核心提示：转子动静碰摩是高速旋转机械的典型故障之一。以处理一新安装风机碰摩故障为研究背景，建立数学模型，分别从理论和测试手段描述了动静碰摩的发生原因及其发展机理，并对识别、判断碰摩振动及采取相应措施作了一些有益的探讨。 

　　关 键 字：风机 转子 气封 碰摩 故障研究 

　　为了提高高速旋转机械的效率，往往把其密封和轴承间隙调得较小，以减少气体和润滑油泄漏。但小间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的摩擦。例如，轴的挠曲、转子不平衡、转子与定子热膨张不一致、气体动为作用、密封力作用以及转子对中不良等原因引起的振动均可导致摩擦损伤，严重的可以造成损伤事故。

　　转子与静止件发生径向摩擦存在两种情况，一是转子在涡动过程中与静止件发生局部或周期性的碰摩。转子与静生件发生瞬问接触，转子刚度增大；被静止件反弹后脱离接触，转子刚度减小，井且发生横向自由振动。因此，转子刚度在接触与非接触两者之间变化，转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡流运动叠加在一起，产生一些特有的、复杂的振动响应频率。二是转子与静止件的摩擦接触弧度较大时，会发生连续的全周接触摩擦。当旋转机械发生强烈振动时，轴颈于轴瓦发生大面积干摩擦，由于摩擦力很大，转子处干完全失稳状态。

　　一、碰摩案例

　　某新安装的风机，型号为SJK2500-410/94，进气容积流量为2250m3/min，排气压力410kPa，有四级叶轮，分为两段，段间安装有中冷器，转速为4 394r/min。风机启动后，迸风阀全开进行无负荷试车，发现进气端轴振动逐渐增大，虽无太大的波动，但是随着时间的推移，振动上升到100μm，且高压端轴振也尾随低压端逐渐增大，整个过程中风机蜗壳振动并不大，各振动传感器均工作正常。鉴于振动已超标且仍没有趋于稳定的迹象，随即决定停车处理。首先检查进气端轴承，核实间隙，巴氏合金瓦没有异常，顶隙和侧隙均在允许范围内。

　　风相状态监测系统的振动测点布置如图1所示，采样频率2kHz，为探寻振动故障的具体原因，对采集到的低压端车曲辰动数据做相关处理，得到垂直方向时域波形图（图2）、频谱图（图3）、全息谱图（图4、图5）和轴心轨迹图（图6）。

　　从图2~6可以看出该振动具有明显的碰摩特征。时域波形存在削顶现象，频谱图上除转子工频外，还有丰富的高次谐波成分，全息谱中出现多个频率（1~8倍频）的椭圆，轴心合成轨迹存在尖角，从历史数据曲线还可发现轴振动随Ⅰ段出气温度的升高而增大，由以上特征可判断振动故障是由碰摩引起的。

　　开缸检查后，发现转子和气封发生全周碰摩，一级叶轮下气封受热出现严重收口，转子上有明显划痕。后对该气封进行刮研，重新调整了间隙，再次启车，并严格控制调整进风阀的速度，放缓负荷增加幅度，各振动值稳定在合格范围内，风机运转正常。

　　二、碰摩模型

　　针对上述的碰摩情况，为从理论上进一步分析，建立了Jeffcott转子一气封碰摩的数学模型（见图7）和运动微分方程。 

 



?Jeffcot转子与一气封相碰摩。由此产生一作用在转子上的径向力N和切向力Ff，可分别表示为

N=ks(r-r0) (1)

Ff=μN (2)

式中：ks??气封刚度；

μ??摩擦系数；

r??转子振动位移；

r0??转子和气封间的径向间隙，且r=x+jy。

得到无量纲形式的方程



　　　　方程(3)的解描述了碰摩时转子的振动。

　　三、工作转速下动静碰摩特点

　　1．易在新投运机组或大修后发生 

　　本次故障事例中的风机就是安装后第一次启动，如果安装中动静间隙控制不当，在某一外界因素扰动下就容易发生摩擦振动。

     1 前言

　　中央空调是大厦里的耗电大户，正常供暖或供冷季节每年的电费中空调耗电占60％左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。由于中央空调系统按最大负荷设计，并且留10-20％设计余量，而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的冗余，所以节能的潜力很大,厂房降温水帘。另外冷冻水泵和冷却水泵不能随负载变化作出相应调节运行速度和合理数量，只能靠门和旁通来调节系统的流量与压差，因此不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，从而致使大量电能浪费（冷冻水泵额外负载增多间接造成冷水机组负荷变大）和造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。

　　本文针对某酒店改造项目的自身特点，利用变频器和PLC的控制系统对原项目的中央空调系统进行节能改造，使其更加合理利用能量，对于减少能耗、提高效率具有重要意义。

　　2　项目介绍

　　广东某酒店改造项目节能改造点如下:

　　1．东楼/西楼的中央空调之冷冻水泵控制，改造原因：人工通过调整管阻调整供应冷量，虽然满足使用但造成巨大的能量浪费。

　　2．东楼/西楼中央空调之冷却水泵控制，改造原因：人工通过调整管阻调整冷却水流量（热交换量），虽然满足使用但造成巨大的能量浪费,水帘厂家。

　　3．东楼/西楼的中央空调之冷却塔风机控制，改造原因：一是频繁启动，冲击电流大，接触器和电机寿命受影响；二是风量不能根据送回水温度自动调整而造成能量浪费。

　　4．风机盘管冷量交换控制，主要分布点为东楼5号会议厅、天波府和大堂及西楼的保龄球馆、宴会厅、西餐厅、一楼大堂、天堂吧、潮洲城、二楼大堂、东大堂和会议室等地方，改造原因：目前热交换和新风供给不能根据人流的多寡作快速调整，并且温控不精确（采样点在回风口，冬天供暖，热气上升，人员活动区温度较设定温度低；反之，夏天供冷气，冷气下降，人员活动区温度较设定温度低。

　　5．东楼/西楼的供水系统，改造原因：目前采用人工大幅容调，由于供水电机功率较大（分别为55KW和30KW），大幅容调除了造成大的功率冗余和能量浪费，同时将会造成供水不稳定、水锤和启动电流冲击，严重影响管件寿命和供水水质。

　　3　控制方案及实现方法

　　酒店中央空调结构分为供暖和供冷两部分，其中供冷包含冷却塔，冷水机组，冷冻水泵，冷却水泵和末端，供暖部分包含热水泵和加热器。该中央空调的系统结构如图1 所示：

图1 中央空调的系统结构图

　　该中央空调的西楼配置图和东楼配置图分别如图2和图3所示：

图2 西楼配置图

图3 东楼配置图

　　（1）冷冻机组

　　一般冷冻机组控制系统设计方式：在冷水机组的供/回水总管上分别设一个温度传感器（T），在冷冻回水管上设一个流量计（F），同时将此三种信号输入到控制器，经运算可得出大楼的冷负荷Q=F*△T，根据冷机组的效率曲线，经过计算比较，取各种组合中的能耗最小者，并根据设备累计运行时间，进而自动选择冷机的最佳组合。使系统的总能耗保持在最小值，以达到最佳节能的效果。

　　虽然大容调会产生大的功率冗余大的能量浪费，但从冷水机组的运行特性考虑，在没有生产厂家配合处理的情况下不适宜进行变频改造，故本方案暂不考虑。

　　（2）冷冻泵组/冷却泵组

　　控制方式：依据所送水/回水温差、流量和供回水压差，计算决定启动机组台数和变频运行泵的运行频率，自动调整到最佳热交换量状态；

　　由于水泵采用的是Y—△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命将受到影响；起动时的机械冲及和停泵时水锤现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏而增加维修工作量和备品、备件费用，另外，仅因启动需要将不得不使整栋大楼的配电容量增大若干倍、投入成本增加若干倍。变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件，轴承、阀门、管道的使用寿命。

　　在无旁通阀作用的情况下，变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化相应调整冷冻水泵电机和冷却水泵电机的转速，满足中央空调系统正常工作而达到节能目的。水泵电机转速下降，电机从电网吸收的电能就会大大减少。

　　-------N1为改变后的转速，N0为电机原转速，P0为原电机转速下的电机轴功率消耗，Q0为原电机转速下所产生的水泵流量。

　　由上式可以看出流量Q与转速N一次方成正比，功耗P与转速N三次方成正比。假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由△Q＝Q0〔1-（N1/N0）〕＝100*〔1—（90／100）〕＝10可得出流量改变了10个单位，△P＝P0[1－（Nl／N0）^3]＝100×(1—(90／100)^3)＝27．1，可以得出，功率将减少27．1个单位，即流量减少10%能耗减少了27．1％。

　　当用蝶阀的开度来控制冷冻、冷却水流量大小时，蝶阀阻管与功率P变化（如图4a所示）由曲线1到曲线2，流量减小，但功率却没有减小多少。若通过调整转速（如图4b所示），H-Q曲线由曲线1到曲线2，蝶阀开度100%时，蝶阀阻力为零，管道阻不变，功率省很多。

 图4 （a） 阻管与功率P变化曲线图(b)不同转速对应的阻管与功率P变化曲线图

　　系统改造方式如下：

　　西楼和东楼冷冻冷却泵控制图分别如图5和图6所示：

图5 东楼冷冻冷却泵控制原理图

图6 西楼冷冻冷却泵控制原理图

　　（3）冷却塔风机

　　控制方式：控制送水/回水温差为恒值为目标，调整冷却塔风机风量；外界气温的变化或者使用场合热交换量的变化，大部分时间并不要求冷却塔风机和全速运转，由于

　　n=60f(1-s)/p;-----p：电机极数

　　根据流体力学知：风压H 正比于转速n?;所消耗的功率P等于风量Q与风压H之积（即输出功率P正比于转速n?），即Q=K1n;H=K2n2;P=Q*H=K1K2n3

　　风量减小20?，即转速降低20?，节省功率ΔP=K[n3-(0.8n)3]=0.438 K1K2n

　　风量减小50?，即转速降低50?，节省功率ΔP=K[n3-(0.5n)3]=0.875 K1K2n

　　可见，大部分情况冷却塔风机处于做无用功状态，并且浪费的能量较大。因而，在保证系统正常散热风量的前提下调速，即使扣除实际上由于转速下降可能引起的电机和风机效率降低这一因素，采用变频器调速，风机的节能效果还是非常显着的。

　　改造方式如图7所示：

图7 冷却塔风机系统改造图

　　控制结果：大幅降低能耗；无启动电流冲击。

　　（4）风机盘管冷/热量交换控制

　　在中央空调系统中，各种用房冷暖设备除新风机组和空调机组外，还大量使用风机盘管。它只有盘管、三速风机、电动调节阀，感温组件、控制器等组成。一般三速风机开关，感温组件、控制器等制成一个整件设备，目前，市场上有两种，一种是盘管控制器为DDC控制，并具备与主机通讯功能。这种控制器可通过计算原则中心控制，西楼使用这种方式。另一种是不具备通讯功能的盘管控制器，可以按照水系统的连接情况的将风机盘管分为若干组，每组的支路入口处安装流量计、供回水压差变送器及供回水温度传感器。从而可计算出风机盘管水阀的开度，并给电动调节阀一个指令，从而将电动阀调节至相应的开启度，使盘管中流过所需要的水流量，东楼使用这种方式。为解决面临的问题，可以通过对采样到的回风温度及其二氧化碳焓量控制调整加热盘管及表冷盘管二通电动调节阀开度和送风风量（风机转速），实现对送风温度（设定点可调整）的控制。方式如图8所示：

图8 风机盘管冷/热量交换控制改造图

　　另外，要提供一个舒适的环境，除控制室温外，还需对室外温/湿度进行监测，通过室环境温/湿度检测，实时调整空调机和新风机的新风量，进行过渡季节的全新风和空调季节的小新风控制。根据监测环境的CO2浓度自动调节空调机的新/回风混合比，提供长期舒适的活动环境，同时可达到节能效果。

　　（5）供水

　　以设定供水压力为目标，根据实际用水量，利用VFD-F的自动加减泵功能和调频功能，合理利用能量，维持供水压力的恒定，同时能实现无冲击启动和避免水锤效应。

　　其改造图如图9所示：

图9 供水系统改造图

　　3 结语

　　本文基于客户设备的实际特点，利用变频技术和PLC的强大的逻辑控制功能及通讯功能，为客户提供了一套完整的控制系统改造方案，使中央空调系统能更合理利用能量，避免了能量的不必要浪费。运行实践表明，系统性能稳定，安全可靠，性价比高，值得业界同行借鉴和推广。