旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的能量損耗分析及其對(duì)策研究

劉逸海

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作效率一直是人們關(guān)注的問題之一，也是近些年企業(yè)節(jié)能降耗的主要著手點(diǎn)。本文結(jié)合對(duì)常見旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備工作過程的認(rèn)識(shí)，細(xì)致地分析了其一般工作原理，并揭示旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備能量損失的關(guān)鍵所在，接著對(duì)主要的能量損失點(diǎn)提出了相應(yīng)的解決技術(shù)，為進(jìn)一步提高機(jī)械設(shè)備的工作效率提供借鑒參考。

1.引言

大部分企業(yè)的能源消耗是主要的成本支出，尤其是以機(jī)械設(shè)備為主要核心的生產(chǎn)型企業(yè)更是如此，很多企業(yè)都從各種渠道壓縮成本，提高企業(yè)生效率，當(dāng)前最為主要的手段是通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的改造升級(jí)，如采用先進(jìn)的、智能的、高度自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的目的，但是其付出的前期成本較高，最終的經(jīng)濟(jì)性值得懷疑，所以如何通過技術(shù)手段從機(jī)械設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)工作效率的提高近些年已經(jīng)得到專家學(xué)者的重視。

本文正是從機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部工作原理出發(fā)，揭示深層次的技術(shù)本質(zhì)，針對(duì)最一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作過程中的能量損耗問題，開展相關(guān)技術(shù)問題分析，并提出科學(xué)合理的對(duì)策，以此為機(jī)械設(shè)備的改造升級(jí)和新設(shè)備的研制提供新的思路。

2.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作過程

2.1 一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)型機(jī)械設(shè)備的一般功能是在外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的作用下帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將一種形式的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄓ猛镜膭?dòng)能。如泵，就是在外部電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)葉輪對(duì)被輸送工質(zhì)的驅(qū)動(dòng)，也有如汽車的變速箱中的齒輪機(jī)構(gòu)是將一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪荒繕?biāo)速度。圖1是旋轉(zhuǎn)型機(jī)械設(shè)備的一種簡單示意圖。轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的核心，通常需要在兩端安裝軸承加以約束控制，是旋轉(zhuǎn)型機(jī)械設(shè)備工作的基礎(chǔ)。

圖1 一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的能量關(guān)系

能量損耗是機(jī)械設(shè)備應(yīng)用中最為重要的問題之一，本文主要以旋轉(zhuǎn)設(shè)備為研究對(duì)象，并以圖1為基礎(chǔ)進(jìn)行能量關(guān)系的分析。此處將外部輸入旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備的目標(biāo)能量，其所占比例越大代表機(jī)械效率越高，如在泵驅(qū)動(dòng)下氣體液體所得到的動(dòng)能、副軸所得到的動(dòng)能等。

E軸承：傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承都是靠相互接觸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的支撐，軸承在支撐轉(zhuǎn)軸的同時(shí)承受巨大的摩擦損耗，這部分能量損失在在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中占有一定比例，一直受到了實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)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(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的損失，如將輸入能量通過摩擦轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能和流體的內(nèi)能等。當(dāng)然也有其他的能量損失，本文不在詳細(xì)敘述。

可見，對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的輸入輸出能量關(guān)系可表示為（1）所示。

3.旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量損失分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的效率通常會(huì)由于各種損耗而不會(huì)很高，這是當(dāng)前機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能研究的關(guān)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(zhuǎn)機(jī)械能量損耗主要集中在軸承的摩擦損耗和與介質(zhì)之間的摩擦阻力損耗。

3.1 軸承損耗

軸承作為支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，是所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備必不可少的。當(dāng)前一般設(shè)備采用的都是傳統(tǒng)機(jī)械軸承，如典型的有滾動(dòng)軸承、滑膜軸承，對(duì)應(yīng)的子類型也十分豐富。但只要采用了這種機(jī)械軸承，通常在軸承部分的能量損耗就要占據(jù)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(shè)備溫度上升，性能降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

軸承能量損耗的關(guān)鍵問題是由于摩擦，實(shí)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(dòng)力，如傳動(dòng)、制動(dòng)等，也就是說這些摩擦是有利于實(shí)際工作；另一方面摩擦卻是有害的，導(dǎo)致機(jī)械功率損耗，效率降低，材料強(qiáng)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(jī)理來看，軸承損耗主要來源于以下三方面：

（1）內(nèi)部潤滑油脂不均勻和轉(zhuǎn)軸的不均勻造成的振動(dòng)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(tài)；

（3）軸承游隙大小直接響應(yīng)噪聲大小，噪聲本質(zhì)上也屬于能量損耗的一種途徑。

3.2 阻力損耗

旋轉(zhuǎn)機(jī)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的介質(zhì)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(zhuǎn)設(shè)備都是給介質(zhì)提供動(dòng)力，如在葉片的帶動(dòng)下給介質(zhì)一定的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)由于與介質(zhì)間的摩擦而損耗能量，這部分能量通常都是直接被介質(zhì)帶走，最終導(dǎo)致介質(zhì)溫度上升。當(dāng)然也有其他的摩擦阻力損耗，實(shí)際的旋轉(zhuǎn)設(shè)備能量損耗種類繁多，難以進(jìn)行確定的統(tǒng)計(jì)，尤其是隨著設(shè)備的長期使用和老化，設(shè)備的阻力損耗也會(huì)逐步提升。

4.旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量損失對(duì)策

機(jī)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(duì)機(jī)械設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)積累和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，針對(duì)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(guān)技術(shù)應(yīng)用和文獻(xiàn)調(diào)研來看，已經(jīng)取得了一定的技術(shù)成果。

4.1 軸承損耗對(duì)策

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

（1）采用高品質(zhì)軸承，并需通過精密計(jì)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(zhuǎn)軸的加工精度和裝配水平，轉(zhuǎn)軸的不平衡是造成軸承旋轉(zhuǎn)摩擦變大的原因之一，且轉(zhuǎn)軸不平衡也是噪聲的主要來源，因此在軸承安裝時(shí)需要做不平衡處理和對(duì)中確認(rèn)。

（3）采用電磁軸承技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承的自然懸浮狀態(tài)。所謂電磁軸承技術(shù)是借助磁力的作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮支撐，該技術(shù)已經(jīng)在一些高速應(yīng)用領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)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(jié)約，雖然前期投入成本較高，但從長時(shí)間來看還是很有競爭力的技術(shù)。

4.2 阻力損耗對(duì)策

從3.2的分析來看，阻力損失需要具體問題具體分析，當(dāng)前相對(duì)成熟的技術(shù)有：

（1）結(jié)合實(shí)際介質(zhì)特性，改進(jìn)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的低摩擦低阻力，當(dāng)前絕大多數(shù)葉輪式轉(zhuǎn)子均采用了該思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了一定的應(yīng)用效果。

（2）采用新材料制作轉(zhuǎn)軸，如采用高強(qiáng)度的去氧化物材料對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減少阻力的目的，且在一定程度上還能提高轉(zhuǎn)軸的壽命。

由于阻力損耗種類繁多，通常都會(huì)通過外部手段來降低各種阻力損耗，如對(duì)于密封圈采用潤滑手段，有的甚至采用內(nèi)外壓強(qiáng)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(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)降低能損。

5.總結(jié)

機(jī)械裝備是生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)，隨著我國向制造強(qiáng)國和智能制造的方向發(fā)展，機(jī)械裝備的節(jié)能成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，對(duì)于普通工廠，一年各種機(jī)械的不必要能量損耗占據(jù)很大的成本支出，因此現(xiàn)在工程師和專家學(xué)者一直不斷研制低能耗機(jī)械設(shè)備，并盡可能借助其他手段降低能量損耗。本文主要結(jié)合典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)軸兩端的軸承摩擦損耗和各種阻力損耗，并結(jié)合當(dāng)前已有技術(shù)闡述了對(duì)應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，從當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用狀況來看，都能取得良好的節(jié)能效果，尤其是采用電磁軸承來更替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械軸承，不僅能降低能量損耗，也能提高機(jī)械設(shè)備的安全可靠性和工作壽命，是一種最具發(fā)展?jié)摿Φ霓D(zhuǎn)子支撐技術(shù)。