摘 要:本文介紹了堆料機(jī)在調(diào)試過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象的處理及相關(guān)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:堆料機(jī) 懸臂 振動(dòng)

中圖分類號(hào):TQ172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(a)-0050-02

1 概述

在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)懸臂以及支撐平臺(tái)處于比較明顯的振動(dòng)狀態(tài)。振動(dòng)狀態(tài)的出現(xiàn)說(shuō)明機(jī)上有若干振動(dòng)源的存在。作者在霍林河堆取料機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中根據(jù)相關(guān)理論對(duì)堆料機(jī)懸臂出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象作了一定的處理。

2 堆料機(jī)懸臂的結(jié)構(gòu)形式

霍林河堆取料機(jī)是一種頂堆側(cè)取式堆取料機(jī)，其中堆料機(jī)部分僅回轉(zhuǎn)不俯仰，堆料機(jī)部分形成一體結(jié)構(gòu)。堆料機(jī)部分主要由兩層回轉(zhuǎn)平臺(tái)、堆料懸臂、配重箱、膠帶機(jī)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等幾部分組成，通過(guò)一套與中心柱固定的回轉(zhuǎn)支承繞中心柱回轉(zhuǎn)，上部通過(guò)一套回轉(zhuǎn)支承支撐來(lái)料棧橋。兩回轉(zhuǎn)平臺(tái)左側(cè)布置配重箱，右側(cè)布置懸臂架。臂架采用桁架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用各種圓鋼管、方鋼管、矩形管、H型鋼等制作梁體本身。懸臂如果將上下轉(zhuǎn)臺(tái)為一個(gè)整體的剛性體，懸臂端通過(guò)拉桿與上部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，懸臂根部與下部轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，形成一個(gè)三點(diǎn)靜定結(jié)構(gòu)。尾部配重箱與臂架相同，與轉(zhuǎn)臺(tái)形成一個(gè)靜定結(jié)構(gòu)。膠帶機(jī)布置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)及堆料懸臂上，尾部驅(qū)動(dòng)采用螺旋張緊，頭尾滾筒與懸臂及平臺(tái)固定。為有效降低懸臂重量，驅(qū)動(dòng)和張緊均布置在膠帶機(jī)尾部。頭部卸料滾筒與懸臂固定，不移動(dòng)。尾部驅(qū)動(dòng)滾筒和增面滾筒通過(guò)一個(gè)支架連接到一起，驅(qū)動(dòng)裝置也直接固定在該支架上。螺旋拉緊機(jī)構(gòu)則一端與平臺(tái)固定，另一端與該支架固定。張緊機(jī)構(gòu)本身行程較小，為達(dá)到較長(zhǎng)的張緊行程，在平臺(tái)上開(kāi)有一排距離相同的孔，張緊到一定行程后，可以將張緊底座向前移動(dòng)一個(gè)距離繼續(xù)張緊。堆料機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，張緊機(jī)構(gòu)如圖2所示。

3 懸臂振動(dòng)現(xiàn)象的分析及處理方式

在霍林河堆取料機(jī)項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)懸臂以及支撐平臺(tái)處于比較明顯的振動(dòng)狀態(tài)。振動(dòng)狀態(tài)的出現(xiàn)說(shuō)明機(jī)上有若干振動(dòng)源的存在。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，設(shè)備振動(dòng)主要有以下幾個(gè)原因:(1)設(shè)備重心點(diǎn)變化;(2)驅(qū)動(dòng)滾筒產(chǎn)生的振源;(3)膠帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的起伏產(chǎn)生的振源;(4)托輥等產(chǎn)生的振源。

3.1 設(shè)備重心點(diǎn)變化

設(shè)備重心點(diǎn)在運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心線發(fā)生變化，本身不產(chǎn)生振動(dòng)，但在設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生振動(dòng)。

在設(shè)備先期設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定懸臂空載和滿載兩種狀態(tài)下分別處于回轉(zhuǎn)中心的兩側(cè)，即在設(shè)備未帶料的狀態(tài)下，重心位于配重側(cè)，而帶料后設(shè)備重心位移到懸臂側(cè)。由于兩者相對(duì)回轉(zhuǎn)中心平衡，使得設(shè)備自身重量對(duì)基礎(chǔ)原點(diǎn)產(chǎn)生一種交變載荷，這樣由于支撐點(diǎn)載荷的變化導(dǎo)致本身為彈性體的鋼鐵支撐的局部應(yīng)力和變形發(fā)生不斷的變化。而如果設(shè)備重心始終位于懸臂一側(cè)或配重一側(cè)的情況下，在任意一側(cè)的載荷都可以看作是一種始終是壓應(yīng)力的變化即應(yīng)力曲線始終位于中性軸的一側(cè)。

假定堆料機(jī)整體為剛性回轉(zhuǎn)體，并假定設(shè)備繞軸心以等角速度ω旋轉(zhuǎn)。對(duì)于原點(diǎn)O，根據(jù)理論力學(xué)，可計(jì)算堆料機(jī)上各質(zhì)點(diǎn)的離心慣性力向O點(diǎn)簡(jiǎn)化的結(jié)果并得到慣性力系得主矢R0和主矩M0。主矢R0的大小與原點(diǎn)O位置的選擇無(wú)關(guān)，而主矩M0的大小與原點(diǎn)O位置的選擇有關(guān)。剛性回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，主矢R0和主矩M0的方向隨同產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變化，因此而產(chǎn)生對(duì)原點(diǎn)的動(dòng)壓力，在基座為彈性基座時(shí)回轉(zhuǎn)體系在不平衡慣性力和慣性力矩的作用下產(chǎn)生振動(dòng)。該堆料機(jī)的基座為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，并具有較大的高度，應(yīng)設(shè)定為彈性基座。

這種實(shí)際體現(xiàn)在堆料機(jī)整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即堆料臂、配重箱等相對(duì)于軸線做整體變幅運(yùn)動(dòng)?；谶@種理論，為降低振幅，應(yīng)通過(guò)在設(shè)備上增加配重，使設(shè)備重心始終位于配重一側(cè)，當(dāng)懸臂空載狀態(tài)下，重心偏離回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)，在重載狀態(tài)下，設(shè)備重心仍位于配重一側(cè)，只是距離相對(duì)較近。振動(dòng)現(xiàn)象在增加配重后得到改觀。

在霍林河第三臺(tái)堆取料機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)有限元對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了另外一種現(xiàn)象:配重?cái)?shù)量較少，重心偏于懸臂一側(cè)時(shí)，個(gè)別位于配重側(cè)的桿件應(yīng)力過(guò)大，特別是重心在回轉(zhuǎn)中心線兩側(cè)擺動(dòng)時(shí)應(yīng)力變化值比較明顯，而當(dāng)重心偏于配重一側(cè)時(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定并有明顯下降趨勢(shì)。這也從另外一個(gè)側(cè)面證實(shí)了現(xiàn)場(chǎng)處理的正確性。

3.2 驅(qū)動(dòng)滾筒處結(jié)構(gòu)

在霍林河項(xiàng)目中傳動(dòng)滾筒同時(shí)是張緊滾筒，滾筒及支架沒(méi)有完全與平臺(tái)基礎(chǔ)固定。由于滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)心不可能與滾筒回轉(zhuǎn)中心重合，在運(yùn)行過(guò)程中屬于一種偏心輪運(yùn)行。

根據(jù)彈簧的原理，可以假設(shè)張緊支架與基礎(chǔ)分別為兩個(gè)k值不相等的彈簧，張緊支架為k1，基礎(chǔ)平臺(tái)為k2。在支架與基礎(chǔ)平臺(tái)固接前，兩個(gè)彈簧為串聯(lián)形式，其合成剛度k有下式存在:，則，由于平臺(tái)剛性k1遠(yuǎn)大于支架剛性k2，則合并后的k相對(duì)于k2還要小，此時(shí)相同彈性激振力作用下，振幅很大，基礎(chǔ)和支架會(huì)出現(xiàn)明顯的震動(dòng)和彈性變形。在支架與基礎(chǔ)固接后，兩個(gè)彈簧的連接形式發(fā)生改變，形成了兩個(gè)彈簧的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時(shí)剛度，而由于k1遠(yuǎn)大于k2，滾筒振動(dòng)的變形量以k1為主，在相同的激振力作用下，振幅卻變得很小。

現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際處理方式是在支架和基礎(chǔ)平臺(tái)上加工了幾個(gè)孔，當(dāng)達(dá)到一定張緊行程后用螺栓將支架與基礎(chǔ)平臺(tái)固定成一體，處理之后的振幅明顯減弱。

3.3 膠帶運(yùn)行及張緊

膠帶在懸臂上運(yùn)行，在宏觀上可以認(rèn)為膠帶始終處于一種運(yùn)行狀態(tài)，在微分狀態(tài)下，可以描述成膠帶屬于波浪起伏運(yùn)行狀態(tài)，在兩個(gè)托輥間時(shí)由于自重的存在，在脫離承載托輥后，膠帶向斜下方運(yùn)行，達(dá)到一定程度后在接近前方的托輥前開(kāi)始向斜上方運(yùn)行。當(dāng)位于托輥上方時(shí)膠帶位于最高點(diǎn)。

根據(jù)習(xí)慣布置，托輥間距基本上是相等的(緩沖部位和頭尾部除外)，這樣每一個(gè)微小的膠帶產(chǎn)生的振動(dòng)頻率也是相等的，特別是在托輥徑跳不一致的狀態(tài)下，膠帶引起的振動(dòng)很難相互抵消。

在強(qiáng)迫諧振理論中可以把由托輥支撐的膠帶看成板的模型，每一段膠帶的作用相當(dāng)于單質(zhì)量——彈簧的強(qiáng)迫等效模式。由托輥頻率Ω形成激振，而等效模型質(zhì)量和振幅控制著以ω頻率工作的單自由度振蕩器。

另一方面膠帶本身存在制造誤差，而其張力在寬度范圍內(nèi)是均勻分布的。這種現(xiàn)象在一定程度上體現(xiàn)在膠帶邊緣的松弛或張緊、跑偏或一側(cè)產(chǎn)生跳動(dòng)等。

現(xiàn)場(chǎng)處理膠帶主要是調(diào)整滾筒、托輥與軸線的垂直度并張緊膠帶，現(xiàn)場(chǎng)處理后，振動(dòng)情況有一定程度的減弱。

3.4 托輥

在膠帶機(jī)運(yùn)行中噪聲主要由托輥產(chǎn)生。托輥和滾筒一樣，在實(shí)際上也是為偏心輪。如果個(gè)別托輥徑跳較大，嚴(yán)重影響膠帶機(jī)運(yùn)行，這作為懸臂振動(dòng)的一個(gè)重要振動(dòng)源。

托輥是很多個(gè)微小的振動(dòng)源在同一振動(dòng)頻率下激勵(lì)懸臂發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。但是托輥本身出廠時(shí)作過(guò)靜平衡，加上實(shí)際安裝的因素，托輥初始的相位不相同，這也說(shuō)明托輥的振動(dòng)在一定程度上互相抵消而沒(méi)有形成共振。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，懸臂的振動(dòng)周期與托輥的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率存在著明顯的關(guān)系。

3.5 驅(qū)動(dòng)裝置

膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置在堆料機(jī)懸臂上是一個(gè)重要振動(dòng)源。其產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)理主要是基座剛性不足。

該機(jī)驅(qū)動(dòng)采用單點(diǎn)浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu):減速器低速軸為中空軸形式，滾筒軸伸較長(zhǎng)，安裝時(shí)，滾筒軸伸深入減速器空心軸內(nèi)部，減速器與驅(qū)動(dòng)系的相當(dāng)部分重量由傳動(dòng)滾筒承受。滾筒與中空軸減速器大多通過(guò)脹緊套固定，也有長(zhǎng)鍵、花鍵等形式，主要取消了聯(lián)軸節(jié)。位于電機(jī)方向采用另一點(diǎn)(即所說(shuō)的單點(diǎn))通過(guò)吊掛、鉸支等形式與基礎(chǔ)固定。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)。

單點(diǎn)浮動(dòng)支撐底部只保留一點(diǎn)，上面電機(jī)、減速器等部件可以簡(jiǎn)化成外力，基座可以簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁的形式。而常規(guī)基座可以近似看作是一個(gè)剛性平臺(tái)。簡(jiǎn)支梁剛性的大小決定了驅(qū)動(dòng)部的振動(dòng)情況。

單點(diǎn)浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)如果底部支撐點(diǎn)選取完全準(zhǔn)確時(shí)，滾筒軸理論上不承受剪力，但由于設(shè)備布置和制造因素，剪力的產(chǎn)生不可避免。

3.6 物料

物料在任意時(shí)刻在膠帶機(jī)上的截面是不相等的，我們習(xí)慣于通過(guò)計(jì)算平均物料截面和最大截面用于計(jì)算膠帶機(jī)的輸送能力。在宏觀上可以認(rèn)為物料運(yùn)輸?shù)钠骄裕谖⒂^上必須承認(rèn)物料運(yùn)輸?shù)牟痪鶆蛐?。如果完全基于這種原理考慮，膠帶帶料后，懸臂振動(dòng)應(yīng)加大，但實(shí)際上，懸臂振動(dòng)幅度反而在一定程度上降低。這說(shuō)明物料實(shí)際上是吸收了各振動(dòng)源發(fā)出的部分能量。

由于物料是始終沿懸臂向前運(yùn)動(dòng)直到越過(guò)卸料滾筒后落到料倉(cāng)內(nèi)，所以可以認(rèn)為物料是一種隨機(jī)分布的壓力波以設(shè)定的帶速v沿梁的長(zhǎng)度方向移動(dòng)，也就是物料振動(dòng)的“時(shí)滯”現(xiàn)象。也就是說(shuō)物料產(chǎn)生的隨機(jī)載荷是同一振動(dòng)源，只是時(shí)間產(chǎn)生的先后順序。

3.7 頭部卸料滾筒

懸臂頭部的卸料滾筒與懸臂實(shí)際上是通過(guò)一系列螺栓、焊接形式與懸臂剛性固接在一體。在考慮回轉(zhuǎn)中心位置振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)我們需要將懸臂設(shè)定為一個(gè)可以簡(jiǎn)化成均質(zhì)細(xì)長(zhǎng)桿的彈性體，并將卸料滾筒簡(jiǎn)化成一個(gè)在細(xì)長(zhǎng)桿端部有一定運(yùn)動(dòng)周期的鐘擺結(jié)構(gòu)。

3.8 懸臂梁自身的動(dòng)力特性

根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理，可以首先對(duì)堆料機(jī)懸臂作如下簡(jiǎn)化:懸臂作為一個(gè)簡(jiǎn)支外伸梁，而拉桿可以簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧，而懸臂則可以將其看作是簡(jiǎn)支梁的彈性模型，并簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)量塊在一個(gè)鉸支點(diǎn)和一個(gè)彈簧間支持的剛性梁構(gòu)成的系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

堆料機(jī)懸臂振動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)際因素很多，現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)只是對(duì)其中幾個(gè)主要的振動(dòng)源進(jìn)行了處理，如現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加配重調(diào)整了設(shè)備重心;改變驅(qū)動(dòng)滾筒支架形式;對(duì)膠帶進(jìn)行張緊三方面，而對(duì)滾筒、托輥產(chǎn)生的振動(dòng)沒(méi)有處理，振動(dòng)現(xiàn)象得到很大的減輕。這些說(shuō)明理論依據(jù)的重要性，不能盲目的處理問(wèn)題。

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