舰船振动环境下机柜气液热交换器振动故障分析.pdf

:./.收稿日期:修回日期:舰船振动环境下机柜气液热交换器振动故障分析朱曾辉李维忠(中国船舶集团有限公司第八研究院南京)摘 要:针对舰船振动环境下机柜气液热交换器出现的振动故障基于谐响应理论分析对气液热交换器的离心风机安装架进行正弦振动计算 风机安装架第 阶模态频率小于振动激励最高频率 最大振动应力远小于其材料屈服强度即由于安装架刚性差并产生谐振变形风机与前面板发生碰撞从而导致振动异响 依据模态振型改进风机安装架的结构并再次进行正弦振动计算结构改进后的风机安装架第 阶模态频率增大.倍且高于 最大振动应力下降.气液热交换器未出现振动故障 研究结果可为舰船电子设备振动环境适应性设计提供理论依据关键词:舰船振动环境气液热交换器振动故障分析谐响应分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言气液热交换器是舰船密闭机柜冷却系统的关键部件安装在机柜背部 当机柜内部模块工作时其内部轴流风机对发热器件进行强迫风冷散热热风通过气液热交换器的离心风机进风口进入气液热交换器中与热交换器中的冷却液进行热量交换冷却后的空气再次进入机柜实现对机柜内部的冷却气液热交换器处于舰船主体区正弦振动环境在第 卷 第 期 年 月雷达与对抗 .正弦振动激励下气液热交换器会因紧固件松动或结构变形损坏而发生故障导致机柜冷却系统不能正常工作 因此气液热交换器的结构设计应具有良好的刚度和强度才能保证在舰船振动环境下的高可靠性本文采用正弦振动计算方法对舰船正弦振动试验中出现异响的气液热交换器进行故障分析随后改进气液热交换器离心风机安装架的结构并再次进行正弦振动计算对比分析离心风机安装架结构改进前后刚度和强度的变化定位气液热交换器振动故障原因 故障现象描述图()所示的气液热交换器安装在机柜背部机柜在 电动振动台进行舰船环境主体区垂向、横向、纵向 正弦扫频振动试验其中垂向为机柜安装底板的法线方向横向为气液热交换器后面板法线方向()机柜()气液热交换器图 机柜气液热交换器图 为舰船环境主体区正弦振动试验曲线 激励位移为 加速度随着频率增大而变大 激励加速度为 激励位移随着频率增大而减小扫频速率为 /当横向振动激励频率处于 之间气液热交换器内部出图 舰船环境主体区正弦振动试验曲线现明显的碰撞异响声气液热交换器离心风机的前面板有油漆脱落层经分析是由机柜振动试验中风机与前面板发生碰撞而导致的 图 为离心风机安装架安装架材料为不锈钢厚度为.风机通过 个 圆头螺钉固定在安装架上安装架通过 个 圆头螺钉固定在气液热交换器前面板上 以上紧固件均未松动排除因风机安装架松动造成风机与前面板碰撞这一因素 初步分析原因为风机安装架谐振变形较大从而导致风机与前面板碰撞而产生异响图 离心风机安装架 理论分析采用基于模态分析的谐响应分析法对风机安装架进行正弦振动计算分析以确定风机安装架在连续正弦变化的周期性载荷作用下的动力学稳态响应明确谐振变形的大小 谐响应分析动力学方程可表示为 ()式中 为质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩阵为激励正弦波载荷幅值 为激励频率 为时间 为位移响应矢量且 ()()式中 为位移幅值矢量其大小受激励频率、阻尼特性、结构自身固有频率等因素影响 为位移响应矢量相对于激励载荷滞后的相位角由式()和式()可求解得到:()雷达与对抗 年 第 期()()()()直接求解式()不能获得解析解须采用有限元方法计算 设定激励频率 的频率范围以及频率计算步长求解对应的响应位移可获得响应位移与激励频率的关系通过频响曲线的峰值频率可得到风机安装架正弦振动应力值 风机安装架正弦振动计算分析.有限元模型对风机安装架模型中孔、圆角、倒角等特征进行简化处理风机采用质量点等效代替以保证动力学计算模型刚度变化不大以提高计算数据的可靠性 图 为风机安装架有限元模型采用四面体单元和六面体单元进行网格划分有限元单元数量为 节点数量为 图 风机安装架有限元模型.模态分析固定约束风机安装架底部 个安装孔对其前 阶进行模态计算分析 图 为前 阶模态振型其模态频率分别为.、.、.、.、.、.风机安装架第 阶模态频率()第 阶 ()第 阶()第 阶 ()第 阶()第 阶 ()第 阶图 前 阶模态振型小于舰船环境主体区正弦振动激励最高频率 与出现振动异响对应的扫频振动频率范围相吻合 由模态振型可知风机安装面变形为 风机与前面板的间隙为 可初步判断气液热交换器振动故障原因是其风机安装架刚性差在.振动频率处发生谐振风机安装面谐振变形大于其与前面板的间隙风机与前面板发生碰撞从而造成振动异响 由于安装空间限制不能增大风机与前面板的间隙只能通过提高风机安装架的刚性使其一阶模态频率高于 从而在正弦振动过程中不发生谐振变形.谐响应分析在模态分析基础上在有限元分析软件谐响应分析模块中输入图 中的正弦振动激励谱计算风机安装架正弦振动 正弦振动激励施加在安装架整体上图 给出了垂向、横向和纵向正弦振动应力云图由于风机安装面承载风机重量因此风机安装面应力分布值偏大 垂向最大振动应力位于风机安装面上横向最大振动应力位于风机安装面加强筋边缘处纵向最大振动应力位于底面加强筋边缘处垂向、横向和纵向最大振动应力分别为.、.、.纵向振动应力最大最大振动应力远小于其材料不锈钢的屈服强度 即安装架抗振动强度较好()垂向 ()横向()纵向图 正弦振动应力云图 结构改进后正弦振动计算分析.有限元模型根据第 节改进设计结构刚性薄弱处安装架钢板厚度从.增加到.增大两侧加强筋的长度减重孔由长偠形孔改为圆孔 安装架重量由.增加到.计算分析结构改进后的风机安装架正弦振动方法与第 节相同朱曾辉 等 舰船振动环境下机柜气液热交换器振动故障分析图 为结构改进后风机安装架有限元模型采用四面体单元和六面体单元进行网格划分有限元单元数量为 节点数量为 图 结构改进后风机安装架有限元模型.模态分析图 为结构改进后前 阶模态振型表 为结构改进前后模态频率对比其中 为结构改进前模态频率为结构改进后模态频率为结构改进后模态频率增大倍数 可以看出:相对于结构改进前风机安装架前 阶模态频率明显变大第 阶模态频率增幅最大为.倍第 阶模态频率.高于振动激励上限频率 即结构改进后风机安装架刚性好在 振动频率范围内不会产生谐振()第 阶 ()第 阶()第 阶 ()第 阶()第 阶 ()第 阶图 结构改进后前 阶模态振型表 结构改进前后模态频率对比模态序/.谐响应分析图 给出了结构改进后垂向、横向和纵向正弦振动应力云图垂向最大振动应力位于风机安装面加强筋边缘处横向最大振动应力位于侧面上纵向最大振动应力位于底面加强筋边缘处 垂向、横向和纵向最大振动应力分别为.、.、.表 为结构改进前后最大振动应力对比其中 为结构改进前最大振动应力为结构改进后最大振动应力为结构改进后最大振动应力下降占比 相对于结构改进前风机安装架最大振动应力明显降低纵向下降最大为.即安装架抗振动强度有所提高()垂向 ()横向()纵向图 结构改进后正弦振动应力云图表 结构改进前后最大振动应力对比振动方向/垂向.横向.纵向.结构改进后的风机安装架安装在气液热交换器上再次进行垂向、横向和纵向振动试验 在试验过程中未出现振动异响即气液热交换器振动故障是由于其风机安装架刚性差产生谐振进而导致安装架变形大风机与前后面板发生碰撞造成振动异响 结束语气液热交换器内部的离心风机安装架第 阶模态频率.小于舰船环境主体区正弦振动试验最高激励频率 不同振动方向上最大振动应力为.远小于安装架材料的屈服强度 风机安装架结构强度良好但刚度差表明气液热交换器振动故障是由于其内部风机安装架发生的谐振变形大于其与前面板的间隙导致风机与前面板发生碰撞从而出现振雷达与对抗 年 第 期动异响 结构改进后的风机安装架重量增加.第 阶模态频率增大.倍且高于 最大振动应力下降.即刚度和强度均显著提高且振动试验未出现异响表明该结构改进方案可行且有效参 考 文 献 余涛刘毅张磊.基于气液热交换器的密闭机柜热设计.电子机械工程 ():.肖军赵远扬舒悦.非循环对称力作用下离心叶轮的谐响应分析.振动与冲击():.彭敬辉李松晶 .电磁力与射流流场中压力脉动作用下伺服阀力矩马达谐响应分析.工程力学():./:.都待尧.基于 的舰船贮运架虚拟振动试验方法.舰船科学技术():.汤赫男王世杰许增金等.往复压缩机轴系扭振谐响应分析.机械强度():.王娇王明杰张曰浩.敷设粘弹性层舱室的振动特性仿真分析与试验.舰船科学技术():.高治华赵建波戴宗妙等.船舱用升降装置的振动试验与分析.舰船科学技术():.苏勋文王少萍朱冬梅等.直升机减速器谐响应分析与传感器优化布局.北京航空航天大学学报():.刘昌领罗晓兰.基于 的六缸压缩机连杆模态分析及谐响应分析.机械设计与制造():.吴庆鸣张强周超等.砌块成型机振动模态与谐响应分析及设计改进.机械设计():.作者简介:朱曾辉 男 年生工程师硕士研究方向:机电装备总体设计李维忠 男 年生高级工程师研究方向:雷达结构设计(上接第 页)结束语本文设计了一种新型液冷密闭机柜机柜内部空间布局合理采用快插式水冷管路连接对设备安装的定位精度要求低 创新性地采用图乘法根据冲击载荷及自身重量引起的力矩结合最大容许变形量 反推机柜惯性矩从而快速确定机柜的截面参数然后对该型液冷机柜在冲击、随机振动等载荷作用下进行动力学响应分析通过比较仿真结果与图乘法的计算值验证了图乘法设计的有效性 结果表明:图乘法计算值与仿真结果相符满足刚强度设计要求是一种有效的位移控制方法图乘法结合有限元分析的设计方法可为相似产品的设计、验证提供重要参考可大幅提高设计效率为机柜设计定型和结构优化提供可靠依据对于缩短产品研制周期、降低成本、减少返工等具有重要意义参 考 文 献 许亚黎忻贤明.型标准机柜机箱及基本型机柜机箱的结构设计.遥测技术():.尹妍.车载式电子设备机柜结构轻型化设计.指挥信息系统与技术():.王韵黄春晓.基于模态分析的通信机柜结构设计.机械设计():.崔美玉.图乘法在求运架一体机变截面主梁绕.建设机械技术与管理():.刘光好.广义图乘法及内力图一些性质的研究.河北工业大学学报():.刘衍平张刘斗.电子设备机柜结构的模态分析/张家界:第 届中国控制会议:.作者简介:陈 弼 男 年生高级工程师硕士研究方向:雷达结构及热设计研究李高杰 男 年生高级工程师硕士研究方向:雷达结构及热设计研究朱曾辉 男 年生工程师硕士研究方向:雷达结构及热设计研究李 谦 男 年生高级工程师硕士研究方向:雷达结构及热设计研究朱曾辉 等 舰船振动环境下机柜气液热交换器振动故障分析