當(dāng)不舒服區(qū)間，當(dāng)人員在此工作區(qū)域內(nèi)工作時，會感覺到相當(dāng)不舒適。

表1 增壓單元各測點(diǎn)的響應(yīng)Tab.1 Response of each measuring point in pressurized unit

表2 工作區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的振動量值Tab.2 Vibration magnitude of each measuring point in workspace

3 減振優(yōu)化

基于工作區(qū)域振動量值偏大，影響人員舒適性的問題，對機(jī)組現(xiàn)有減振措施進(jìn)行優(yōu)化，降低機(jī)組振動對工作區(qū)域的影響。

振動控制是在結(jié)構(gòu)的特定部位設(shè)置某種裝置、結(jié)構(gòu)或施加外力，改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性或動力作用，使結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)得到合理的振動控制效果，確保結(jié)構(gòu)本身和結(jié)構(gòu)中的人員、儀器、設(shè)備等正常工作。振動控制主要可以分為主動控制、半主動控制和被動控制三類。

主動控制是由外部提供控制所需要的能源，驅(qū)動作動器加載與結(jié)構(gòu)振動方向相反的控制力來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動控制。主動控制明顯的缺點(diǎn)是使用成本和維護(hù)成本比較高。

半主動控制不需要外部能源輸入控制力，是通過改變系統(tǒng)中性能可調(diào)的元器件（智能元器件）的實時性能來實現(xiàn)減振。其缺點(diǎn)是可調(diào)元器件的動力學(xué)性能有本質(zhì)的強(qiáng)非線性，需要單獨(dú)開發(fā)復(fù)雜的控制器。

被動控制是通過改變結(jié)構(gòu)的阻尼、質(zhì)量和剛度等動力特性來重新構(gòu)造結(jié)構(gòu)，或者通過在結(jié)構(gòu)上安裝特殊的裝置吸收和消耗振動能量來實現(xiàn)減振。被動隔振技術(shù)簡單、性能可靠，對高頻振動減振效果明顯。

大型裝備液冷機(jī)組的增壓單元和制冷單元自重達(dá)10 t，采用主動控制和半主動控制使用成本很高，且技術(shù)復(fù)雜；而被動隔振結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高且不需要額外消耗外界能源[14]，更適用于大型機(jī)組的減振控制。

原減振方案采用的是被動隔振技術(shù)，在制冷單元和增壓單元方艙底部四周主梁下面鋪設(shè)橡膠隔振墊（見圖5），其具有價廉、結(jié)構(gòu)簡單、隔振效果較好等優(yōu)點(diǎn)[15]。然而，被動隔振技術(shù)也有一定的局限，根據(jù)振動理論[16]，只有振動頻率大于隔振系統(tǒng)固有頻率倍時，隔振系統(tǒng)才會產(chǎn)生隔振效果[17-18]。因此在進(jìn)行被動隔振設(shè)計時，需要特別關(guān)注頻率比設(shè)計。原減振方案采用的隔振墊為WJ-60型船用隔振墊，其具體參數(shù)見表3。

圖5 原減振方案隔振墊鋪設(shè)示意Fig.5 Diagram of cushion in original isolation scheme

表3 WJ-60型隔振墊參數(shù)Tab.3 Parameters of WJ-60 vibration isolation cushion

原減振方案隔振墊總承載面積為：

單位面積載荷為：

式中：G為增壓單元質(zhì)量，kg。

隔振系統(tǒng)頻率為：

式中：f0為自振頻率，Hz;P0為相應(yīng)的垂直單位額定載荷，kg/cm2。

頻率比：

根據(jù)振動傳遞率曲線[19-21]，當(dāng)時，傳遞率大于1，這時振動不僅不會被減弱，反而會被放大。既原減振方案中，隔振墊對液冷機(jī)組的第一個振動峰沒有起到衰減作用，但對頻率大于70 Hz的振動起到衰減作用，減振方案存在減振優(yōu)化空間。原減振方案隔振系統(tǒng)頻率偏高，導(dǎo)致減振效果不理想，因此需要降低隔振頻率。降低頻率的主要方法是增加系統(tǒng)質(zhì)量或降低系統(tǒng)剛度，對于此項目的大型液冷機(jī)組，降低隔振系統(tǒng)剛度是最簡單、有效的降低隔振系統(tǒng)頻率的方法。原方案中在增壓單元和制冷單元底部墊有 36塊隔振墊，則隔振系統(tǒng)剛度為36塊隔振墊的剛度總和，為降低剛度，降低隔振系統(tǒng)頻率，需要在保證隔振墊承載能力的前提下，減少隔振墊的個數(shù)，采用6塊隔振墊進(jìn)行減振，隔振墊布置見圖6。

圖6 減振優(yōu)化方案隔振墊鋪設(shè)示意Fig.6 Diagram of vibration isolation cushion in isolation

此時，隔振墊總承載面積為：

單位面積載荷為：

隔振系統(tǒng)頻率為：

頻率比：

對比表2和表4，發(fā)現(xiàn)減振優(yōu)化后工作區(qū)域各測點(diǎn)的振動響應(yīng)明顯減小。工作區(qū)域架高地板上的振動量值的最大值出現(xiàn)在 G6-U1測點(diǎn)的Z向，量值為0.295 m/s2，小于 0.315 m/s2，根據(jù) GB/T 13441.1-2007標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)人員在此工作區(qū)域內(nèi)工作時，不會使人感覺到不舒適。

表4 減振優(yōu)化后工作區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的振動量值Tab.4 Vibration magnitude of each measuring point in workspace after isolation optimization

為進(jìn)一步量化衰減效果，計算減振優(yōu)化方案與原有減振方案下對應(yīng)測點(diǎn)的衰減量，見表5。

表5 優(yōu)化方案與原有方案對應(yīng)測點(diǎn)的衰減量Tab.5 Attenuation of the corresponding measuring point between optimized scheme and original scheme

從表5可以看出，優(yōu)化方案相比原減振方案，工作區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的振動響應(yīng)有了明顯衰減，最大衰減達(dá)到5.55 dB。圖7給出G6-U2測點(diǎn)在兩種減振方案下的振動響應(yīng)比較曲線。其中幅值較大的曲線為原減振方案下測得的加速度功率譜密度曲線，幅值較小曲線為優(yōu)化方案下測得相應(yīng)測點(diǎn)的加速度功率譜密度曲線。從功率譜密度曲線上也能清楚地看到優(yōu)化方案相比原減振方案，振動響應(yīng)明顯減小。

圖7 兩種方案G6-U2測點(diǎn)的Z向振動響應(yīng)Fig.7 Vibration response of G6-U2 measuring point in Z direction in two schemes

4 結(jié)語

對大型裝備液冷機(jī)組開展振動測試、減振優(yōu)化及舒適性評估工作，減振優(yōu)化后工作區(qū)域振感減弱，振動量值減小，最大量值減小到 0.295 m/s2，小于0.315 m/s2，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)人員在此工作區(qū)域內(nèi)工作時，不會感覺到不舒適，滿足裝備舒適性指標(biāo)要求。

大型裝備的液冷機(jī)組振動測試、評估和減振優(yōu)化取得了滿意的效果。目前，裝備已交付使用 1年有余，實際使用情況表明，液冷機(jī)組滿負(fù)荷工作時，工作區(qū)域未感覺到不舒適，這也直接證明減振優(yōu)化的有效性。