某大型裝備液冷機組振動測試及減振優化

王曉紅，彭超

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088; 2.國家級工業設計中心，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組作為附屬保障設備[4]。液冷機組冷卻和循環系統內包含了一些大功率旋轉運動設備，如風機、水泵、壓縮機等，工作時這些設備產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面影響[5-6]。如何減少這些不利影響，是液冷機組設計和使用時必需解決的問題。

筆者以某大型裝備的液冷機組為研究對象，對裝機液冷機組工作狀態進行振動測試，并對振動測試數據進行分析，評估其對安裝平臺上工作區域人員舒適性的影響。測試結果表明，測試工況下工作區域人員舒適性不滿足相關標準要求。根據現場條件，對機組現有減振措施進行優化，降低機組振動對工作區域的影響。減振優化后，再次進行振動測試與分析，驗證減振優化設計的有效性。

1 液冷機組概況

某大型裝備的液冷機組，主要由1個增壓單元、6個制冷單元、1個儲液單元、多組液冷管網及相關附件組成，安裝在鋼制裝備平臺的兩側，見圖1。該液冷機組在工作時，其內部增壓泵、制冷壓縮機的不平衡轉動、風機的氣動、以及液冷管道內部的流體脈動都會產生振動，這些振動將會通過液冷機組安裝面，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域人員的舒適性的影響，在前期設計時采取了相應的減振降噪措施，如選用振動性能好的品牌電機、壓縮機與風機等，減小振源強度[7-8]；選用隔振墊，進行被動隔振[9-10]，減少液冷機組傳遞到平臺上的振動。

圖1 液冷機組布置簡圖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，每個單元總質量約10 500 kg，其中電機轉速為 2970 r/min。單元方艙底部與安裝平臺之間鋪設有橡膠隔振墊，衰減傳遞到平臺上的振動。

2 振動測試及分析

裝備安裝調試階段，現場工作人員反應液冷機組開機時，安裝平臺振感明顯。為了解液冷機組振動情況，并進一步對工作人員的健康影響和工作舒適性進行評估，對液冷機組開展振動響應測試，獲取其振動響應量級的大小、主要峰值頻率等信息，評估其工作舒適性。

2.1 振動測試系統及測點

振動測試系統由動態數據采集設備、三向加速度傳感器、安裝數據采集與分析軟件的筆記本工作站及若干信號線纜組成[11]。

根據現場安裝狀態，并考慮液冷機組可測試工況、測試周期，選擇在增壓單元和靠近增壓單元的重點工作區域5和區域6進行布點測試。

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

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

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

2.2 測試數據分析

處理分析測試數據，部分測試曲線見圖4。可以看出增壓單元主梁上測點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，計算其轉頻[12]：

式中：n為增壓泵轉速，r/min。

分析發現振動能量集中的頻率與增壓泵的轉動頻率及其倍頻吻合。結合其它頻率處峰值不明顯的特征，得出如下結論：增壓單元底部主梁的振動主要由增壓泵引起，增壓單元箱板等結構振動的影響較小。

提取各測點的均方根加速度，其中增壓單元各測點的均方根加速度見表1。從表1可以看出，測點DOWNi的量值均小于對應測點UPi的量值，表明振動經過隔振墊后得到了衰減。根據 GB/T 13441.1-2007標準，計算工作區域各測點的振動量值，見表2。由表2可以看出，工作區域測點的振動量值最大為0.627 m/s2，出現在G6-D1測點的Y向；工作區域架高地板上的振動量值的最大值為0.555 m/s2，出現在G6-U1測點的Z向。GB/T 13441.1-2007規定，當振動量值小于0.315 m/s2時，人員感覺不到不舒適；當振動量值大于0.315 m/s2且小于0.63 m/s2時，人員感覺有點不舒適；當振動量值大于 0.5 m/s2且小于1 m/s2時，人員感覺相當不舒適[13]；工作區域地板上測點的振動量值最大為0.555 m/s2，處于相當不舒服區間，當人員在此工作區域內工作時，會感覺到相當不舒適。

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

表2 工作區內各測點的振動量值Tab.2 Vibration magnitude of each measuring point in workspace

3 減振優化

基于工作區域振動量值偏大，影響人員舒適性的問題，對機組現有減振措施進行優化，降低機組振動對工作區域的影響。

振動控制是在結構的特定部位設置某種裝置、結構或施加外力，改變或調整結構的動力學特性或動力作用，使結構的動力響應得到合理的振動控制效果，確保結構本身和結構中的人員、儀器、設備等正常工作。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，驅動作動器加載與結構振動方向相反的控制力來進行結構的振動控制。主動控制明顯的缺點是使用成本和維護成本比較高。

半主動控制不需要外部能源輸入控制力，是通過改變系統中性能可調的元器件（智能元器件）的實時性能來實現減振。其缺點是可調元器件的動力學性能有本質的強非線性，需要單獨開發復雜的控制器。

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

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

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

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

表3 WJ-60型隔振墊參數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為增壓單元質量，kg。

隔振系統頻率為：

式中：f0為自振頻率，Hz;P0為相應的垂直單位額定載荷，kg/cm2。

頻率比：

根據振動傳遞率曲線[19-21]，當時，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化空間。原減振方案隔振系統頻率偏高，導致減振效果不理想，因此需要降低隔振頻率。降低頻率的主要方法是增加系統質量或降低系統剛度，對于此項目的大型液冷機組，降低隔振系統剛度是最簡單、有效的降低隔振系統頻率的方法。原方案中在增壓單元和制冷單元底部墊有 36塊隔振墊，則隔振系統剛度為36塊隔振墊的剛度總和，為降低剛度，降低隔振系統頻率，需要在保證隔振墊承載能力的前提下，減少隔振墊的個數，采用6塊隔振墊進行減振，隔振墊布置見圖6。

圖6 減振優化方案隔振墊鋪設示意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：

隔振系統頻率為：

頻率比：

對比表2和表4，發現減振優化后工作區域各測點的振動響應明顯減小。工作區域架高地板上的振動量值的最大值出現在 G6-U1測點的Z向，量值為0.295 m/s2，小于 0.315 m/s2，根據 GB/T 13441.1-2007標準，當人員在此工作區域內工作時，不會使人感覺到不舒適。

表4 減振優化后工作區內各測點的振動量值Tab.4 Vibration magnitude of each measuring point in workspace after isolation optimization

為進一步量化衰減效果，計算減振優化方案與原有減振方案下對應測點的衰減量，見表5。

表5 優化方案與原有方案對應測點的衰減量Tab.5 Attenuation of the corresponding measuring point between optimized scheme and original scheme

從表5可以看出，優化方案相比原減振方案，工作區內各測點的振動響應有了明顯衰減，最大衰減達到5.55 dB。圖7給出G6-U2測點在兩種減振方案下的振動響應比較曲線。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，幅值較小曲線為優化方案下測得相應測點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化方案相比原減振方案，振動響應明顯減小。

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

4 結語

對大型裝備液冷機組開展振動測試、減振優化及舒適性評估工作，減振優化后工作區域振感減弱，振動量值減小，最大量值減小到 0.295 m/s2，小于0.315 m/s2，根據相關標準，當人員在此工作區域內工作時，不會感覺到不舒適，滿足裝備舒適性指標要求。

大型裝備的液冷機組振動測試、評估和減振優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，液冷機組滿負荷工作時，工作區域未感覺到不舒適，這也直接證明減振優化的有效性。