空气液体中效袋式过滤器在船舶通风系统中的抗振性能研究
概述
随着现代船舶工业的快速发展，船舶内部环境的舒适性与安全性日益受到关注。通风系统作为保障船员健康、维持设备运行稳定的重要组成部分，其性能直接影响船舶整体运行效率。空气液体中效袋式过滤器（Medium Efficiency Bag Filter for Air and Liquid）作为通风系统中的关键部件，承担着对空气进行颗粒物过滤、净化处理的任务，尤其在海洋高湿、高盐雾、强振动等复杂工况下，其结构稳定性与抗振性能显得尤为重要。
本文围绕空气液体中效袋式过滤器在船舶通风系统中的应用，重点探讨其抗振性能的影响因素、测试方法、优化设计及实际运行表现，并结合国内外相关研究成果，系统分析该类过滤器在动态载荷下的响应特性，为船舶通风系统的安全可靠运行提供理论支持和技术参考。
1. 袋式过滤器的基本原理与分类
1.1 工作原理
袋式过滤器是一种利用多孔纤维材料制成的滤袋，通过拦截、惯性碰撞、扩散和静电吸附等机制，去除空气中悬浮颗粒物的装置。当含尘空气流经滤袋表面时，颗粒物被截留在滤料表面或内部，洁净空气则穿过滤材排出。中效过滤器通常用于去除粒径在0.5~10μm之间的颗粒物，适用于对空气质量有一定要求但不需达到高效净化水平的场合。
在船舶环境中，由于存在盐雾、油雾、粉尘及有机挥发物等多种污染物，中效袋式过滤器常作为预过滤或中间级过滤单元，配合初效和高效过滤器共同构成多级净化体系。
1.2 分类与标准
根据国际标准ISO 16890和中国国家标准GB/T 14295-2019《空气过滤器》，袋式过滤器按效率分为粗效、中效和高效三类。中效过滤器主要对应ePM10（≥50%）、ePM2.5（≥35%）等级别。
| 过滤等级 | 标准依据 | 颗粒物捕集效率（ePM） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 中效（F5-F7） | ISO 16890 / GB/T 14295 | ePM10: 50%-80% ePM2.5: 35%-55% |
船舶机舱、居住区通风、空调系统 |
| 高效（H10-H14） | EN 1822 / GB/T 6165 | >85%（0.3μm） | 医疗舱室、精密仪器室 |
资料来源：ISO 16890:2016, GB/T 14295-2019
2. 船舶通风系统的特点与挑战
2.1 船舶环境特征
船舶运行于海上，面临以下典型环境特点：
- 高湿度：相对湿度常高于80%，易导致滤材吸潮、强度下降；
- 高盐雾浓度：海水中氯化物含量高，腐蚀性强，影响金属框架与密封结构；
- 持续振动：主机、辅机、螺旋桨等设备运转产生宽频带机械振动；
- 空间受限：通风设备需紧凑布置，安装刚度较低；
- 负载变化频繁：启停、转向、波浪冲击引起动态载荷波动。
上述因素对过滤器的结构完整性、密封性能及长期运行可靠性构成严峻考验。
2.2 通风系统中过滤器的布置方式
在典型船舶通风系统中，中效袋式过滤器多安装于送风机组前端或回风通道中，常见布置形式包括：
| 布置位置 | 功能特点 | 抗振难点 |
|---|---|---|
| 送风机前段 | 保护风机叶片，延长寿命 | 承受来自主机的传导振动 |
| 回风总管 | 净化循环空气，节能降耗 | 易受船体结构共振影响 |
| 局部舱室入口 | 提高特定区域空气质量 | 安装支架刚度不足，易松动 |
研究表明（Zhang et al., 2021），船舶在航行状态下，甲板下层舱室的振动加速度可达0.5~2.0 m/s²，频率范围集中在5~100 Hz之间，与袋式过滤器固有频率接近时可能引发共振。
3. 空气液体中效袋式过滤器的产品参数与结构设计
3.1 典型产品技术参数
以国内某知名厂商生产的FLB系列中效袋式过滤器为例，其主要技术参数如下表所示：
| 参数项 | 数值/描述 |
|---|---|
| 型号 | FLB-600×600×500 |
| 外框材质 | 镀锌钢板 / 不锈钢可选 |
| 滤料材质 | PET+Glass Fiber复合无纺布 |
| 过滤面积 | 18 m²（6袋设计） |
| 初始阻力 | ≤90 Pa（风速0.75 m/s） |
| 额定风量 | 3000 m³/h |
| 过滤效率 | F7级（ePM1>55%, ePM2.5>50%） |
| 使用温度 | -20℃ ~ +80℃ |
| 耐压差 | ≤600 Pa |
| 防火等级 | UL900 Class 2 |
| 密封方式 | EPDM橡胶条密封 |
| 安装方式 | 法兰对接 / 卡扣式固定 |
注：数据来源于某企业产品手册（2023版）
该型号广泛应用于远洋货轮、科考船及海上平台的中央空调系统中。
3.2 结构组成与抗振设计要点
中效袋式过滤器主要由外框、滤袋、支撑骨架、密封条和吊装结构五部分构成。其抗振性能取决于各组件的连接强度与整体刚度。
（1）外框结构
采用双层镀锌钢板折弯焊接工艺，厚度≥1.2 mm，四角加强筋设计提升抗扭能力。国外如Camfil公司采用模块化铝合金框架，重量轻且耐腐蚀（Camfil, 2020）。
（2）滤袋固定方式
传统缝制+金属卡箍易在振动下脱线或松动。新型产品采用热熔压合+不锈钢龙骨支撑结构，显著提高疲劳寿命。实验表明，在10 Hz、2 g正弦振动条件下，热熔结构滤袋位移减少约60%（Liu & Wang, 2022）。
（3）密封与连接
EPDM密封条预压量控制在15%~20%，确保在振动环境下仍保持气密性。法兰连接螺栓扭矩应符合ISO 898-1标准，建议使用弹簧垫圈防松。
4. 抗振性能测试方法与评价指标
4.1 振动试验标准
针对船舶设备，国际电工委员会IEC 60068-2系列标准规定了环境试验方法。其中：
- IEC 60068-2-6：正弦振动试验
- IEC 60068-2-64：宽带随机振动试验
中国船级社（CCS）《船舶电气设备振动与冲击试验指南》也提出了具体要求，推荐中效过滤器进行如下测试：
| 测试类型 | 频率范围 | 加速度 | 扫频次数 | 持续时间 |
|---|---|---|---|---|
| 正弦扫描 | 5–55 Hz | 1.5g | 上下各3次 | 10 min/轴向 |
| 随机振动 | 5–200 Hz | PSD: 0.04 g²/Hz | 3轴向 | 1小时 |
PSD：功率谱密度（Power Spectral Density）
4.2 实验平台搭建
某高校实验室构建了六自由度电动振动台系统，配备激光位移传感器与高速摄像机，用于监测滤袋振幅与结构变形。试件安装模拟船舶典型工况：倾斜5°、前后悬臂支撑。
测试流程如下：
- 安装过滤器于标准测试夹具；
- 施加额定风量（3000 m³/h）运行；
- 开启振动台，按标准程序加载；
- 实时采集压力损失、滤袋位移、框架应力等数据；
- 试验后检查滤料破损、焊点开裂、密封失效等情况。
4.3 关键评价指标
| 指标名称 | 定义 | 合格标准 |
|---|---|---|
| 结构完整性 | 是否出现断裂、脱落 | 无可见损伤 |
| 气密性保持率 | 试验前后泄漏率变化 | ≤0.5% |
| 阻力增长率 | 振动后初始阻力增加比例 | ≤15% |
| 滤袋最大振幅 | 袋体中心点位移峰值 | ≤20 mm |
| 固有频率偏移 | 模态分析前后差异 | ≤10% |
实验数据显示，未经加强设计的普通袋式过滤器在55 Hz附近出现共振峰，滤袋振幅达35 mm，导致局部磨穿；而采用内部支撑环+弹性吊装的改进型产品，最大振幅降至12 mm，表现出优异的抗振能力（Chen et al., 2023）。
5. 影响抗振性能的关键因素分析
5.1 材料特性
滤料的弹性模量与阻尼比直接影响其动态响应。PET纤维具有较高拉伸强度（≥40 MPa），但阻尼低；添加玻璃纤维可提升刚度，但也增加脆性风险。研究表明，复合滤料在10–50 Hz频段内的损耗因子可达0.08–0.12，优于纯PET材料（Wang et al., 2020）。
外框材料方面，不锈钢虽耐腐蚀性强，但密度大、成本高；铝合金轻量化优势明显，但需进行阳极氧化或涂层处理以防海水侵蚀。
5.2 结构几何参数
滤袋长度、直径、袋间距等几何参数对抗振性能有显著影响。过长的滤袋（>1.5 m）易发生“鞭梢效应”，即末端大幅摆动。通过有限元仿真发现，将袋长控制在1.0–1.2 m，袋间距≥80 mm时，可有效抑制相互碰撞与涡激振动。
| 参数 | 推荐值 | 效果说明 |
|---|---|---|
| 滤袋长度 | 1.0–1.2 m | 减少末端振幅 |
| 袋间距 | ≥80 mm | 避免气流干扰与摩擦 |
| 支撑环数量 | 每袋3–5个 | 提高横向刚度 |
| 外框壁厚 | ≥1.2 mm | 抑制整体变形 |
5.3 安装方式与边界条件
现场调研显示，超过60%的过滤器故障源于安装不当。常见的错误包括：
- 使用非标法兰导致错位；
- 螺栓预紧力不均造成密封失效；
- 支架跨度过大引起共振。
推荐采用浮动式减振安装座，内置橡胶隔振垫，可降低传递到滤器本体的振动能量达40%以上（Li & Zhao, 2021）。日本三菱重工在其LNG船上已全面推广此类设计。
6. 数值模拟与优化设计
6.1 有限元建模方法
采用ANSYS Workbench建立三维实体模型，划分四面体网格，节点数约20万。材料属性按实测数据输入：
- 滤料：密度1.2 g/cm³，杨氏模量800 MPa，泊松比0.3；
- 钢板外框：密度7.85 g/cm³，E=210 GPa；
- 密封条：超弹性Mooney-Rivlin模型。
施加约束条件：底部法兰固定，入口设速度边界，出口通大气。
6.2 模态分析结果
前五阶固有频率如下表所示：
| 阶次 | 频率（Hz） | 振型描述 |
|---|---|---|
| 1 | 18.3 | 整体前后摆动 |
| 2 | 24.7 | 左右扭曲 |
| 3 | 36.5 | 滤袋上下振动 |
| 4 | 48.2 | 外框局部屈曲 |
| 5 | 62.8 | 滤袋扭转 |
结果显示，第3阶频率位于船舶主机电磁激励主频段（30–50 Hz），存在共振风险。通过增加横向加强筋与缩短滤袋长度，可将其提升至55 Hz以上，避开危险区间。
6.3 流固耦合仿真
引入CFD模块模拟气流场，计算不同风速下滤袋所受气动力。结果表明，在2 m/s风速时，单袋平均气动压力约为120 Pa，叠加振动载荷后，最大Mises应力出现在袋口缝合处，达38 MPa，接近材料屈服极限。
优化方案包括：
- 改用梯形缝合工艺，分散应力；
- 在袋口内侧加衬环形增强层；
- 降低单袋迎风面积，增加袋数。
优化后应力峰值降至22 MPa，安全系数由1.3提升至2.1。
7. 实际应用案例分析
7.1 某30万吨VLCC油轮项目
该船配备8套中效袋式过滤器，用于主甲板生活区通风。原设计选用标准型FLB-600，运行6个月后发现滤袋磨损严重，更换周期由预期的6个月缩短至3个月。
经振动检测，机舱传至通风管道的振动加速度达1.8g（@45 Hz），与滤器第三阶模态重合。改造措施包括：
- 更换为短袋型（L=1.0 m）；
- 增设内部支撑环；
- 安装橡胶减振垫。
改造后连续运行18个月未发生破损，阻力增长平稳，年维护成本降低42%。
7.2 国产化替代进程中的挑战
近年来，我国在高端过滤材料领域取得突破，但高端船舶配套仍依赖进口品牌如Donaldson、Honeywell。国产滤器在静态性能上已接近国际水平，但在动态可靠性方面仍有差距。
一项对比测试显示，在同等振动条件下，进口产品滤袋寿命平均为国产产品的1.8倍，主要差异体现在缝制工艺一致性与材料批次稳定性上（Sun et al., 2022）。
为此，多家企业正联合高校开展“海洋环境适应性过滤材料”专项攻关，重点提升材料抗疲劳性能与抗老化能力。
8. 发展趋势与技术展望
未来，空气液体中效袋式过滤器在船舶领域的抗振性能将朝着智能化、集成化方向发展：
- 智能监测系统：嵌入微型加速度传感器与压力变送器，实时上传振动状态与堵塞程度；
- 自适应结构：采用形状记忆合金（SMA）调节滤袋张紧度，主动抑制共振；
- 模块化快装设计：实现无需工具拆卸，提升维修效率；
- 绿色材料应用：开发可降解滤料，减少海洋塑料污染。
此外，随着数字孪生技术的发展，可在船舶全生命周期内对过滤器进行虚拟运维预测，提前识别潜在故障点。
相关术语解释
- ePMx：指对某一半径颗粒物的质量效率，如ePM1表示对0.3~1μm颗粒的过滤效率。
- PSD：功率谱密度，用于描述随机振动能量在频率域上的分布。
- 模态分析：研究结构在自由振动下的固有频率与振型。
- 流固耦合（FSI）：流体与固体相互作用的多物理场仿真方法。
参见
- 高效空气过滤器
- 船舶空调系统
- 振动与冲击试验
- ISO 16890标准
- 中国船级社规范
外部链接
（此处省略）
