微振動組合式空調(diào)機(jī)組的研制

許 駿

上海新晃空調(diào)設(shè)備股份有限公司 上海 201601

隨著國家科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，在光導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)試、集成電路光刻、空間光學(xué)系統(tǒng)檢測、激光實(shí)驗(yàn)、微粒子研發(fā)等各類尖端技術(shù)領(lǐng)域，對試驗(yàn)研發(fā)環(huán)境的微污染控制也提出了更高要求?？刂莆⑽廴荆呀?jīng)成為現(xiàn)代科技發(fā)展的一項(xiàng)前沿學(xué)科，控制微振動是這一學(xué)科的一個重要分支[1]。

本文基于某大學(xué)X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目建設(shè)需求，依據(jù)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，按序推進(jìn)微振動組合式空調(diào)機(jī)組研制，并通過業(yè)主和設(shè)計(jì)、建設(shè)單位階段性驗(yàn)收，驗(yàn)證了研制方案、技術(shù)措施的可靠性，達(dá)到了預(yù)期的工程建設(shè)完善配套目標(biāo)。

上海某自由電子激光裝置工程目標(biāo)是建設(shè)一臺高能量超導(dǎo)直線加速器、3條波蕩器線、3條光束線及10個實(shí)驗(yàn)站。對于暖通空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書陳述的運(yùn)行要求規(guī)定：隧道內(nèi)振動指標(biāo)，1 Hz以上RMS振幅小于150 nm，即1 Hz以上均方根振幅小于150 nm。一般精密廠房和實(shí)驗(yàn)室周圍常設(shè)置有動力站房，常用動力設(shè)備有空調(diào)機(jī)、空壓機(jī)、制冷機(jī)、泵等，這些設(shè)備及其管道是不可忽視的振源。

對于組合式空調(diào)機(jī)組，項(xiàng)目關(guān)聯(lián)各方商定以最接近光束線和波蕩器隧道的ZK30機(jī)組為樣板，進(jìn)行微振動機(jī)組的研制。按現(xiàn)行GB/T 14294—2008《組合式空調(diào)機(jī)組》第6.3.11條款規(guī)定：機(jī)組振幅不應(yīng)大于15 μm（垂直）[2]。由此可見，該項(xiàng)目研制機(jī)組的振幅需控制在常規(guī)產(chǎn)品振幅的1%以下，同時，項(xiàng)目關(guān)聯(lián)各方商定振幅檢測按水平和垂直2個維度同時輸出，以滿足科學(xué)裝置高精度運(yùn)行需求。這些都對本項(xiàng)研制的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝、儀表購置等技術(shù)措施提出了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

1 風(fēng)機(jī)選型和三級減振設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)機(jī)的合理選型

樣板ZK30機(jī)組由混合、過濾、冷卻、加熱、送風(fēng)機(jī)、加濕等功能段組成，主要振源為送風(fēng)機(jī)，本著成熟可靠、兼顧經(jīng)濟(jì)合理原則，研制樣板機(jī)組選用長期合作的廠家提供專業(yè)高效風(fēng)機(jī)。

對比輸出風(fēng)機(jī)選型報告3份，按風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、全壓效率、靜壓效率、風(fēng)機(jī)吸收功率、電機(jī)裝機(jī)功率、8倍頻程聲功率進(jìn)行逐項(xiàng)對比，形成對比報告，如表1、表2所示。

表1 三家風(fēng)機(jī)廠家提供適用風(fēng)機(jī)的參數(shù)報告一

表2 三家風(fēng)機(jī)廠家提供適用風(fēng)機(jī)的參數(shù)報告二

考慮研制開發(fā)的重要性和特殊性，風(fēng)機(jī)選型參考工程流體力學(xué)實(shí)用原則：利用風(fēng)機(jī)性能曲線選擇風(fēng)機(jī)，將同系列而不同規(guī)格風(fēng)機(jī)的全壓、功率、轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系表示在同一張對數(shù)坐標(biāo)圖上并構(gòu)成曲線，風(fēng)機(jī)的工作范圍一般規(guī)定為設(shè)計(jì)點(diǎn)最高效率的90%以上的區(qū)段[3]。由表1、表2數(shù)據(jù)對比，按噪聲＋聲功率綜合評價，首選風(fēng)機(jī)應(yīng)為ADA710C。

但考慮皮帶傳動風(fēng)機(jī)的動力來源是電機(jī)，有文獻(xiàn)針對三相異步電動機(jī)常見振動故障指出，電動機(jī)的軸承和軸瓦磨損是電機(jī)振動的主要原因之一[4]。

風(fēng)機(jī)端的高轉(zhuǎn)速同樣會導(dǎo)致常用滾珠軸承負(fù)載過重，經(jīng)長期運(yùn)行后軸瓦間隙變大，后期可能引起電機(jī)和風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的振動。由于BDB710C、ADA710C風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 340～1 350 r/min，更易產(chǎn)生機(jī)械疲勞損傷，增大振源（電機(jī)）振幅強(qiáng)度。同時風(fēng)機(jī)的較高出口風(fēng)速也較易引發(fā)后續(xù)送風(fēng)管內(nèi)湍流振動，因此綜合考慮后選定ADA800T為樣板風(fēng)機(jī)。

1.2 風(fēng)機(jī)三級減振的設(shè)計(jì)

在風(fēng)機(jī)的四角設(shè)置減振器，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠配重?cái)?shù)據(jù)，得到減振器效率計(jì)算書。其中，各點(diǎn)壓縮量相差在2 mm內(nèi)，同時隔振效率達(dá)到90%以上。按計(jì)算數(shù)據(jù)配置彈簧減振器，形成風(fēng)機(jī)段箱體內(nèi)一級減振。

參考GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、07K304《空調(diào)機(jī)房設(shè)計(jì)與安裝》標(biāo)準(zhǔn)圖集示例，計(jì)算風(fēng)機(jī)段箱體（含風(fēng)機(jī)＋電機(jī)）質(zhì)量約1 070 kg。

按照上海地區(qū)C30混凝土同條件養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報告[5]，按實(shí)際施工時5—6月的數(shù)據(jù)，拌制厚度160 mm的混凝土塊狀平臺（外形尺寸3 100 mm×2 140 mm× 160 mm），養(yǎng)護(hù)28 d后移至預(yù)定試驗(yàn)場地。此時風(fēng)機(jī)段箱體質(zhì)量1 070 kg，實(shí)際荷載橡膠減振墊規(guī)格6×（500 mm×75 mm×15 mm），計(jì)算C30混凝土基礎(chǔ)極限承載79 280 kg，實(shí)際承載占比為1.35%；基座與風(fēng)機(jī)段箱體質(zhì)量比為2.5，符合《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》第16.6.3“隔振基座”中表16.6-5的限值規(guī)定[6]，處于合理荷載范圍。箱體底座與混凝土平臺間放置15 mm厚度橡膠減振墊6個（500 mm×75 mm×15 mm規(guī)格，有效阻尼隔振荷載0.5 MPa），完成風(fēng)機(jī)段箱體外二級減振。最后，計(jì)算C30混凝土平臺（含風(fēng)機(jī)段及箱體上部風(fēng)管）質(zhì)量約3 724 kg，預(yù)定試驗(yàn)場地硬質(zhì)地面與混凝土平臺間放置厚度20 mm橡膠減振墊77個（300 mm×300 mm×2 mm，有效阻尼隔振荷載0.7 MPa），完成樣板風(fēng)機(jī)段三級減振。

2 空調(diào)機(jī)組的微振動測試

2.1 高精度測試裝置選購及適用性

基于前述測試要求，常用的單維度單點(diǎn)測振儀無法滿足測試要求，經(jīng)多方咨詢對比，選購某型號的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（成套儀電裝置）。相比傳統(tǒng)的振動測試儀，其主要優(yōu)勢如下：

1）配備同步時鐘盒，主要在多臺設(shè)備（或傳感器）需要進(jìn)行同步采集時使用，當(dāng)有多臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行同步采樣時，將各設(shè)備的同步時鐘接口與同步時鐘盒的接口進(jìn)行連接即可，實(shí)現(xiàn)設(shè)備（或傳感器）的同步采集，并可同時對X、Y、Z三維方向振動跟蹤輸出，滿足振幅檢測按水平和垂直2個維度同時輸出的測試要求。

2）配備2D001磁電式速度傳感器，此類傳感器的靈敏度單位是mV/EU，其中EU表示該傳感器測量的工程單位，換算最小感應(yīng)量程為1 nm，滿足測試精度要求。

3）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)可設(shè)定測量內(nèi)容和調(diào)整參數(shù)管理設(shè)置。測試結(jié)果自動輸出速度時程對比曲線（橫坐標(biāo)軸為時間，縱坐標(biāo)軸為速度），和有效值譜對比曲線（橫坐標(biāo)軸為頻率，縱坐標(biāo)軸為有效值譜），與技術(shù)規(guī)格書要求的1 Hz以上RMS振幅對應(yīng)。

2.2 微振動測試

預(yù)定試驗(yàn)場地硬質(zhì)地面測試裝置和測點(diǎn)位置如圖1所示，在放置機(jī)組的C30混凝土基礎(chǔ)平臺上（放置P1測點(diǎn)）及周圍地面（放置P2、P3測點(diǎn)）共布置3組測點(diǎn)。其中P2測點(diǎn)在混凝土基礎(chǔ)周圍地面位置；P3測點(diǎn)在與風(fēng)機(jī)垂直的水平方向距離P2測點(diǎn)間隔2 m的位置。

2.3 硬質(zhì)地面測試結(jié)果分析

日間時段和夜間時段2種條件下，風(fēng)機(jī)關(guān)閉和開啟2種工況的各測點(diǎn)有效值對比如表3所示，表內(nèi)數(shù)值已換算為納米并保留3位小數(shù)。

由表內(nèi)P2、P3數(shù)據(jù)可知：經(jīng)三級減振措施后，P2測點(diǎn)日間啟停垂直振幅差9.47 nm，水平振幅差0.1 nm，夜間啟停垂直振幅差6.44 nm，水平振幅差負(fù)值（地源環(huán)境微振干擾）；經(jīng)硬質(zhì)地面衰減后，P3測點(diǎn)日間啟停垂直振幅差12.51 nm，水平振幅差負(fù)值（地源環(huán)境微振干擾），夜間啟停垂直振幅差2.91 nm，水平振幅差負(fù)值（干擾同前）。測試結(jié)果已基本滿足技術(shù)規(guī)格書限值要求。

圖1 試驗(yàn)裝置的實(shí)地微振動測量試驗(yàn)

表3 不同工況下硬質(zhì)地面風(fēng)機(jī)振動測試結(jié)果單位：nm

2.4 混凝土結(jié)構(gòu)測試結(jié)果分析

考慮到自由電子激光裝置設(shè)置于埋深29 m的地下隧道，空調(diào)機(jī)房地面為現(xiàn)澆混凝土樓板，研制工作增加微振動風(fēng)機(jī)段在類似結(jié)構(gòu)樓板上的測試，測試方法和布點(diǎn)方式同硬質(zhì)地面。

振動結(jié)果的測試數(shù)據(jù)如表4所示。檢測過程中，已盡量減少周邊環(huán)境150～200 m內(nèi)所有設(shè)備、傳動裝置等地源性微振動干擾，在風(fēng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，一層、二層測點(diǎn)無論垂直還是水平方向上，P1、P2、P3有效值峰值出現(xiàn)在0.938 Hz，振幅峰值均大于178 nm，反映了試驗(yàn)建筑物及周邊地源環(huán)境固有微振動特性。進(jìn)入風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)后，振動有效峰值在垂直和水平方向振幅增加量均小于14 nm（一層水平方向P2測點(diǎn)），測試結(jié)果基本滿足技術(shù)規(guī)格書限值要求。

通過參數(shù)管理調(diào)整進(jìn)行分頻測試記錄，僅在頻率為13.75 Hz時，風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)對比振動有效值差值捕捉到一項(xiàng)次等于150 nm（二層垂直方向P2測點(diǎn)），通過調(diào)整試驗(yàn)樓板地面與混凝土平臺間77個橡膠減振墊中的6個，二次測試時該測點(diǎn)輸出為87 nm，并在階段驗(yàn)收時輸出結(jié)果可重復(fù)呈現(xiàn)，既說明本項(xiàng)研制減振技術(shù)措施有效，也表明該層橡膠減振墊規(guī)范鋪墊的實(shí)踐重要性。

表4 混凝土結(jié)構(gòu)不同層面的機(jī)組微振動測試結(jié)果

3 結(jié)語

針對各類尖端技術(shù)領(lǐng)域，我國對試驗(yàn)研發(fā)環(huán)境的微污染控制（含空調(diào)設(shè)備微振動控制）起步時間不長，尚無針對性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，僅對通用舒適性組合式空調(diào)機(jī)組單維振幅有所限定。

本文針對某大型科學(xué)裝置安裝前的設(shè)備微振動要求，研制了與之相適應(yīng)的組合式空調(diào)機(jī)組并加以試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1）微振動組合式空調(diào)機(jī)組在整機(jī)全功能段整合運(yùn)行狀態(tài)下，需進(jìn)行分界面、分工況重復(fù)實(shí)測、校正，才能有效調(diào)試運(yùn)行。

2）傳統(tǒng)的單點(diǎn)振動測試儀無法滿足大型科學(xué)裝置微振動的測試需求，應(yīng)采用動態(tài)的高精度分析儀器。

3）機(jī)組減振設(shè)計(jì)前，應(yīng)重視設(shè)備的整體選型和混凝土基礎(chǔ)的承載。

4）現(xiàn)有研制檢驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過三級減振的組合式空調(diào)機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)RMS振幅小于150 nm的微振動控制技術(shù)目標(biāo)。