微振动组合式空调机组的研制

许 骏

上海新晃空调设备股份有限公司 上海 201601

随着国家科学技术日新月异的发展，在光导系统调试、集成电路光刻、空间光学系统检测、激光实验、微粒子研发等各类尖端技术领域，对试验研发环境的微污染控制也提出了更高要求。控制微污染，已经成为现代科技发展的一项前沿学科，控制微振动是这一学科的一个重要分支[1]。

本文基于某大学X射线自由电子激光装置项目建设需求，依据国内相关规范标准，按序推进微振动组合式空调机组研制，并通过业主和设计、建设单位阶段性验收，验证了研制方案、技术措施的可靠性，达到了预期的工程建设完善配套目标。

上海某自由电子激光装置工程目标是建设一台高能量超导直线加速器、3条波荡器线、3条光束线及10个实验站。对于暖通空调系统，根据空调系统技术规格书陈述的运行要求规定：隧道内振动指标，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。一般精密厂房和实验室周围常设置有动力站房，常用动力设备有空调机、空压机、制冷机、泵等，这些设备及其管道是不可忽视的振源。

对于组合式空调机组，项目关联各方商定以最接近光束线和波荡器隧道的ZK30机组为样板，进行微振动机组的研制。按现行GB/T 14294—2008《组合式空调机组》第6.3.11条款规定：机组振幅不应大于15 µm（垂直）[2]。由此可见，该项目研制机组的振幅需控制在常规产品振幅的1%以下，同时，项目关联各方商定振幅检测按水平和垂直2个维度同时输出，以满足科学装置高精度运行需求。这些都对本项研制的产品设计、加工工艺、仪表购置等技术措施提出了严格的标准。

1 风机选型和三级减振设计

1.1 风机的合理选型

样板ZK30机组由混合、过滤、冷却、加热、送风机、加湿等功能段组成，主要振源为送风机，本着成熟可靠、兼顾经济合理原则，研制样板机组选用长期合作的厂家提供专业高效风机。

对比输出风机选型报告3份，按风机的出风口风速、转速、全压效率、静压效率、风机吸收功率、电机装机功率、8倍频程声功率进行逐项对比，形成对比报告，如表1、表2所示。

表1 三家风机厂家提供适用风机的参数报告一

表2 三家风机厂家提供适用风机的参数报告二

考虑研制开发的重要性和特殊性，风机选型参考工程流体力学实用原则：利用风机性能曲线选择风机，将同系列而不同规格风机的全压、功率、转速与流量的关系表示在同一张对数坐标图上并构成曲线，风机的工作范围一般规定为设计点最高效率的90%以上的区段[3]。由表1、表2数据对比，按噪声＋声功率综合评价，首选风机应为ADA710C。

但考虑皮带传动风机的动力来源是电机，有文献针对三相异步电动机常见振动故障指出，电动机的轴承和轴瓦磨损是电机振动的主要原因之一[4]。

风机端的高转速同样会导致常用滚珠轴承负载过重，经长期运行后轴瓦间隙变大，后期可能引起电机和风机在运行中的振动。由于BDB710C、ADA710C风机转速为1 340～1 350 r/min，更易产生机械疲劳损伤，增大振源（电机）振幅强度。同时风机的较高出口风速也较易引发后续送风管内湍流振动，因此综合考虑后选定ADA800T为样板风机。

1.2 风机三级减振的设计

在风机的四角设置减振器，根据风机厂配重数据，得到减振器效率计算书。其中，各点压缩量相差在2 mm内，同时隔振效率达到90%以上。按计算数据配置弹簧减振器，形成风机段箱体内一级减振。

参考GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》、07K304《空调机房设计与安装》标准图集示例，计算风机段箱体（含风机＋电机）质量约1 070 kg。

按照上海地区C30混凝土同条件养护抗压强度试验报告[5]，按实际施工时5—6月的数据，拌制厚度160 mm的混凝土块状平台（外形尺寸3 100 mm×2 140 mm× 160 mm），养护28 d后移至预定试验场地。此时风机段箱体质量1 070 kg，实际荷载橡胶减振垫规格6×（500 mm×75 mm×15 mm），计算C30混凝土基础极限承载79 280 kg，实际承载占比为1.35%；基座与风机段箱体质量比为2.5，符合《实用供热空调设计手册》第16.6.3“隔振基座”中表16.6-5的限值规定[6]，处于合理荷载范围。箱体底座与混凝土平台间放置15 mm厚度橡胶减振垫6个（500 mm×75 mm×15 mm规格，有效阻尼隔振荷载0.5 MPa），完成风机段箱体外二级减振。最后，计算C30混凝土平台（含风机段及箱体上部风管）质量约3 724 kg，预定试验场地硬质地面与混凝土平台间放置厚度20 mm橡胶减振垫77个（300 mm×300 mm×2 mm，有效阻尼隔振荷载0.7 MPa），完成样板风机段三级减振。

2 空调机组的微振动测试

2.1 高精度测试装置选购及适用性

基于前述测试要求，常用的单维度单点测振仪无法满足测试要求，经多方咨询对比，选购某型号的动态信号测试分析系统（成套仪电装置）。相比传统的振动测试仪，其主要优势如下：

1）配备同步时钟盒，主要在多台设备（或传感器）需要进行同步采集时使用，当有多台数据采集设备进行同步采样时，将各设备的同步时钟接口与同步时钟盒的接口进行连接即可，实现设备（或传感器）的同步采集，并可同时对X、Y、Z三维方向振动跟踪输出，满足振幅检测按水平和垂直2个维度同时输出的测试要求。

2）配备2D001磁电式速度传感器，此类传感器的灵敏度单位是mV/EU，其中EU表示该传感器测量的工程单位，换算最小感应量程为1 nm，满足测试精度要求。

3）计算机操作系统可设定测量内容和调整参数管理设置。测试结果自动输出速度时程对比曲线（横坐标轴为时间，纵坐标轴为速度），和有效值谱对比曲线（横坐标轴为频率，纵坐标轴为有效值谱），与技术规格书要求的1 Hz以上RMS振幅对应。

2.2 微振动测试

预定试验场地硬质地面测试装置和测点位置如图1所示，在放置机组的C30混凝土基础平台上（放置P1测点）及周围地面（放置P2、P3测点）共布置3组测点。其中P2测点在混凝土基础周围地面位置；P3测点在与风机垂直的水平方向距离P2测点间隔2 m的位置。

2.3 硬质地面测试结果分析

日间时段和夜间时段2种条件下，风机关闭和开启2种工况的各测点有效值对比如表3所示，表内数值已换算为纳米并保留3位小数。

由表内P2、P3数据可知：经三级减振措施后，P2测点日间启停垂直振幅差9.47 nm，水平振幅差0.1 nm，夜间启停垂直振幅差6.44 nm，水平振幅差负值（地源环境微振干扰）；经硬质地面衰减后，P3测点日间启停垂直振幅差12.51 nm，水平振幅差负值（地源环境微振干扰），夜间启停垂直振幅差2.91 nm，水平振幅差负值（干扰同前）。测试结果已基本满足技术规格书限值要求。

图1 试验装置的实地微振动测量试验

表3 不同工况下硬质地面风机振动测试结果单位：nm

2.4 混凝土结构测试结果分析

考虑到自由电子激光装置设置于埋深29 m的地下隧道，空调机房地面为现浇混凝土楼板，研制工作增加微振动风机段在类似结构楼板上的测试，测试方法和布点方式同硬质地面。

振动结果的测试数据如表4所示。检测过程中，已尽量减少周边环境150～200 m内所有设备、传动装置等地源性微振动干扰，在风机静止状态下，一层、二层测点无论垂直还是水平方向上，P1、P2、P3有效值峰值出现在0.938 Hz，振幅峰值均大于178 nm，反映了试验建筑物及周边地源环境固有微振动特性。进入风机启停状态后，振动有效峰值在垂直和水平方向振幅增加量均小于14 nm（一层水平方向P2测点），测试结果基本满足技术规格书限值要求。

通过参数管理调整进行分频测试记录，仅在频率为13.75 Hz时，风机启停状态对比振动有效值差值捕捉到一项次等于150 nm（二层垂直方向P2测点），通过调整试验楼板地面与混凝土平台间77个橡胶减振垫中的6个，二次测试时该测点输出为87 nm，并在阶段验收时输出结果可重复呈现，既说明本项研制减振技术措施有效，也表明该层橡胶减振垫规范铺垫的实践重要性。

表4 混凝土结构不同层面的机组微振动测试结果

3 结语

针对各类尖端技术领域，我国对试验研发环境的微污染控制（含空调设备微振动控制）起步时间不长，尚无针对性技术标准规范，仅对通用舒适性组合式空调机组单维振幅有所限定。

本文针对某大型科学装置安装前的设备微振动要求，研制了与之相适应的组合式空调机组并加以试验，得出了以下结论：

1）微振动组合式空调机组在整机全功能段整合运行状态下，需进行分界面、分工况重复实测、校正，才能有效调试运行。

2）传统的单点振动测试仪无法满足大型科学装置微振动的测试需求，应采用动态的高精度分析仪器。

3）机组减振设计前，应重视设备的整体选型和混凝土基础的承载。

4）现有研制检验结果表明，经过三级减振的组合式空调机组可以实现RMS振幅小于150 nm的微振动控制技术目标。