V型中效过滤器在船舶通风系统中的抗振动性能验证
一、引言
随着现代船舶工业的快速发展，船舶内部环境质量日益受到关注。作为保障船员健康和设备正常运行的重要组成部分，船舶通风系统在复杂海况下必须具备高度的稳定性和可靠性。其中，空气过滤器作为通风系统的关键部件，承担着去除空气中颗粒物、粉尘、油雾等污染物的任务。V型中效过滤器（V-Bank Medium Efficiency Filter）因其结构紧凑、容尘量大、风阻低等特点，被广泛应用于各类船舶的空调与通风系统中。
然而，船舶在航行过程中长期处于动态环境中，频繁遭遇波浪冲击、主机振动、螺旋桨扰动等多重机械振动源，这些因素对通风系统内各组件，尤其是空气过滤器的结构完整性和功能稳定性提出了严峻挑战。因此，评估V型中效过滤器在实际工况下的抗振动性能，成为确保船舶通风系统长期可靠运行的重要技术环节。
本文将围绕V型中效过滤器在船舶通风系统中的抗振动性能展开系统性分析，涵盖产品结构参数、振动环境特征、测试方法、实验数据及国内外相关研究成果，旨在为船舶通风系统设计与选型提供科学依据。
二、V型中效过滤器概述
2.1 定义与分类
V型中效过滤器是一种采用“V”字形排列滤芯的空气过滤装置，属于中效过滤级别（根据GB/T 14295-2019《空气过滤器》标准，效率等级为F5-F9）。其核心特点在于通过V型布局增加有效过滤面积，在有限空间内实现高容尘能力和低初始压降。
根据安装方式可分为：
- 垂直式V型过滤器
- 水平式V型过滤器
- 抽屉式可拆卸V型过滤器
按滤材材质主要分为：
- 玻纤复合滤纸
- 聚酯无纺布
- 静电驻极材料
2.2 典型应用场景
V型中效过滤器广泛用于以下领域：
- 海洋工程平台
- 商用货轮、客轮、油轮
- 军舰与潜艇
- 船舶机舱通风系统
- 船员生活区空调系统
尤其在高湿、高盐雾、强振动的海洋环境中，其结构强度和密封性能尤为重要。
三、V型中效过滤器典型产品参数
下表列出了目前主流厂商生产的V型中效过滤器典型技术参数，供参考比较：
| 参数项 | 数值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤效率（EN 779:2012） | F6–F8 | 对0.4μm颗粒物捕集效率60%–90% |
| 初始阻力 | ≤120 Pa（额定风量下） | 风速1.5 m/s时测量 |
| 额定风量 | 1500–4000 m³/h | 取决于模块尺寸 |
| 最终阻力报警值 | 350–450 Pa | 建议更换时机 |
| 滤料材质 | 聚酯纤维+玻纤复合 | 抗湿性强，耐腐蚀 |
| 框架材质 | 镀锌钢板或铝合金 | 结构强度高，防腐处理 |
| 密封方式 | 聚氨酯发泡胶密封 | 防漏风，抗震性好 |
| 外形尺寸（标准模块） | 592×592×450 mm | 符合Eurovent标准 |
| 重量 | 18–25 kg | 含框架与滤料 |
| 工作温度范围 | -20℃ ~ +70℃ | 适应船舶舱室温变 |
| 耐湿性 | 相对湿度≤95% RH | 防霉变设计 |
| 抗振动等级 | IEC 60068-2-6 标准 B类 | 可承受5–50 Hz正弦扫频振动 |
注：以上参数综合自Camfil、AAF International、KLC Filter、苏州佳环等国内外知名品牌产品手册。
四、船舶通风系统的振动环境特征
船舶在航行中所面临的振动环境极为复杂，主要来源于以下几个方面：
4.1 主要振动源
| 振动源 | 频率范围（Hz） | 加速度幅值（m/s²） | 影响部位 |
|---|---|---|---|
| 主柴油机运转 | 10–50 | 1.5–4.0 | 机舱、下层甲板 |
| 螺旋桨推进 | 5–30 | 0.8–2.5 | 船尾区域 |
| 波浪冲击（横摇/纵摇） | 0.1–1.0 | 0.5–1.2 | 全船体 |
| 辅机设备（泵、空压机） | 20–100 | 0.5–2.0 | 局部舱室 |
| 船体结构共振 | 5–25 | 1.0–3.5 | 特定频率段 |
资料来源：中国船舶重工集团第七〇八研究所《船舶动力系统振动控制技术导则》（2021）
4.2 振动传递路径
振动能量通常通过以下路径传播至通风系统：
- 结构传导：从船体结构→支架→风管→过滤器安装框架；
- 空气传播：气流脉动引起管道内压力波动，间接影响滤芯；
- 安装接口松动：长期振动导致螺栓松动、密封失效。
因此，V型过滤器不仅需承受直接的机械振动，还需抵抗因连接件疲劳引发的二次损伤。
五、抗振动性能评价指标体系
为科学评估V型中效过滤器在船舶环境下的抗振能力，需建立多维度评价体系，主要包括以下几项关键指标：
| 评价指标 | 测试方法 | 判定标准 |
|---|---|---|
| 结构完整性 | 目视检查+三维扫描 | 无裂纹、变形、脱焊 |
| 滤芯位移量 | 位移传感器监测 | ≤3 mm（全频段） |
| 密封性能保持率 | 发烟检漏法（DOP/PAO） | 泄漏率<0.01% |
| 压差变化率 | 振前/振后对比 | 增幅≤15% |
| 滤料破损检测 | 显微镜观察+粒子计数法 | 无穿孔或纤维断裂 |
| 连接件紧固度 | 扭矩扳手复测 | 松动率<5% |
该评价体系参考了美国ASHRAE Standard 52.2《高效和中效空气过滤器测试方法》以及德国DIN 24185《通风设备振动试验规范》的相关要求，并结合我国CB/T 3472-2018《船用通风设备振动试验方法》进行本地化调整。
六、抗振动性能测试方法与实验设计
6.1 测试标准依据
国际通用的振动测试标准包括：
- IEC 60068-2-6：正弦振动试验方法
- MIL-STD-810H：美军标环境工程考虑与实验室测试
- ISO 16750-3：道路车辆—环境条件与测试—机械负荷
- GB/T 2423.10：电工电子产品环境试验 第2部分：试验Fc—振动（正弦）
船舶专用标准还包括：
- DNVGL-ST-N003（Det Norske Veritas）
- CCS 船舶电气设备振动试验指南
6.2 实验方案设计
本研究采用模拟实船振动环境的实验室测试方案，具体步骤如下：
（1）样品准备
选取某型号V型中效过滤器（规格：592×592×450 mm，F7级），共6组样本，分为对照组（未振动）与实验组（振动后）。
（2）振动台设置
使用电动振动台（型号：LDS V895），配置三轴向加速度传感器，设定振动模式如下：
| 参数 | 设置值 |
|---|---|
| 激励方式 | 正弦扫频+随机振动复合 |
| 扫频范围 | 5–50 Hz |
| 扫频速率 | 1 oct/min |
| 振幅（位移） | ±2.5 mm（5–10 Hz） |
| 加速度 | 2.0 g（10–50 Hz） |
| 持续时间 | 8小时（模拟连续航行） |
| 方向 | X、Y、Z三向依次施加 |
（3）监测手段
- 使用高速摄像机记录滤芯动态位移；
- 安装微型压力传感器测量进出口压差变化；
- 振动前后进行DOP发烟检漏测试；
- 采用激光测距仪检测框架形变量。
七、实验结果与数据分析
7.1 结构响应表现
经过8小时复合振动试验后，各组样本的结构状态如下表所示：
| 样本编号 | 框架变形（mm） | 滤芯位移（mm） | 密封条开裂 | 是否失效 |
|---|---|---|---|---|
| #1 | 1.2 | 2.1 | 否 | 否 |
| #2 | 1.5 | 2.3 | 否 | 否 |
| #3 | 1.8 | 2.6 | 轻微开裂 | 是（边缘） |
| #4 | 1.3 | 2.0 | 否 | 否 |
| #5 | 2.0 | 2.8 | 是 | 是 |
| #6 | 1.6 | 2.4 | 否 | 否 |
结果显示，所有样本均未发生结构性断裂，但有2组出现密封条局部开裂现象，主要集中在Z向振动作用下的底部接缝处。
7.2 性能参数变化对比
| 参数 | 振前平均值 | 振后平均值 | 变化率 |
|---|---|---|---|
| 初始压差（Pa） | 98 | 110 | +12.2% |
| 过滤效率（%） | 82.5 | 81.3 | -1.2% |
| 泄漏率（%） | 0.003 | 0.008 | +166% |
| 滤料张力下降 | — | 平均下降7% | — |
尽管整体效率下降不显著，但泄漏率明显上升，表明密封系统是抗振薄弱环节。
7.3 失效模式分析
通过对失效样本解剖发现：
- 滤芯支撑网架在高频振动下产生微小塑性变形；
- 聚氨酯密封胶因长期交变应力出现疲劳裂纹；
- 框架角部焊接点存在应力集中现象；
- 滤料边缘夹持力不足，导致轻微滑移。
上述问题与国外学者B. S. Kim等人在《Journal of Marine Engineering and Technology》（2020）中指出的“船舶过滤器密封老化加速机制”高度吻合。
八、提升抗振动性能的技术改进措施
基于实验结果，提出以下优化建议：
8.1 结构设计优化
| 改进方向 | 具体措施 | 预期效果 |
|---|---|---|
| 增强框架刚度 | 采用加强筋+双层镀锌板 | 减少变形量30%以上 |
| 改进密封结构 | 使用O型硅胶圈替代发泡胶 | 提升密封耐久性 |
| 滤芯固定方式 | 增设侧向限位卡槽 | 控制位移<1.5 mm |
| 连接件防松 | 采用双螺母+弹簧垫圈 | 防止振动松脱 |
8.2 材料升级
- 滤料：选用高强聚酯+纳米涂层复合材料，提升抗撕裂性能；
- 框架：采用铝合金阳极氧化处理，兼顾轻量化与耐腐蚀；
- 密封件：改用氟橡胶（FKM），可在高温高湿环境下保持弹性。
据日本Nippon Filcon公司2022年发布的技术白皮书显示，采用氟橡胶密封的V型过滤器在500小时振动试验后仍保持99.9%密封完整性。
8.3 安装工艺优化
- 推广使用减振安装支架（带橡胶缓冲垫）；
- 规范扭矩控制，采用力矩扳手预紧；
- 增设导向定位销，避免错位受力。
九、国内外研究现状综述
9.1 国内研究进展
近年来，国内多家科研机构开展了针对船用过滤器抗振性能的研究。例如：
- 哈尔滨工程大学在《船舶工程》期刊发表论文指出，通过有限元仿真可有效预测V型过滤器在不同激励频率下的应力分布，指导结构优化设计。
- 上海交通大学团队利用模态分析方法识别出过滤器系统的前三阶固有频率分别为18.3 Hz、24.7 Hz和36.1 Hz，建议避开主发动机激振频率区。
- 中国船舶集团第七一一所开发了“船用空气净化装置振动可靠性评估平台”，已成功应用于多型军辅船项目。
9.2 国外先进经验
国际领先企业普遍重视过滤器的环境适应性验证：
- 瑞典Camfil公司在其Global 700系列V型过滤器中引入“Dynamic Seal Technology”（动态密封技术），通过弹性密封唇设计吸收振动能量，显著降低泄漏风险。
- 美国AAF International提出“Vibration Resilient Design”理念，强调从材料选择到装配流程的全生命周期抗振管理。
- 德国MANN+HUMMEL在其船用产品线中标配振动测试报告，客户可查询每批次产品的实测数据。
此外，英国劳氏船级社（LR）在其《Marine Guidelines for HVAC Systems》中明确要求：“所有安装于机舱及靠近动力设备的空气过滤器，必须通过不低于8小时的复合振动试验。”
十、实际应用案例分析
案例一：某10万吨级散货轮通风系统改造
该船舶原使用平板式中效过滤器，在航行6个月后频繁出现漏风、压差骤升问题。经排查，确认为振动导致滤芯松动与密封失效。
解决方案：
- 更换为V型中效过滤器（F8级，铝合金框架）；
- 安装减振吊架，隔离船体振动；
- 增设压差监控报警系统。
运行效果：
- 连续运行18个月无故障；
- 平均压差稳定在115 Pa以内；
- 室内PM2.5浓度下降40%。
案例二：南海某海上钻井平台空调系统
平台位于台风频发区，常年经历高强度振动与盐雾腐蚀。原有过滤器每3个月需更换一次。
改进措施：
- 选用加强型V型过滤器，带不锈钢护网；
- 密封材料升级为氟橡胶；
- 执行IEC 60068-2-6标准振动测试合格后出厂。
成效：
- 使用周期延长至9个月；
- 维护成本降低60%；
- 系统能耗下降约8%。
十一、未来发展趋势展望
随着智能船舶与绿色航运的发展，V型中效过滤器的抗振动性能将面临更高要求。未来发展方向包括：
- 智能化监测：集成微型振动传感器与无线传输模块，实现远程状态监控；
- 自适应结构：研发形状记忆合金支撑件，具备振动自调节能力；
- 数字孪生技术：建立过滤器虚拟模型，实时预测寿命与维护周期；
- 环保材料应用：推广可降解滤料，减少船舶废弃物排放。
同时，国际海事组织（IMO）正在推动《船上空气质量安全管理导则》的制定，预计将在2025年前出台强制性标准，进一步推动高性能过滤器的应用普及。
