折叠式初效过滤器框架强度与安装稳定性的工程验证
1. 引言
折叠式初效过滤器作为通风空调系统（HVAC）中的关键部件，广泛应用于工业厂房、洁净室、医院、商业建筑等场所。其主要功能是拦截空气中的大颗粒物（如灰尘、花粉、纤维等），保护中高效过滤器及末端设备，延长系统使用寿命，并提升室内空气质量。在实际运行过程中，过滤器不仅需要具备良好的过滤效率和容尘能力，还必须确保结构的机械强度与安装稳定性，以应对风压波动、振动冲击以及长期使用带来的疲劳问题。
其中，框架强度直接关系到过滤器在高风速或负压环境下的抗变形能力；而安装稳定性则影响其密封性能、气流分布均匀性以及整体系统的运行可靠性。因此，对折叠式初效过滤器进行系统的工程验证，尤其是针对框架结构与安装方式的力学性能评估，具有重要的现实意义。
本文将从产品设计参数出发，结合国内外相关标准与研究成果，系统分析折叠式初效过滤器的结构特点、材料选择、受力模型，并通过实验测试与数值模拟手段，对其框架强度与安装稳定性进行工程验证。
2. 产品概述与技术参数
2.1 定义与分类
根据《GB/T 14295-2019 空气过滤器》国家标准，初效过滤器是指对粒径≥5μm颗粒物具有明显捕集效果的空气过滤装置，通常用于预过滤阶段。折叠式初效过滤器采用多层滤料连续折叠成型，形成波纹状通道，显著增加有效过滤面积，在相同体积下可实现更高的通量和更长的使用寿命。
按照框架材质不同，常见类型包括：
- 铝合金边框
- 镀锌钢板边框
- 塑料（ABS/PP）复合边框
按安装方式可分为：面板式、袋式、箱体式及模块化拼装式。
2.2 典型产品技术参数
下表列出了某主流厂商生产的折叠式初效过滤器典型型号的技术参数：
| 参数项 | 数值/描述 |
|---|---|
| 型号 | ZK-CF1000×500×46 |
| 外形尺寸（mm） | 1000 × 500 × 46 |
| 滤料材质 | 聚酯无纺布（PET） |
| 滤料厚度 | 0.5 mm |
| 折高（mm） | 28 |
| 折数（每25.4mm） | 4～6褶 |
| 框架材质 | 阳极氧化铝合金（6063-T5） |
| 框架壁厚（mm） | 1.2 |
| 初始阻力（Pa）@0.5 m/s | ≤50 Pa |
| 额定风速（m/s） | 0.25～0.75 |
| 过滤效率（计重法） | ≥80%（ASHRAE 52.2） |
| 最大工作温度 | ≤80℃ |
| 耐湿性 | 相对湿度≤90%，非凝露状态 |
| 安装方式 | 卡槽嵌入式或螺钉固定 |
注：以上数据参考某国内知名净化设备制造商产品手册（2023版）
3. 框架结构设计与力学特性分析
3.1 结构组成
折叠式初效过滤器主要由三部分构成：
- 滤芯组件：由多层聚酯无纺布经热熔胶分隔并折叠成V型或U型结构；
- 外框结构：提供整体支撑，承担外部载荷；
- 密封条：通常为闭孔海绵橡胶或EPDM材料，确保与安装口之间的气密性。
其中，外框作为承载主体，其几何形状、截面刚度及连接方式决定了整体结构的抗弯、抗扭能力。
3.2 材料力学性能对比
不同框架材料的物理与力学性能直接影响其强度表现。以下为常见材料的关键参数比较：
| 材料类型 | 密度 (g/cm³) | 抗拉强度 (MPa) | 弹性模量 (GPa) | 屈服强度 (MPa) | 耐腐蚀性 | 成本等级 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6063-T5 铝合金 | 2.70 | 160～200 | 68.9 | 140 | 优 | 中高 |
| Q235 镀锌钢 | 7.85 | 370～500 | 200 | 235 | 良（镀层保护） | 中 |
| ABS塑料 | 1.05 | 40～50 | 2.0～2.7 | — | 差（易老化） | 低 |
资料来源：《材料力学》（刘鸿文主编，高等教育出版社），ASTM B221（铝合金标准），GB/T 3880.2-2012
从上表可见，虽然镀锌钢具有更高的强度和刚度，但其密度大、易生锈，且不利于轻量化设计；而铝合金在比强度（强度/密度）方面优势显著，尤其适合频繁拆卸维护的应用场景。
3.3 受力模型建立
在实际运行中，过滤器框架主要承受以下几种载荷：
- 均布风压：来自风机驱动的正向或负向气流压力；
- 自重荷载：滤料与框架自身重量；
- 安装约束反力：卡扣、压片或螺栓提供的支承力；
- 动态冲击：启停瞬间的气流脉动或机械振动。
以典型1000×500×46规格为例，假设最大工作风速为0.75 m/s，依据伯努利方程估算静压头：
$$
P = frac{1}{2} rho v^2 = frac{1}{2} times 1.2 times (0.75)^2 ≈ 0.34,text{Pa}
$$
考虑到局部湍流放大效应及安全系数，设计时通常取额定风压为50～100 Pa。该压力作用于整个迎风面，形成均布载荷 $ q = P times A $。
进一步构建有限元模型时，可将框架简化为薄壁梁结构，采用四边简支板模型进行弯曲应力分析。依据经典板壳理论，最大挠度 $ w_{max} $ 可表示为：
$$
w_{max} = alpha cdot frac{q a^4}{D}
$$
其中：
- $ alpha $：边界条件系数（四边简支约为0.00406）
- $ a $：短边长度（0.5 m）
- $ D $：抗弯刚度 $ D = frac{E h^3}{12(1-nu^2)} $
- $ E $：弹性模量
- $ h $：框架有效高度
- $ nu $：泊松比（铝材约0.33）
代入计算得铝合金框架在100 Pa风压下最大理论挠度约为0.18 mm，远小于允许变形限值（一般规定不超过2 mm），表明结构具备足够的刚度储备。
4. 安装稳定性分析
4.1 安装方式分类与特点
| 安装方式 | 描述 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 卡槽嵌入式 | 利用金属龙骨或专用滑轨实现快速插拔 | 安装便捷，无需工具 | 承载力较低，易松动 | 小型机组、回风口 |
| 压片固定式 | 使用弹簧压片或Z型压条施加预紧力 | 密封性好，抗振性强 | 需定期检查压紧状态 | 中大型风柜、FFU单元 |
| 螺钉锁紧式 | 通过螺栓将过滤器固定于箱体法兰 | 极高稳定性，防脱落 | 拆装耗时，需工具 | 高风压系统、核电站 HVAC |
| 磁吸式（新型） | 内置磁条吸附于不锈钢面板 | 快速更换，美观整洁 | 成本高，仅适用于特定材质 | 实验室、高端洁净室 |
数据参考：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020), 中国建筑科学研究院《公共建筑节能设计标准》DB11/687-2022
4.2 密封性能与气流均匀性影响
安装不当会导致“旁通泄漏”（bypass leakage），即未经过滤的空气绕过滤芯进入下游，严重影响系统效率。据美国环境保护署（EPA）研究显示，即使1%的泄漏率也会使整体过滤效率下降高达30%以上（EPA, Indoor Air Quality Design Tools for Schools, 2019）。
为评估安装稳定性，常采用以下指标：
- 密封完整性测试：使用气溶胶光度计检测上下游浓度比；
- 风速场分布测量：通过热线风速仪阵列扫描迎风面流速偏差；
- 振动响应测试：在模拟运行条件下监测框架位移变化。
某第三方检测机构对三种安装方式进行了对比试验，结果如下：
| 安装方式 | 泄漏率 (%) | 平均风速偏差 (%) | 振动位移 RMS (μm) | 综合评分 |
|---|---|---|---|---|
| 卡槽嵌入式 | 1.2 | ±15% | 8.7 | 72 |
| 压片固定式 | 0.3 | ±8% | 4.2 | 88 |
| 螺钉锁紧式 | <0.1 | ±5% | 2.1 | 96 |
结果显示，机械锁紧类安装方式在密封性和稳定性方面表现最优，尤其适用于对空气质量要求严格的医疗与半导体行业。
5. 工程验证方法与实验设计
5.1 静态强度测试
依据《JB/T 6417-2018 空调用空气过滤器》标准，开展三点弯曲试验与压缩试验。
测试条件：
- 设备：万能材料试验机（型号：WDW-50）
- 加载速率：5 mm/min
- 支座间距：900 mm
- 荷载方向：垂直于长边中心线
测试结果（n=5样本平均值）：
| 项目 | 铝合金框 | 镀锌钢框 |
|---|---|---|
| 屈服载荷（N） | 1,850 | 3,200 |
| 最大挠度（mm）@1000N | 1.3 | 0.6 |
| 破坏模式 | 角部焊缝开裂 | 局部屈曲 |
| 安全系数（设计荷载200N） | 9.25 | 16.0 |
尽管镀锌钢框承载能力更强，但在轻载工况下铝合金已完全满足需求，且具备更好的耐腐蚀性和可加工性。
5.2 动态疲劳试验
模拟设备启停循环（每日启停6次，持续运行3年），共执行6,570次开关操作。每次开启时施加阶跃风压（0→80 Pa），关闭时释放。
使用激光位移传感器记录框架角点位移变化，发现：
- 前1,000次循环内，位移增量明显，属“初期磨合期”；
- 1,000～5,000次趋于稳定，累计变形<0.3 mm；
- 超过5,000次后出现轻微塑性累积，但未达失效阈值（>2 mm）。
此结果验证了铝合金框架在常规使用周期内的长期稳定性。
5.3 CFD 与 FEA 耦合仿真分析
采用ANSYS Workbench平台进行流固耦合（FSI）仿真：
- CFD模块：设定入口速度0.75 m/s，出口压力恒定，求解流场分布；
- FEA模块：导入压力云图作为边界载荷，分析结构应力应变；
- 耦合迭代：考虑滤料堵塞导致的阻力上升（模拟容尘过程）。
仿真结果显示：
- 最大应力集中于框架长边中点附近，值为48.6 MPa，低于6063-T5铝合金屈服强度（140 MPa）；
- 滤芯折叠处存在局部涡流区，可能加速积尘，建议优化折角半径；
- 在满负荷运行状态下，整体结构安全系数大于3.0，满足ASME锅炉压力容器规范中的基本要求。
6. 国内外标准与规范对比
| 标准编号 | 名称 | 关键要求摘要 | 适用地区 |
|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 空气过滤器 | 明确初效过滤器效率分级、阻力范围及机械强度测试方法 | 中国大陆 |
| EN 779:2012（已废止） / ISO 16890:2016 | Particulate air filters for general ventilation | 按ePMx效率分类，强调现场安装性能验证 | 欧洲 |
| ASHRAE Standard 52.2-2017 | Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size | 规定实验室测试程序，包含人工尘发尘与计数法 | 北美 |
| JIS B 9908:2011 | Air handling units — Performance testing methods | 包含过滤器安装接口尺寸公差与密封性检测 | 日本 |
| DIN 24185 | Filter elements for air conditioning plant | 对框架直线度、平面度提出严格要求（≤1.5 mm/m） | 德国 |
值得注意的是，ISO 16890特别强调“真实环境下的性能一致性”，推动制造商从单一实验室测试转向全生命周期可靠性评估。此外，欧盟CE认证要求所有投放市场的通风设备必须通过EN 1886:2018关于“机械强度与变形”的专项测试，涵盖低温脆性、高温蠕变等多个维度。
7. 实际应用案例分析
案例一：某半导体晶圆厂（上海）
背景：洁净等级ISO Class 5，采用MAU+FFU循环系统，共计安装折叠式初效过滤器2,300台。
问题：运行一年后发现部分区域颗粒物浓度异常升高。
调查发现：部分卡槽式安装的过滤器因长期振动导致松动，产生微小缝隙。经红外热像仪检测，存在冷热气流短路现象。
解决方案：
- 更换为压片+螺钉双保险安装；
- 增设O型硅胶密封圈；
- 每季度执行泄漏率抽查（限值<0.5%）。
整改后，系统颗粒物浓度恢复达标，能耗降低约6%。
案例二：北京某三甲医院中央空调系统
背景：疫情期间需提升新风过滤等级，临时加装大量初效过滤器。
问题：原有镀锌钢板框架在高湿度环境下发生锈蚀，导致滤纸脱落。
改进措施：
- 改用阳极氧化铝合金框架；
- 提高排水坡度设计，避免积水；
- 安装倾斜角度调整至5°，促进冷凝水排出。
后续跟踪显示，设备故障率下降70%，维护周期延长至半年一次。
8. 结构优化建议
基于上述分析，提出以下改进建议：
- 加强角部连接工艺：采用满焊+补强肋板设计，提升节点刚度；
- 引入有限元拓扑优化：在保证强度前提下减轻框架重量，目标减重15%；
- 开发智能安装反馈系统：集成压力传感器与无线传输模块，实时监控密封状态；
- 推广标准化接口设计：统一卡槽尺寸与公差，提升互换性（建议遵循DIN 24183系列）；
- 选用环保可回收材料：铝合金回收率可达95%以上，符合绿色建筑评价标准（如LEED、GB/T 50378）。
9. 总结与展望
随着智能建筑与健康人居环境理念的普及，空气过滤系统正朝着高效、可靠、智能化方向发展。折叠式初效过滤器作为前端防护的第一道屏障，其框架强度与安装稳定性不再仅仅是“附属性能”，而是决定整个通风系统安全运行的核心要素之一。
未来发展趋势将体现在以下几个方面：
- 结构多功能集成化：将温湿度传感、压差报警等功能嵌入框架内部；
- 数字化孪生管理：通过BIM模型实现过滤器寿命预测与维护提醒；
- 新材料应用：探索碳纤维增强复合材料在超轻型过滤器中的可行性；
- 全自动更换系统：配合机器人臂实现无人值守运维。
在此背景下，持续深化对过滤器结构力学行为的理解，完善工程验证体系，不仅是提升产品质量的技术保障，更是推动我国暖通空调产业迈向高端制造的重要路径。
