旋轉機械中的能量損耗分析及其對策研究

劉逸海

旋轉機械的工作效率一直是人們關注的問題之一，也是近些年企業節能降耗的主要著手點。本文結合對常見旋轉機械設備工作過程的認識，細致地分析了其一般工作原理，并揭示旋轉機械設備能量損失的關鍵所在，接著對主要的能量損失點提出了相應的解決技術，為進一步提高機械設備的工作效率提供借鑒參考。

1.引言

大部分企業的能源消耗是主要的成本支出，尤其是以機械設備為主要核心的生產型企業更是如此，很多企業都從各種渠道壓縮成本，提高企業生效率，當前最為主要的手段是通過對傳統機械設備的改造升級，如采用先進的、智能的、高度自動化的機械設備來實現企業轉型升級的目的，但是其付出的前期成本較高，最終的經濟性值得懷疑，所以如何通過技術手段從機械設備內部實現工作效率的提高近些年已經得到專家學者的重視。

本文正是從機械設備的內部工作原理出發，揭示深層次的技術本質，針對最一般的旋轉機械工作過程中的能量損耗問題，開展相關技術問題分析，并提出科學合理的對策，以此為機械設備的改造升級和新設備的研制提供新的思路。

2.旋轉機械的工作過程

2.1 一般旋轉機械的結構

旋轉型機械設備的一般功能是在外部動力驅動的作用下帶動轉軸旋轉，進而將一種形式的動能轉變為特定用途的動能。如泵，就是在外部電動機的驅動下，帶動轉軸旋轉，實現葉輪對被輸送工質的驅動，也有如汽車的變速箱中的齒輪機構是將一定的轉速轉變為另一目標速度。圖1是旋轉型機械設備的一種簡單示意圖。轉軸是旋轉設備的核心，通常需要在兩端安裝軸承加以約束控制，是旋轉型機械設備工作的基礎。

圖1 一般旋轉機械設備結構示意圖

2.2 旋轉機械的能量關系

能量損耗是機械設備應用中最為重要的問題之一，本文主要以旋轉設備為研究對象，并以圖1為基礎進行能量關系的分析。此處將外部輸入旋轉機械設備的能量記為E總，則其能量的去向主要有以下三部分，分別為：

E有效：特定部件得到的有效能量，這部分是機械設備的目標能量，其所占比例越大代表機械效率越高，如在泵驅動下氣體液體所得到的動能、副軸所得到的動能等。

E軸承：傳統的滾動軸承和滑動軸承都是靠相互接觸實現轉軸的支撐，軸承在支撐轉軸的同時承受巨大的摩擦損耗，這部分能量損失在在旋轉機械設備中占有一定比例，一直受到了實際工程應用的關注。

E阻力：廣義上上述的E軸承也屬于阻力損失，但這里所提的阻力損失是由于轉軸在旋轉過程中所受的其他損失，如空氣摩擦、液體摩擦以及其它摩擦所產生的損失，如將輸入能量通過摩擦轉化為空氣的內能和流體的內能等。當然也有其他的能量損失，本文不在詳細敘述。

可見，對于旋轉機械設備的輸入輸出能量關系可表示為（1）所示。

3.旋轉機械能量損失分析

旋轉機械的效率通常會由于各種損耗而不會很高，這是當前機械系統節能研究的關鍵問題，近些年也得到了系列研究，從圖1的示意圖可知，旋轉機械能量損耗主要集中在軸承的摩擦損耗和與介質之間的摩擦阻力損耗。

3.1 軸承損耗

軸承作為支撐轉子旋轉的關鍵部件，是所有旋轉設備必不可少的。當前一般設備采用的都是傳統機械軸承，如典型的有滾動軸承、滑膜軸承，對應的子類型也十分豐富。但只要采用了這種機械軸承，通常在軸承部分的能量損耗就要占據能量的15%-40%，可見，長此以往消耗在這部分的能量是十分巨大的，而且這種能量損耗帶來的副作用也很明顯，如設備溫度上升，性能降低，甚至導致系統失效。

軸承能量損耗的關鍵問題是由于摩擦，實際上從總體上來看，摩擦是具有一定二面性的，一方面摩擦可以提供動力，如傳動、制動等，也就是說這些摩擦是有利于實際工作；另一方面摩擦卻是有害的，導致機械功率損耗，效率降低，材料強度疲勞等，如軸承摩擦屬于這種有害摩擦。從軸承能量損耗的機理來看，軸承損耗主要來源于以下三方面：

（1）內部潤滑油脂不均勻和轉軸的不均勻造成的振動所消耗的能量；

（2）間隙潤滑油粘度大小的影響，由于軸承溫度是變化的，難以保證其最佳潤滑狀態；

（3）軸承游隙大小直接響應噪聲大小，噪聲本質上也屬于能量損耗的一種途徑。

3.2 阻力損耗

旋轉機械損耗除了主要的軸承損耗之外，本文將其他能量損耗界定為阻力損耗，這主要是包括轉軸旋轉過程中產生的介質之間的阻力，這部分能量損耗也是無法避免的，其原因是大部分旋轉設備都是給介質提供動力，如在葉片的帶動下給介質一定的驅動，同時由于與介質間的摩擦而損耗能量，這部分能量通常都是直接被介質帶走，最終導致介質溫度上升。當然也有其他的摩擦阻力損耗，實際的旋轉設備能量損耗種類繁多，難以進行確定的統計，尤其是隨著設備的長期使用和老化，設備的阻力損耗也會逐步提升。

4.旋轉機械能量損失對策

機械能量損失在所難免，有的從原理上來看是無法徹底消滅的，但是隨著人們對機械設備的使用經驗積累和科學技術的進步發展，針對一些特定的損耗一直不斷開展較少能量損耗的研究，且從相關技術應用和文獻調研來看，已經取得了一定的技術成果。

4.1 軸承損耗對策

從3.1的分析來看，軸承摩擦消耗的能量占據全部能量損耗的主導地位，因此專家學者一直通過科技手段降低這部分能量損失，當前已有的成熟技術主要有：

（1）采用高品質軸承，并需通過精密計算選取性能良好的潤滑油，通過降低軸承的摩擦來減少能量損耗。

（2）提高轉軸的加工精度和裝配水平，轉軸的不平衡是造成軸承旋轉摩擦變大的原因之一，且轉軸不平衡也是噪聲的主要來源，因此在軸承安裝時需要做不平衡處理和對中確認。

（3）采用電磁軸承技術，實現軸承的自然懸浮狀態。所謂電磁軸承技術是借助磁力的作用實現轉子的懸浮支撐，該技術已經在一些高速應用領域得到了推廣應用，且取得十分顯著的效果，只需少量的電力便可帶來極大的能量節約，雖然前期投入成本較高，但從長時間來看還是很有競爭力的技術。

4.2 阻力損耗對策

從3.2的分析來看，阻力損失需要具體問題具體分析，當前相對成熟的技術有：

（1）結合實際介質特性，改進轉軸設計，實現轉軸的低摩擦低阻力，當前絕大多數葉輪式轉子均采用了該思想進行設計，取得了一定的應用效果。

（2）采用新材料制作轉軸，如采用高強度的去氧化物材料對轉軸進行再設計，實現減少阻力的目的，且在一定程度上還能提高轉軸的壽命。

由于阻力損耗種類繁多，通常都會通過外部手段來降低各種阻力損耗，如對于密封圈采用潤滑手段，有的甚至采用內外壓強平衡來盡可能降低阻力能量損耗，這些主要都是通過工藝環節實現降低能損。

5.總結

機械裝備是生產制造的基礎，隨著我國向制造強國和智能制造的方向發展，機械裝備的節能成為技術發展的瓶頸，對于普通工廠，一年各種機械的不必要能量損耗占據很大的成本支出，因此現在工程師和專家學者一直不斷研制低能耗機械設備，并盡可能借助其他手段降低能量損耗。本文主要結合典型的旋轉機械設備結構特點，詳細分析了轉軸兩端的軸承摩擦損耗和各種阻力損耗，并結合當前已有技術闡述了對應的技術對策，從當前技術應用狀況來看，都能取得良好的節能效果，尤其是采用電磁軸承來更替傳統機械軸承，不僅能降低能量損耗，也能提高機械設備的安全可靠性和工作壽命，是一種最具發展潛力的轉子支撐技術。