核心提示：轉(zhuǎn)子動靜碰摩是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型故障之一。以處理一新安裝風(fēng)機(jī)碰摩故障為研究背景，建立數(shù)學(xué)模型，分別從理論和測試手段描述了動靜碰摩的發(fā)生原因及其發(fā)展機(jī)理，并對識別、判斷碰摩振動及采取相應(yīng)措施作了一些有益的探討。 

　　關(guān) 鍵 字：風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn)子 氣封 碰摩 故障研究 

　　為了提高高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的效率，往往把其密封和軸承間隙調(diào)得較小，以減少氣體和潤滑油泄漏。但小間隙除了會引起流體動力激振之外，還會發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜止部件的摩擦。例如，軸的撓曲、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子與定子熱膨張不一致、氣體動為作用、密封力作用以及轉(zhuǎn)子對中不良等原因引起的振動均可導(dǎo)致摩擦損傷，嚴(yán)重的可以造成損傷事故。

　　轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生徑向摩擦存在兩種情況，一是轉(zhuǎn)子在渦動過程中與靜止件發(fā)生局部或周期性的碰摩。轉(zhuǎn)子與靜生件發(fā)生瞬問接觸，轉(zhuǎn)子剛度增大；被靜止件反彈后脫離接觸，轉(zhuǎn)子剛度減小，井且發(fā)生橫向自由振動。因此，轉(zhuǎn)子剛度在接觸與非接觸兩者之間變化，轉(zhuǎn)子橫向自由振動與強(qiáng)迫的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、渦流運(yùn)動疊加在一起，產(chǎn)生一些特有的、復(fù)雜的振動響應(yīng)頻率。二是轉(zhuǎn)子與靜止件的摩擦接觸弧度較大時(shí)，會發(fā)生連續(xù)的全周接觸摩擦。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生強(qiáng)烈振動時(shí)，軸頸于軸瓦發(fā)生大面積干摩擦，由于摩擦力很大，轉(zhuǎn)子處干完全失穩(wěn)狀態(tài)。

　　一、碰摩案例

　　某新安裝的風(fēng)機(jī)，型號為SJK2500-410/94，進(jìn)氣容積流量為2250m3/min，排氣壓力410kPa，有四級葉輪，分為兩段，段間安裝有中冷器，轉(zhuǎn)速為4 394r/min。風(fēng)機(jī)啟動后，迸風(fēng)閥全開進(jìn)行無負(fù)荷試車，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣端軸振動逐漸增大，雖無太大的波動，但是隨著時(shí)間的推移，振動上升到100μm，且高壓端軸振也尾隨低壓端逐漸增大，整個(gè)過程中風(fēng)機(jī)蝸殼振動并不大，各振動傳感器均工作正常。鑒于振動已超標(biāo)且仍沒有趨于穩(wěn)定的跡象，隨即決定停車處理。首先檢查進(jìn)氣端軸承，核實(shí)間隙，巴氏合金瓦沒有異常，頂隙和側(cè)隙均在允許范圍內(nèi)。

　　風(fēng)相狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的振動測點(diǎn)布置如圖1所示，采樣頻率2kHz，為探尋振動故障的具體原因，對采集到的低壓端車曲辰動數(shù)據(jù)做相關(guān)處理，得到垂直方向時(shí)域波形圖（圖2）、頻譜圖（圖3）、全息譜圖（圖4、圖5）和軸心軌跡圖（圖6）。

　　從圖2~6可以看出該振動具有明顯的碰摩特征。時(shí)域波形存在削頂現(xiàn)象，頻譜圖上除轉(zhuǎn)子工頻外，還有豐富的高次諧波成分，全息譜中出現(xiàn)多個(gè)頻率（1~8倍頻）的橢圓，軸心合成軌跡存在尖角，從歷史數(shù)據(jù)曲線還可發(fā)現(xiàn)軸振動隨Ⅰ段出氣溫度的升高而增大，由以上特征可判斷振動故障是由碰摩引起的。

　　開缸檢查后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和氣封發(fā)生全周碰摩，一級葉輪下氣封受熱出現(xiàn)嚴(yán)重收口，轉(zhuǎn)子上有明顯劃痕。后對該氣封進(jìn)行刮研，重新調(diào)整了間隙，再次啟車，并嚴(yán)格控制調(diào)整進(jìn)風(fēng)閥的速度，放緩負(fù)荷增加幅度，各振動值穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

　　二、碰摩模型

　　針對上述的碰摩情況，為從理論上進(jìn)一步分析，建立了Jeffcott轉(zhuǎn)子一氣封碰摩的數(shù)學(xué)模型（見圖7）和運(yùn)動微分方程。 

 



?Jeffcot轉(zhuǎn)子與一氣封相碰摩。由此產(chǎn)生一作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力N和切向力Ff，可分別表示為

N=ks(r-r0) (1)

Ff=μN(yùn) (2)

式中：ks??氣封剛度；

μ??摩擦系數(shù)；

r??轉(zhuǎn)子振動位移；

r0??轉(zhuǎn)子和氣封間的徑向間隙，且r=x+jy。

得到無量綱形式的方程



　　　　方程(3)的解描述了碰摩時(shí)轉(zhuǎn)子的振動。

　　三、工作轉(zhuǎn)速下動靜碰摩特點(diǎn)

　　1．易在新投運(yùn)機(jī)組或大修后發(fā)生 

　　本次故障事例中的風(fēng)機(jī)就是安裝后第一次啟動，如果安裝中動靜間隙控制不當(dāng)，在某一外界因素?cái)_動下就容易發(fā)生摩擦振動。

     1 前言

　　中央空調(diào)是大廈里的耗電大戶，正常供暖或供冷季節(jié)每年的電費(fèi)中空調(diào)耗電占60％左右，因此中央空調(diào)的節(jié)能改造顯得尤為重要。由于中央空調(diào)系統(tǒng)按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，并且留10-20％設(shè)計(jì)余量，而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的冗余，所以節(jié)能的潛力很大,廠房降溫水簾。另外冷凍水泵和冷卻水泵不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度和合理數(shù)量，只能靠門和旁通來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量與壓差，因此不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，從而致使大量電能浪費(fèi)（冷凍水泵額外負(fù)載增多間接造成冷水機(jī)組負(fù)荷變大）和造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。

　　本文針對某酒店改造項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，利用變頻器和PLC的控制系統(tǒng)對原項(xiàng)目的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，使其更加合理利用能量，對于減少能耗、提高效率具有重要意義。

　　2　項(xiàng)目介紹

　　廣東某酒店改造項(xiàng)目節(jié)能改造點(diǎn)如下:

　　1．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷凍水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整供應(yīng)冷量，雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi)。

　　2．東樓/西樓中央空調(diào)之冷卻水泵控制，改造原因：人工通過調(diào)整管阻調(diào)整冷卻水流量（熱交換量），雖然滿足使用但造成巨大的能量浪費(fèi),水簾廠家。

　　3．東樓/西樓的中央空調(diào)之冷卻塔風(fēng)機(jī)控制，改造原因：一是頻繁啟動，沖擊電流大，接觸器和電機(jī)壽命受影響；二是風(fēng)量不能根據(jù)送回水溫度自動調(diào)整而造成能量浪費(fèi)。

　　4．風(fēng)機(jī)盤管冷量交換控制，主要分布點(diǎn)為東樓5號會議廳、天波府和大堂及西樓的保齡球館、宴會廳、西餐廳、一樓大堂、天堂吧、潮洲城、二樓大堂、東大堂和會議室等地方，改造原因：目前熱交換和新風(fēng)供給不能根據(jù)人流的多寡作快速調(diào)整，并且溫控不精確（采樣點(diǎn)在回風(fēng)口，冬天供暖，熱氣上升，人員活動區(qū)溫度較設(shè)定溫度低；反之，夏天供冷氣，冷氣下降，人員活動區(qū)溫度較設(shè)定溫度低。

　　5．東樓/西樓的供水系統(tǒng)，改造原因：目前采用人工大幅容調(diào)，由于供水電機(jī)功率較大（分別為55KW和30KW），大幅容調(diào)除了造成大的功率冗余和能量浪費(fèi)，同時(shí)將會造成供水不穩(wěn)定、水錘和啟動電流沖擊，嚴(yán)重影響管件壽命和供水水質(zhì)。

　　3　控制方案及實(shí)現(xiàn)方法

　　酒店中央空調(diào)結(jié)構(gòu)分為供暖和供冷兩部分，其中供冷包含冷卻塔，冷水機(jī)組，冷凍水泵，冷卻水泵和末端，供暖部分包含熱水泵和加熱器。該中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 中央空調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　該中央空調(diào)的西樓配置圖和東樓配置圖分別如圖2和圖3所示：

圖2 西樓配置圖

圖3 東樓配置圖

　　（1）冷凍機(jī)組

　　一般冷凍機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式：在冷水機(jī)組的供/回水總管上分別設(shè)一個(gè)溫度傳感器（T），在冷凍回水管上設(shè)一個(gè)流量計(jì)（F），同時(shí)將此三種信號輸入到控制器，經(jīng)運(yùn)算可得出大樓的冷負(fù)荷Q=F*△T，根據(jù)冷機(jī)組的效率曲線，經(jīng)過計(jì)算比較，取各種組合中的能耗最小者，并根據(jù)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而自動選擇冷機(jī)的最佳組合。使系統(tǒng)的總能耗保持在最小值，以達(dá)到最佳節(jié)能的效果。

　　雖然大容調(diào)會產(chǎn)生大的功率冗余大的能量浪費(fèi)，但從冷水機(jī)組的運(yùn)行特性考慮，在沒有生產(chǎn)廠家配合處理的情況下不適宜進(jìn)行變頻改造，故本方案暫不考慮。

　�。�2）冷凍泵組/冷卻泵組

　　控制方式：依據(jù)所送水/回水溫差、流量和供回水壓差，計(jì)算決定啟動機(jī)組臺數(shù)和變頻運(yùn)行泵的運(yùn)行頻率，自動調(diào)整到最佳熱交換量狀態(tài)；

　　由于水泵采用的是Y—△起動方式，電機(jī)的起動電流均為其額定電流的3～4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命將受到影響；起動時(shí)的機(jī)械沖及和停泵時(shí)水錘現(xiàn)象，容易對機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用，另外，僅因啟動需要將不得不使整棟大樓的配電容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機(jī)后，電機(jī)在起動時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命最主要的因素，同時(shí)采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件，軸承、閥門、管道的使用壽命。

　　在無旁通閥作用的情況下，變頻器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化相應(yīng)調(diào)整冷凍水泵電機(jī)和冷卻水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作而達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會大大減少。

　　-------N1為改變后的轉(zhuǎn)速，N0為電機(jī)原轉(zhuǎn)速，P0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)軸功率消耗，Q0為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

　　由上式可以看出流量Q與轉(zhuǎn)速N一次方成正比，功耗P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比。假設(shè)原流量為100個(gè)單位，耗能也為100個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低10個(gè)單位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改變了10個(gè)單位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率將減少27．1個(gè)單位，即流量減少10%能耗減少了27．1％。

　　當(dāng)用蝶閥的開度來控制冷凍、冷卻水流量大小時(shí)，蝶閥阻管與功率P變化（如圖4a所示）由曲線1到曲線2，流量減小，但功率卻沒有減小多少。若通過調(diào)整轉(zhuǎn)速（如圖4b所示），H-Q曲線由曲線1到曲線2，蝶閥開度100%時(shí)，蝶閥阻力為零，管道阻不變，功率省很多。

 圖4 （a） 阻管與功率P變化曲線圖(b)不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的阻管與功率P變化曲線圖

　　系統(tǒng)改造方式如下：

　　西樓和東樓冷凍冷卻泵控制圖分別如圖5和圖6所示：

圖5 東樓冷凍冷卻泵控制原理圖

圖6 西樓冷凍冷卻泵控制原理圖

　　（3）冷卻塔風(fēng)機(jī)

　　控制方式：控制送水/回水溫差為恒值為目標(biāo)，調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量；外界氣溫的變化或者使用場合熱交換量的變化，大部分時(shí)間并不要求冷卻塔風(fēng)機(jī)和全速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于

　　n=60f(1-s)/p;-----p：電機(jī)極數(shù)

　　根據(jù)流體力學(xué)知：風(fēng)壓H 正比于轉(zhuǎn)速n?;所消耗的功率P等于風(fēng)量Q與風(fēng)壓H之積（即輸出功率P正比于轉(zhuǎn)速n?），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

　　風(fēng)量減小20?，即轉(zhuǎn)速降低20?，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

　　風(fēng)量減小50?，即轉(zhuǎn)速降低50?，節(jié)省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

　　可見，大部分情況冷卻塔風(fēng)機(jī)處于做無用功狀態(tài)，并且浪費(fèi)的能量較大。因而，在保證系統(tǒng)正常散熱風(fēng)量的前提下調(diào)速，即使扣除實(shí)際上由于轉(zhuǎn)速下降可能引起的電機(jī)和風(fēng)機(jī)效率降低這一因素，采用變頻器調(diào)速，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果還是非常顯著的。

　　改造方式如圖7所示：

圖7 冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造圖

　　控制結(jié)果：大幅降低能耗；無啟動電流沖擊。

　�。�4）風(fēng)機(jī)盤管冷/熱量交換控制

　　在中央空調(diào)系統(tǒng)中，各種用房冷暖設(shè)備除新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組外，還大量使用風(fēng)機(jī)盤管。它只有盤管、三速風(fēng)機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥，感溫組件、控制器等組成。一般三速風(fēng)機(jī)開關(guān)，感溫組件、控制器等制成一個(gè)整件設(shè)備，目前，市場上有兩種，一種是盤管控制器為DDC控制，并具備與主機(jī)通訊功能。這種控制器可通過計(jì)算原則中心控制，西樓使用這種方式。另一種是不具備通訊功能的盤管控制器，可以按照水系統(tǒng)的連接情況的將風(fēng)機(jī)盤管分為若干組，每組的支路入口處安裝流量計(jì)、供回水壓差變送器及供回水溫度傳感器。從而可計(jì)算出風(fēng)機(jī)盤管水閥的開度，并給電動調(diào)節(jié)閥一個(gè)指令，從而將電動閥調(diào)節(jié)至相應(yīng)的開啟度，使盤管中流過所需要的水流量，東樓使用這種方式。為解決面臨的問題，可以通過對采樣到的回風(fēng)溫度及其二氧化碳焓量控制調(diào)整加熱盤管及表冷盤管二通電動調(diào)節(jié)閥開度和送風(fēng)風(fēng)量（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），實(shí)現(xiàn)對送風(fēng)溫度（設(shè)定點(diǎn)可調(diào)整）的控制。方式如圖8所示：

圖8 風(fēng)機(jī)盤管冷/熱量交換控制改造圖

　　另外，要提供一個(gè)舒適的環(huán)境，除控制室溫外，還需對室外溫/濕度進(jìn)行監(jiān)測，通過室環(huán)境溫/濕度檢測，實(shí)時(shí)調(diào)整空調(diào)機(jī)和新風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量，進(jìn)行過渡季節(jié)的全新風(fēng)和空調(diào)季節(jié)的小新風(fēng)控制。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的CO2濃度自動調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)的新/回風(fēng)混合比，提供長期舒適的活動環(huán)境，同時(shí)可達(dá)到節(jié)能效果。

　�。�5）供水

　　以設(shè)定供水壓力為目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際用水量，利用VFD-F的自動加減泵功能和調(diào)頻功能，合理利用能量，維持供水壓力的恒定，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動和避免水錘效應(yīng)。

　　其改造圖如圖9所示：

圖9 供水系統(tǒng)改造圖

　　3 結(jié)語

　　本文基于客戶設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)，利用變頻技術(shù)和PLC的強(qiáng)大的邏輯控制功能及通訊功能，為客戶提供了一套完整的控制系統(tǒng)改造方案，使中央空調(diào)系統(tǒng)能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪費(fèi)。運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價(jià)比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。