微振動組合式空調機組的研制

許 駿

上海新晃空調設備股份有限公司 上海 201601

隨著國家科學技術日新月異的發展，在光導系統調試、集成電路光刻、空間光學系統檢測、激光實驗、微粒子研發等各類尖端技術領域，對試驗研發環境的微污染控制也提出了更高要求。控制微污染，已經成為現代科技發展的一項前沿學科，控制微振動是這一學科的一個重要分支[1]。

本文基于某大學X射線自由電子激光裝置項目建設需求，依據國內相關規范標準，按序推進微振動組合式空調機組研制，并通過業主和設計、建設單位階段性驗收，驗證了研制方案、技術措施的可靠性，達到了預期的工程建設完善配套目標。

上海某自由電子激光裝置工程目標是建設一臺高能量超導直線加速器、3條波蕩器線、3條光束線及10個實驗站。對于暖通空調系統，根據空調系統技術規格書陳述的運行要求規定：隧道內振動指標，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。一般精密廠房和實驗室周圍常設置有動力站房，常用動力設備有空調機、空壓機、制冷機、泵等，這些設備及其管道是不可忽視的振源。

對于組合式空調機組，項目關聯各方商定以最接近光束線和波蕩器隧道的ZK30機組為樣板，進行微振動機組的研制。按現行GB/T 14294—2008《組合式空調機組》第6.3.11條款規定：機組振幅不應大于15 μm（垂直）[2]。由此可見，該項目研制機組的振幅需控制在常規產品振幅的1%以下，同時，項目關聯各方商定振幅檢測按水平和垂直2個維度同時輸出，以滿足科學裝置高精度運行需求。這些都對本項研制的產品設計、加工工藝、儀表購置等技術措施提出了嚴格的標準。

1 風機選型和三級減振設計

1.1 風機的合理選型

樣板ZK30機組由混合、過濾、冷卻、加熱、送風機、加濕等功能段組成，主要振源為送風機，本著成熟可靠、兼顧經濟合理原則，研制樣板機組選用長期合作的廠家提供專業高效風機。

對比輸出風機選型報告3份，按風機的出風口風速、轉速、全壓效率、靜壓效率、風機吸收功率、電機裝機功率、8倍頻程聲功率進行逐項對比，形成對比報告，如表1、表2所示。

表1 三家風機廠家提供適用風機的參數報告一

表2 三家風機廠家提供適用風機的參數報告二

考慮研制開發的重要性和特殊性，風機選型參考工程流體力學實用原則：利用風機性能曲線選擇風機，將同系列而不同規格風機的全壓、功率、轉速與流量的關系表示在同一張對數坐標圖上并構成曲線，風機的工作范圍一般規定為設計點最高效率的90%以上的區段[3]。由表1、表2數據對比，按噪聲＋聲功率綜合評價，首選風機應為ADA710C。

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

風機端的高轉速同樣會導致常用滾珠軸承負載過重，經長期運行后軸瓦間隙變大，后期可能引起電機和風機在運行中的振動。由于BDB710C、ADA710C風機轉速為1 340～1 350 r/min，更易產生機械疲勞損傷，增大振源（電機）振幅強度。同時風機的較高出口風速也較易引發后續送風管內湍流振動，因此綜合考慮后選定ADA800T為樣板風機。

1.2 風機三級減振的設計

在風機的四角設置減振器，根據風機廠配重數據，得到減振器效率計算書。其中，各點壓縮量相差在2 mm內，同時隔振效率達到90%以上。按計算數據配置彈簧減振器，形成風機段箱體內一級減振。

參考GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》、07K304《空調機房設計與安裝》標準圖集示例，計算風機段箱體（含風機＋電機）質量約1 070 kg。

按照上海地區C30混凝土同條件養護抗壓強度試驗報告[5]，按實際施工時5—6月的數據，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），養護28 d后移至預定試驗場地。此時風機段箱體質量1 070 kg，實際荷載橡膠減振墊規格6×（500 mm×75 mm×15 mm），計算C30混凝土基礎極限承載79 280 kg，實際承載占比為1.35%；基座與風機段箱體質量比為2.5，符合《實用供熱空調設計手冊》第16.6.3“隔振基座”中表16.6-5的限值規定[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規格，有效阻尼隔振荷載0.5 MPa），完成風機段箱體外二級減振。最后，計算C30混凝土平臺（含風機段及箱體上部風管）質量約3 724 kg，預定試驗場地硬質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），完成樣板風機段三級減振。

2 空調機組的微振動測試

2.1 高精度測試裝置選購及適用性

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

1）配備同步時鐘盒，主要在多臺設備（或傳感器）需要進行同步采集時使用，當有多臺數據采集設備進行同步采樣時，將各設備的同步時鐘接口與同步時鐘盒的接口進行連接即可，實現設備（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，換算最小感應量程為1 nm，滿足測試精度要求。

3）計算機操作系統可設定測量內容和調整參數管理設置。測試結果自動輸出速度時程對比曲線（橫坐標軸為時間，縱坐標軸為速度），和有效值譜對比曲線（橫坐標軸為頻率，縱坐標軸為有效值譜），與技術規格書要求的1 Hz以上RMS振幅對應。

2.2 微振動測試

預定試驗場地硬質地面測試裝置和測點位置如圖1所示，在放置機組的C30混凝土基礎平臺上（放置P1測點）及周圍地面（放置P2、P3測點）共布置3組測點。其中P2測點在混凝土基礎周圍地面位置；P3測點在與風機垂直的水平方向距離P2測點間隔2 m的位置。

2.3 硬質地面測試結果分析

日間時段和夜間時段2種條件下，風機關閉和開啟2種工況的各測點有效值對比如表3所示，表內數值已換算為納米并保留3位小數。

由表內P2、P3數據可知：經三級減振措施后，P2測點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，水平振幅差負值（地源環境微振干擾）；經硬質地面衰減后，P3測點日間啟停垂直振幅差12.51 nm，水平振幅差負值（地源環境微振干擾），夜間啟停垂直振幅差2.91 nm，水平振幅差負值（干擾同前）。測試結果已基本滿足技術規格書限值要求。

圖1 試驗裝置的實地微振動測量試驗

表3 不同工況下硬質地面風機振動測試結果單位：nm

2.4 混凝土結構測試結果分析

考慮到自由電子激光裝置設置于埋深29 m的地下隧道，空調機房地面為現澆混凝土樓板，研制工作增加微振動風機段在類似結構樓板上的測試，測試方法和布點方式同硬質地面。

振動結果的測試數據如表4所示。檢測過程中，已盡量減少周邊環境150～200 m內所有設備、傳動裝置等地源性微振動干擾，在風機靜止狀態下，一層、二層測點無論垂直還是水平方向上，P1、P2、P3有效值峰值出現在0.938 Hz，振幅峰值均大于178 nm，反映了試驗建筑物及周邊地源環境固有微振動特性。進入風機啟停狀態后，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），測試結果基本滿足技術規格書限值要求。

通過參數管理調整進行分頻測試記錄，僅在頻率為13.75 Hz時，風機啟停狀態對比振動有效值差值捕捉到一項次等于150 nm（二層垂直方向P2測點），通過調整試驗樓板地面與混凝土平臺間77個橡膠減振墊中的6個，二次測試時該測點輸出為87 nm，并在階段驗收時輸出結果可重復呈現，既說明本項研制減振技術措施有效，也表明該層橡膠減振墊規范鋪墊的實踐重要性。

表4 混凝土結構不同層面的機組微振動測試結果

3 結語

針對各類尖端技術領域，我國對試驗研發環境的微污染控制（含空調設備微振動控制）起步時間不長，尚無針對性技術標準規范，僅對通用舒適性組合式空調機組單維振幅有所限定。

本文針對某大型科學裝置安裝前的設備微振動要求，研制了與之相適應的組合式空調機組并加以試驗，得出了以下結論：

1）微振動組合式空調機組在整機全功能段整合運行狀態下，需進行分界面、分工況重復實測、校正，才能有效調試運行。

2）傳統的單點振動測試儀無法滿足大型科學裝置微振動的測試需求，應采用動態的高精度分析儀器。

3）機組減振設計前，應重視設備的整體選型和混凝土基礎的承載。

4）現有研制檢驗結果表明，經過三級減振的組合式空調機組可以實現RMS振幅小于150 nm的微振動控制技術目標。