風(fēng)冷換熱器振動(dòng)原因分析與改善方案

0 引言

風(fēng)冷換熱器在機(jī)械制造、電力、制冷等眾多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文研究的風(fēng)冷換熱器是通過電機(jī)帶動(dòng)軸流風(fēng)扇形成強(qiáng)制氣流，與散熱組件內(nèi)部流通的液體進(jìn)行熱量交換，使得系統(tǒng)的工作介質(zhì)溫度控制在一定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)冷換熱器常常出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，不僅會產(chǎn)生噪聲污染，還可能導(dǎo)致部件疲勞損壞、連接松動(dòng)，降低換熱器的換熱效率，縮短其使用壽命，甚至引發(fā)安全事故。

因此，深入研究風(fēng)冷換熱器振動(dòng)原因并尋求有效的改進(jìn)方案具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1風(fēng)冷換熱器振動(dòng)原因分析

1.1 氣流流動(dòng)不穩(wěn)定

1.1.1 氣流紊流

風(fēng)冷換熱器的散熱組件是鋁制板翅式結(jié)構(gòu)，當(dāng)氣流通過換熱器的翅片時(shí)，容易形成紊流。紊流會產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣動(dòng)力，作用在換熱器的部件上，引發(fā)振動(dòng)，尤其是在高風(fēng)速或氣流分布不均勻的情況下，紊流現(xiàn)象更為嚴(yán)重。在冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)冷換熱器的罩殼組件一般為方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部按軸流風(fēng)扇規(guī)格制作直筒形導(dǎo)風(fēng)圈，在結(jié)構(gòu)上必然存在一定的進(jìn)風(fēng)死角，會產(chǎn)生氣流分布不均勻的情況。而且，由于實(shí)際應(yīng)用中安裝空間限制，換熱器距離周邊障礙物較近，也會影響氣流均勻進(jìn)入換熱器，使氣流紊流導(dǎo)致的振動(dòng)明顯增強(qiáng)。

1.1.2 卡門渦街[2]

當(dāng)氣流繞過換熱器的圓柱形部件（如導(dǎo)風(fēng)圈、排風(fēng)管）時(shí)，在一定條件下會形成卡門渦街。卡門渦街交替脫落會產(chǎn)生周期性作用力，若該作用力的頻率與換熱器部件的固有頻率接近或相等，就會引發(fā)共振，導(dǎo)致劇烈振動(dòng)。

1.2 部件共振

1.2.1 換熱器結(jié)構(gòu)固有頻率

風(fēng)冷換熱器由散熱組件、罩殼組件、電機(jī)支架、軸流風(fēng)扇、電機(jī)等多個(gè)部件組成，其整體結(jié)構(gòu)具有特定的固有頻率。如果在設(shè)計(jì)或制造過程中未充分考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，當(dāng)外界激勵(lì)力（如氣流作用力、風(fēng)機(jī)振動(dòng)等）的頻率接近或等于換熱器結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，就會發(fā)生共振。例如，一些輕型結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷換熱器，其固有頻率較高，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率變化范圍內(nèi)容易與之產(chǎn)生共振。

1.2.2 部件連接松動(dòng)

長時(shí)間運(yùn)行后，換熱器的部件連接可能出現(xiàn)松動(dòng)，如軸流風(fēng)扇的輪轂與葉片連接、軸流風(fēng)扇與電機(jī)連接、框架與支撐件的連接等。松動(dòng)的連接部件會改變結(jié)構(gòu)的整體剛度和阻尼特性，使得部件更容易在外界激勵(lì)下發(fā)生共振，同時(shí)也會放大振動(dòng)幅度。

1.3 軸流風(fēng)扇不平衡[3]

1.3.1 軸流風(fēng)扇選型問題

軸流風(fēng)扇在選型時(shí)工作點(diǎn)處于風(fēng)葉的失速區(qū)域或與失速區(qū)域的距離過近，或者換熱器應(yīng)用于不同海拔高度時(shí)軸流風(fēng)扇選型未充分考慮海拔對風(fēng)扇性

能的影響，存在過載風(fēng)險(xiǎn)，都會使風(fēng)扇在運(yùn)行過程中出現(xiàn)不平衡，甚至損壞風(fēng)扇和電機(jī)。

1.3.2 軸流風(fēng)扇安裝不平衡

軸流風(fēng)扇主要由鋁制輪轂、軸套和尼龍葉片組件組成，在制造過程中可能存在葉片質(zhì)量分布不均勻、葉片角度偏差等問題，導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡。在安裝過程中，軸流風(fēng)扇一般通過輪轂上的軸套與電機(jī)軸連接，直接用緊固件固定，如果風(fēng)扇與電機(jī)軸的同軸度未調(diào)整好，也會引起風(fēng)扇不平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。這種不平衡會產(chǎn)生離心力，使風(fēng)扇產(chǎn)生振動(dòng)，并通過電機(jī)、電機(jī)支架傳遞到換熱器上，引起整個(gè)換熱器的振動(dòng)。

1.3.3 風(fēng)扇葉片磨損與積塵

風(fēng)扇長期運(yùn)行后，葉片表面會出現(xiàn)磨損，改變?nèi)~片的氣動(dòng)外形和質(zhì)量分布，導(dǎo)致不平衡加劇。此外，空氣中的灰塵、油污等雜質(zhì)容易附著在葉片上，同樣會破壞風(fēng)扇的動(dòng)平衡，引發(fā)振動(dòng)。

2風(fēng)冷換熱器振動(dòng)改善方案

2.1 優(yōu)化氣流流場

將風(fēng)冷換熱器的罩殼組件內(nèi)部與軸流風(fēng)扇配合的導(dǎo)風(fēng)圈由直筒形改進(jìn)成擴(kuò)口式結(jié)構(gòu)，在保證與罩殼內(nèi)側(cè)不干涉的前提下，下端錐筒的直徑做到最大，極大程度減小進(jìn)風(fēng)死角區(qū)域，保證氣流分布均勻。

2.2 避免部件共振

2.2.1 模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]

在風(fēng)冷換熱器設(shè)計(jì)階段，通過軟件進(jìn)行模態(tài)分析確定其結(jié)構(gòu)的固有頻率和應(yīng)力、強(qiáng)度。根據(jù)分析結(jié)果，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)（如罩殼組件、電機(jī)支架等框架連接件的厚度、形狀，部件連接的緊固件規(guī)格、材質(zhì)、數(shù)量等），使換熱器的固有頻率避開軸流風(fēng)扇和安裝設(shè)備的運(yùn)行頻率及其諧波范圍，避免共振的發(fā)生。例如，電機(jī)支架可以通過增加高度或增加加強(qiáng)筋提高其剛度，從而提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，而采用減振支撐的方式連接風(fēng)冷換熱器和安裝支架則可以增加結(jié)構(gòu)的阻尼，減小共振時(shí)的振幅。

2.2.2 定期檢查與緊固部件

在風(fēng)冷換熱器安裝時(shí)，各緊固件應(yīng)嚴(yán)格按照扭力要求擰緊，并根據(jù)工藝要求涂螺紋鎖固膠。應(yīng)建立定期維護(hù)檢查制度，對風(fēng)冷換熱器的部件連接進(jìn)行檢查和緊固，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)松動(dòng)的連接部位，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的原有剛度和穩(wěn)定性，防止因連接松動(dòng)引發(fā)的共振和振動(dòng)放大問題。在檢查過程中，可采用專業(yè)的檢測工具（如扭力扳手、振動(dòng)傳感器等）對連接螺栓的緊固力和部件的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，確保設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。在換熱器維護(hù)過程中，如有非金屬嵌件的鎖緊螺母和彈簧墊圈經(jīng)過拆裝，建議更換。

2.3 平衡軸流風(fēng)扇運(yùn)行

2.3.1 軸流風(fēng)扇選型

軸流風(fēng)扇在選型時(shí)應(yīng)充分校核換熱器使用的工況環(huán)境（如海拔范圍、溫度等），避開風(fēng)葉失速區(qū)域，負(fù)載不得超過電機(jī)的額定功率，建議預(yù)留 的裕度。

2.3.2 緊固件增強(qiáng)

通過增加輪轂和軸套處安裝的緊固件數(shù)量、改變材質(zhì)、選用防松墊圈等方式，提高緊固件的性能，增大安全系數(shù)。

2.3.3 軸流風(fēng)扇動(dòng)平衡校正[4]

軸流風(fēng)扇制造完成后需要做平衡測試，通過在風(fēng)扇上添加或去除適當(dāng)?shù)呐渲兀{(diào)整轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，使其達(dá)到規(guī)定的平衡狀態(tài)。常規(guī)風(fēng)扇廠家采用的是靜平衡測試，平衡等級一般控制為 o

目前要求風(fēng)扇廠家改為動(dòng)平衡測試，平衡等級提高為 ，以提高校正的準(zhǔn)確性和有效性。

3 案例分析

下面以某項(xiàng)目的風(fēng)冷換熱器為例進(jìn)行分析。該換熱器的電機(jī)AKD132M型三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)低速時(shí)嚴(yán)重振動(dòng)、高速正常的情況。經(jīng)過現(xiàn)場檢查和測試分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是風(fēng)冷換熱器在低速運(yùn)行時(shí)頻率與配套設(shè)備頻率接近，且電機(jī)支架的剛度不足，出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。

3.1針對風(fēng)冷換熱器異常振動(dòng)的原因進(jìn)行排查

3.1.1風(fēng)冷換熱器和配套設(shè)備基本信息

配套設(shè)備的嚙合頻率是 13.39Hz 。風(fēng)冷換熱器高速旋轉(zhuǎn)測量時(shí)電機(jī)工作參數(shù)為轉(zhuǎn)速 ，基準(zhǔn)頻率 ，配置5葉風(fēng)扇葉片，葉片通過頻率120Hz ；低速旋轉(zhuǎn)測量時(shí)電機(jī)工作參數(shù)為轉(zhuǎn)速 720r/min 基準(zhǔn)頻率 ，配置5葉風(fēng)扇葉片，葉片通過頻率 。軸流風(fēng)扇出廠檢查為靜平衡，平衡等級為 o

3.1.2風(fēng)冷換熱器現(xiàn)場振動(dòng)測試與分析

按圖1所示，在風(fēng)冷換熱器的電機(jī)支架和電機(jī)上布置12個(gè)測點(diǎn)，連接加速度傳感器、東方所采集儀、計(jì)算機(jī)等，現(xiàn)場測試流程如圖2所示。測得外部激勵(lì)頻率為1階 ，2階 ，電機(jī)支撐系統(tǒng)的固有頻率和外部激勵(lì)頻率過于接近，電機(jī)異常振動(dòng)是共振引起的。

3.1.3 電機(jī)支架有限元分析

利用有限元對電機(jī)支架進(jìn)行分析，電機(jī)支架厚度為 6mm ，折邊高度為 ，中間與電機(jī)用4-M12A2-70螺栓連接緊固，兩側(cè)分別用4-M8和4-M10A2-70螺栓與罩殼組件連接緊固。由圖3可以得出：電機(jī)支架在中間部位折邊處和外側(cè)緊固件連接處需要優(yōu)化。

3.2 風(fēng)冷換熱器振動(dòng)改善方案及驗(yàn)證

針對風(fēng)冷換熱器的振動(dòng)情況，制定兩種改善方案并逐一進(jìn)行驗(yàn)證，分別是增加電機(jī)支架的厚度、增加電機(jī)支架折邊的高度，經(jīng)過測試，二者都可以使得換熱器的各階固有頻率增加，與外部激勵(lì)頻率的差距增大，有效避免共振的發(fā)生。測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示[5]。

該項(xiàng)目采用增加電機(jī)支架折邊高度的改善方案，將電機(jī)支架的折邊高度由 改為 ，有限元分析如圖4所示。

3.3 其他改善措施

為進(jìn)一步改善風(fēng)冷換熱器的振動(dòng)，該項(xiàng)目還采用了以下改善方案：1）電機(jī)支架與電機(jī)的安裝螺栓由4-M12調(diào)整為4-M14；2）兩端與罩殼組件連接的安裝螺栓由4-M8和4-M10調(diào)整為4-M10和4-M12；3）軸流風(fēng)扇的平衡測試改為動(dòng)平衡，平衡等級提高為 "。

經(jīng)過改善后，該風(fēng)冷換熱器的振動(dòng)幅度明顯減小，經(jīng)過長期監(jiān)測，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未再出現(xiàn)因振動(dòng)引發(fā)的故障問題，驗(yàn)證了本文提出的振動(dòng)原因分析和改善方案的有效性。

4結(jié)束語

風(fēng)冷換熱器的振動(dòng)問題是由多種因素共同作用導(dǎo)致的，包括氣流流動(dòng)不穩(wěn)定、部件共振和軸流風(fēng)扇不平衡等。通過對這些原因的深入分析，提出了相應(yīng)改善方案，如優(yōu)化氣流流場、避免部件共振、平衡軸流風(fēng)扇運(yùn)行等。實(shí)際案例分析表明，這些改善措施能夠有效降低風(fēng)冷換熱器的振動(dòng)幅度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，延長其使用壽命。在今后的風(fēng)冷換熱器設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)過程中，應(yīng)充分重視振動(dòng)問題，綜合運(yùn)用本文提出的分析方法和改善方案，確保風(fēng)冷換熱器的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的正常運(yùn)行提供有力保障。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還需要進(jìn)一步深入探索更加先進(jìn)的減振技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以適應(yīng)不斷提高的工業(yè)生產(chǎn)和能源利用效率要求。

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