王曉紅，彭超

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088; 2.國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)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(wèn)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(dòng)設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，工作時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞給安裝平臺(tái)和連接管路，給裝備可靠性和安裝平臺(tái)上工作人員的舒適性帶來(lái)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(jì)和使用時(shí)必需解決的問(wèn)題。

筆者以某大型裝備的液冷機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)裝機(jī)液冷機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并對(duì)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估其對(duì)安裝平臺(tái)上工作區(qū)域人員舒適性的影響。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)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(chǎng)條件，對(duì)機(jī)組現(xiàn)有減振措施進(jìn)行優(yōu)化，降低機(jī)組振動(dòng)對(duì)工作區(qū)域的影響。減振優(yōu)化后，再次進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與分析，驗(yàn)證減振優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)增壓?jiǎn)卧?個(gè)制冷單元、1個(gè)儲(chǔ)液?jiǎn)卧?、多組液冷管網(wǎng)及相關(guān)附件組成，安裝在鋼制裝備平臺(tái)的兩側(cè)，見圖1。該液冷機(jī)組在工作時(shí)，其內(nèi)部增壓泵、制冷壓縮機(jī)的不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)、風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)、以及液冷管道內(nèi)部的流體脈動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)將會(huì)通過(guò)液冷機(jī)組安裝面，傳遞到裝備平臺(tái)上，引起平臺(tái)振動(dòng)。為減小振動(dòng)對(duì)平臺(tái)上工作區(qū)域人員的舒適性的影響，在前期設(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)的減振降噪措施，如選用振動(dòng)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(dòng)隔振[9-10]，減少液冷機(jī)組傳遞到平臺(tái)上的振動(dòng)。

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

制冷單元和增壓?jiǎn)卧兴性O(shè)備均采用焊接或法蘭連接安裝在尺寸為4.5 m（長(zhǎng)）×2.438 m（寬）×2.75 m（高）的方艙內(nèi)，每個(gè)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(tái)之間鋪設(shè)有橡膠隔振墊，衰減傳遞到平臺(tái)上的振動(dòng)。

2 振動(dòng)測(cè)試及分析

裝備安裝調(diào)試階段，現(xiàn)場(chǎng)工作人員反應(yīng)液冷機(jī)組開機(jī)時(shí)，安裝平臺(tái)振感明顯。為了解液冷機(jī)組振動(dòng)情況，并進(jìn)一步對(duì)工作人員的健康影響和工作舒適性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)液冷機(jī)組開展振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，獲取其振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)的大小、主要峰值頻率等信息，評(píng)估其工作舒適性。

2.1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由動(dòng)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(hào)線纜組成[11]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)，并考慮液冷機(jī)組可測(cè)試工況、測(cè)試周期，選擇在增壓?jiǎn)卧涂拷鰤簡(jiǎn)卧闹攸c(diǎn)工作區(qū)域5和區(qū)域6進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試。

增壓?jiǎn)卧c安裝平臺(tái)間有6個(gè)安裝點(diǎn)，在增壓?jiǎn)卧撞堪惭b點(diǎn)處的主梁和對(duì)應(yīng)的安裝平臺(tái)位置上各取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖2。主梁測(cè)點(diǎn)（UP i）和平臺(tái)測(cè)點(diǎn)（DOWN i）一一對(duì)應(yīng)，兩者之間隔著隔振墊。主梁測(cè)點(diǎn)主要測(cè)試增壓?jiǎn)卧鰤罕脗鬟f到主梁的振動(dòng)響應(yīng)；平臺(tái)測(cè)點(diǎn)主要測(cè)量振動(dòng)經(jīng)由主梁和隔振墊后傳遞到平臺(tái)上的振動(dòng)響應(yīng)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試X、Y、Z三個(gè)方向。

圖2 增壓?jiǎn)卧獪y(cè)點(diǎn)Fig.2 Measuring points of the pressurized unit

在靠近增壓?jiǎn)卧闹攸c(diǎn)工作區(qū)域5和區(qū)域6選擇5個(gè)有代表性的位置布置響應(yīng)測(cè)點(diǎn)，其中G5-D1在工作區(qū)5內(nèi)部的平臺(tái)底板梁上，G5-U1為與G5-D1對(duì)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(tái)底板梁上，G6-U1和G6-U2為與G6-D1和 G6-D2對(duì)應(yīng)的正上方的架高地板上。部分測(cè)點(diǎn)詳圖見圖3。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

處理分析測(cè)試數(shù)據(jù)，部分測(cè)試曲線見圖4?？梢钥闯鲈鰤?jiǎn)卧髁荷蠝y(cè)點(diǎn)的振動(dòng)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(cè)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?jiǎn)卧獪y(cè)試曲線Fig.4 Test curves of the pressurized unit

增壓?jiǎn)卧械闹饕獎(jiǎng)恿υ礊樵鰤罕茫?jì)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(dòng)能量集中的頻率與增壓泵的轉(zhuǎn)動(dòng)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?jiǎn)卧撞恐髁旱恼駝?dòng)主要由增壓泵引起，增壓?jiǎn)卧浒宓冉Y(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較小。

提取各測(cè)點(diǎn)的均方根加速度，其中增壓?jiǎn)卧鳒y(cè)點(diǎn)的均方根加速度見表1。從表1可以看出，測(cè)點(diǎn)DOWNi的量值均小于對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)UPi的量值，表明振動(dòng)經(jīng)過(guò)隔振墊后得到了衰減。根據(jù) GB/T 13441.1-2007標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算工作區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量值，見表2。由表2可以看出，工作區(qū)域測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量值最大為0.627 m/s2，出現(xiàn)在G6-D1測(cè)點(diǎn)的Y向；工作區(qū)域架高地板上的振動(dòng)量值的最大值為0.555 m/s2，出現(xiàn)在G6-U1測(cè)點(diǎn)的Z向。GB/T 13441.1-2007規(guī)定，當(dāng)振動(dòng)量值小于0.315 m/s2時(shí)，人員感覺(jué)不到不舒適；當(dāng)振動(dòng)量值大于0.315 m/s2且小于0.63 m/s2時(shí)，人員感覺(jué)有點(diǎn)不舒適；當(dāng)振動(dòng)量值大于 0.5 m/s2且小于1 m/s2時(shí)，人員感覺(jué)相當(dāng)不舒適[13]；工作區(qū)域地板上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)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(shí)，會(huì)感覺(jué)到相當(dāng)不舒適。

表1 增壓?jiǎn)卧鳒y(cè)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)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(dòng)量值偏大，影響人員舒適性的問(wèn)題，對(duì)機(jī)組現(xiàn)有減振措施進(jìn)行優(yōu)化，降低機(jī)組振動(dòng)對(duì)工作區(qū)域的影響。

振動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性或動(dòng)力作用，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)得到合理的振動(dòng)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(dòng)控制主要可以分為主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制三類。

主動(dòng)控制是由外部提供控制所需要的能源，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器加載與結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的控制力來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。主動(dòng)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(dòng)控制不需要外部能源輸入控制力，是通過(guò)改變系統(tǒng)中性能可調(diào)的元器件（智能元器件）的實(shí)時(shí)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。其缺點(diǎn)是可調(diào)元器件的動(dòng)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(dòng)控制是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的阻尼、質(zhì)量和剛度等動(dòng)力特性來(lái)重新構(gòu)造結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)在結(jié)構(gòu)上安裝特殊的裝置吸收和消耗振動(dòng)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。被動(dòng)隔振技術(shù)簡(jiǎn)單、性能可靠，對(duì)高頻振動(dòng)減振效果明顯。

大型裝備液冷機(jī)組的增壓?jiǎn)卧椭评鋯卧灾剡_(dá)10 t，采用主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制使用成本很高，且技術(shù)復(fù)雜；而被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)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(dòng)隔振技術(shù)，在制冷單元和增壓?jiǎn)卧脚摰撞克闹苤髁合旅驿佋O(shè)橡膠隔振墊（見圖5），其具有價(jià)廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔振效果較好等優(yōu)點(diǎn)[15]。然而，被動(dòng)隔振技術(shù)也有一定的局限，根據(jù)振動(dòng)理論[16]，只有振動(dòng)頻率大于隔振系統(tǒng)固有頻率倍時(shí)，隔振系統(tǒng)才會(huì)產(chǎn)生隔振效果[17-18]。因此在進(jìn)行被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別關(guān)注頻率比設(shè)計(jì)。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?jiǎn)卧|(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(dòng)傳遞率曲線[19-21]，當(dāng)時(shí)，傳遞率大于1，這時(shí)振動(dòng)不僅不會(huì)被減弱，反而會(huì)被放大。既原減振方案中，隔振墊對(duì)液冷機(jī)組的第一個(gè)振動(dòng)峰沒(méi)有起到衰減作用，但對(duì)頻率大于70 Hz的振動(dòng)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(duì)于此項(xiàng)目的大型液冷機(jī)組，降低隔振系統(tǒng)剛度是最簡(jiǎn)單、有效的降低隔振系統(tǒng)頻率的方法。原方案中在增壓?jiǎn)卧椭评鋯卧撞繅|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(gè)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(shí)，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(duì)比表2和表4，發(fā)現(xiàn)減振優(yōu)化后工作區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)明顯減小。工作區(qū)域架高地板上的振動(dòng)量值的最大值出現(xiàn)在 G6-U1測(cè)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(shí)，不會(huì)使人感覺(jué)到不舒適。

表4 減振優(yōu)化后工作區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)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(jì)算減振優(yōu)化方案與原有減振方案下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的衰減量，見表5。

表5 優(yōu)化方案與原有方案對(duì)應(yīng)測(cè)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)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(cè)點(diǎn)在兩種減振方案下的振動(dòng)響應(yīng)比較曲線。其中幅值較大的曲線為原減振方案下測(cè)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(cè)得相應(yīng)測(cè)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(dòng)響應(yīng)明顯減小。

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

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大型裝備液冷機(jī)組開展振動(dòng)測(cè)試、減振優(yōu)化及舒適性評(píng)估工作，減振優(yōu)化后工作區(qū)域振感減弱，振動(dòng)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(shí)，不會(huì)感覺(jué)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(dòng)測(cè)試、評(píng)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(shí)際使用情況表明，液冷機(jī)組滿負(fù)荷工作時(shí)，工作區(qū)域未感覺(jué)到不舒適，這也直接證明減振優(yōu)化的有效性。