鄔俊文，陶軍

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

皮帶機作為散料輸送的重要設(shè)備，具有輸送連續(xù)、生產(chǎn)效率高、運行費用低和易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于港口、煤炭、冶金和礦山等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)運站是設(shè)置在2條皮帶機之間的中轉(zhuǎn)站，物料經(jīng)皮帶機傳輸，到達轉(zhuǎn)運站內(nèi)，通過一定的導(dǎo)料設(shè)備到下一層皮帶機上，實現(xiàn)物料轉(zhuǎn)運和連續(xù)輸送。皮帶機在運行過程中，具有如下特點：具有較大轉(zhuǎn)動慣量，在電機啟、制動時產(chǎn)生較大的皮帶張力；膠帶在運行中亦存在黏彈阻力；皮帶機非精密儀器，在規(guī)定范圍內(nèi)允許跑偏運行；驅(qū)動電機、減速機等旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置在運行過程中產(chǎn)生較大的離心擾力。皮帶機張力、膠帶跑偏運行和黏彈阻力、驅(qū)動裝置的離心擾力均作為轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的激振力，影響其動力特性，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動[1-2]。過大且持續(xù)的結(jié)構(gòu)振動不僅降低了結(jié)構(gòu)的安全和疲勞性能，而且對轉(zhuǎn)運站內(nèi)部工作人員舒適性和心理安全產(chǎn)生不利影響，還將影響轉(zhuǎn)運站內(nèi)部機械設(shè)備性能[3]。

某皮帶機轉(zhuǎn)運站建成投產(chǎn)至今，在驅(qū)動裝置樓面層，結(jié)構(gòu)存在明顯振動，工作人員有明顯不適感。如若放任轉(zhuǎn)運站長期振動，將會造成轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)焊縫脫落，連接件螺栓等松動，導(dǎo)致嚴重的安全生產(chǎn)責(zé)任事故。為了解轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動特性，找出振動源，提出減振解決方案，特對該轉(zhuǎn)運站進行了動力檢測和建模分析研究。

1 工程概況

某轉(zhuǎn)運站為國內(nèi)某著名港口輸送系統(tǒng)工程之一，采用鋼框架、四柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，4個結(jié)構(gòu)立柱截面尺寸均為600 mm×600 mm。轉(zhuǎn)運站平面形式為矩形，投影尺寸長16 m、寬8 m，橫縱向均為兩道軸線（間距8 m×12 m）；結(jié)構(gòu)共計2層，總高度13.5 m，首層不設(shè)維護結(jié)構(gòu)，二層采用壓型鋼板維護并設(shè)有門窗洞口。考慮到火車軌道在皮帶機棧橋下方并平行于皮帶機穿行，皮帶機驅(qū)動裝置布置在轉(zhuǎn)運站二層。皮帶機棧橋位于轉(zhuǎn)運站左側(cè)，轉(zhuǎn)運站二層驅(qū)動裝置設(shè)備布置如圖1所示，剖面如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)運站二層設(shè)備平面圖Fig.1 Layer 2 deviceplan of the transfer station

皮帶機驅(qū)動裝置采用平行軸布置形式，驅(qū)動裝置共2套，每套驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機、液力耦合器、減速機、制動器等組成。皮帶機主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

圖2 轉(zhuǎn)運站剖面圖Fig.2 Profileof thetransfer station

表1 皮帶機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of conveyor

2 結(jié)構(gòu)振動測試

2.1 測點布置

為解決轉(zhuǎn)運站振動問題，需確定轉(zhuǎn)運站振源[4]，因此在轉(zhuǎn)運站二層樓板梁、立柱和驅(qū)動單元支架上布置了多組測點，測定其速度、加速度和振動頻率。各測點位置詳見圖3，其中A1~A4、B1~B4、G1~G4和F1~F4位于驅(qū)動裝置支架上，C1~C4和D1~D4位于傳動滾筒支架上，E1~E4和H1~H4位于樓板次梁上，K1~K4位于樓板面主梁上，J1~J4位于轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)立柱上。見圖4。

圖3 轉(zhuǎn)運站測點布置圖Fig.3 Measuring pointslayout in thetransfer station

圖4 轉(zhuǎn)運站現(xiàn)場測點縮影Fig.4 Miniature of the site measuring points in transfer station

2.2 測試結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)振動形式分析：通過對各點的測試結(jié)果觀測，各測點振動波形相似。僅以主梁上K3、K4的振動數(shù)據(jù)（圖5）為例，對轉(zhuǎn)運站振動形式進行分析。X向振動速度幅值1.2 mm/s，Y向振動速度幅值2.5 mm/s，主梁Z向振動速度幅值10 mm/s。水平X和Y向振動速度幅值較豎直Z向振動速度幅值相差約一個數(shù)量級，可以判斷轉(zhuǎn)運站鋼結(jié)構(gòu)振動以豎直Z向振動為主。

圖5 主梁K3、K4點振動速度幅值Fig.5 Vibration velocity amplitudeat main girder K3 and K4

2） 振動幅值評價：按照GB/T 6075.3—2001《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動》[5]中規(guī)定的額定功率大于300 kW并且小于50 MW機組的振動烈度區(qū)域分類（表2），轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)X和Y向振動烈度1.2~2.5 mm/s，剛性支承，評定等級為B：機器振動處于該區(qū)域可以長期運行，滿足使用要求；然而Z向振動烈度10 mm/s，超過評定等級中的B級，不滿足規(guī)范要求。

表2 振動烈度區(qū)域分類Table 2 Territorial classification of vibration severity

3） 結(jié)構(gòu)振動頻率分析：實測次要振動X向頻率375 Hz，Y向頻率75 Hz；主要振動Z向頻率為24.8 Hz。對轉(zhuǎn)運站二層工藝設(shè)備頻率進行計算，電機組頻率為24.8 Hz，減速機低速軸和傳動滾筒頻率均為1.0 Hz，轉(zhuǎn)運站主要振動豎直Z向頻率同電機組頻率相同。

綜合對各檢測點振動速度幅值、振動頻率等實測數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動以豎向振動為主，結(jié)構(gòu)振動頻率和驅(qū)動電機頻率一致。

3 轉(zhuǎn)運站建模分析

圖7 P和Q點豎向振動幅值Fig.7 Vertical vibration amplitude at Pand Q

通過對轉(zhuǎn)運站的現(xiàn)場觀察，皮帶機棧橋與轉(zhuǎn)運站處設(shè)有伸縮間隙縫，由此斷定轉(zhuǎn)運站與皮帶機棧橋相互獨立，因此轉(zhuǎn)運站建模無須考慮棧橋?qū)D(zhuǎn)運站的水平支撐作用。本文采用Ansys Workbench軟件對轉(zhuǎn)運站進行三維建模和動力特性分析，在2個電機組處施加2個周期性圓周荷載用以模擬電機運轉(zhuǎn)；傳動滾筒支架下的梁系結(jié)構(gòu)施加恒力和恒力矩，模擬皮帶機對滾筒支架的張力作用。建立的三維模型如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)計算模型Fig.6 Structural calculation model

1）典型監(jiān)測點振動數(shù)據(jù)分析：以驅(qū)動裝置下點P和主梁中點Q為典型監(jiān)測點，對其振動速度幅值變化情況進行計算：P和Q點豎向振動都是以24.8 Hz為主的周期性振動，P點豎向振動速度幅值為0.004 m/s，Q點豎向振動速度幅值為0.008 m/s，振動速度幅值如圖7所示。

2）現(xiàn)場振動測試與三維模型數(shù)值分析對比：選擇三維模型中Q點與距離Q點位置最近的實測點K3對比，Q點（圖7）與實測點K3（圖5）振動波形相似。實測點K3豎直Z向振動速度幅值0.010 m/s，F(xiàn)FT頻譜分析得到實測點K3振動主頻為24.8 Hz；模型計算中Q點豎直Z向速度幅值0.008 m/s，振動主頻24.8 Hz。對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與三維模型計算結(jié)果，兩者數(shù)據(jù)接近，從而判斷三維模型的建立真實反映了皮帶機外部干擾對轉(zhuǎn)運站振動影響的機理，可以采用此三維模型數(shù)值模擬方法對皮帶機轉(zhuǎn)運站進行振動機理分析與減震方案評估。

4 振動原因分析與減振方案

4.1 振動原因分析

通過查閱相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合現(xiàn)有研究成果，轉(zhuǎn)運站振動通常存在結(jié)構(gòu)側(cè)向水平和豎向振動[4]，圖8給出了激振源、振動類型對結(jié)構(gòu)的影響。

從本轉(zhuǎn)運站檢測和三維模型數(shù)值分析均表明本轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)以高頻豎向振動為主，而且結(jié)構(gòu)振動頻率與驅(qū)動電機一致。根據(jù)振動理論：穩(wěn)定受迫振動頻率等于驅(qū)動力頻率。因此可以斷定，2個旋轉(zhuǎn)電機是引起結(jié)構(gòu)振動的振源，結(jié)構(gòu)振動是以2個電機組周期性振動為策動力的強迫振動，引起轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)振動的原因是結(jié)構(gòu)豎向剛度不夠，導(dǎo)致其易受電機離心擾力影響而受迫振動。

圖8 轉(zhuǎn)運站激振源與振動類型的關(guān)系Fig.8 Relationship between vibration sourcesand typesof transfer station

4.2 減振方案

解決本轉(zhuǎn)運站受迫振動的主要途徑就是加強轉(zhuǎn)運站豎向剛度，特別是驅(qū)動裝置下的轉(zhuǎn)運站樓面結(jié)構(gòu)豎向剛度。由于轉(zhuǎn)運站已施工完畢，解決方案需充分考慮現(xiàn)場實際情況，減振方案需便于施工，且減振效果要好。見圖9。

圖10 P和Q點加固后豎向振動幅值Fig.10 Vertical vibration amplitudeafter reinforcing at Pand Q

圖9 減振方案示意圖Fig.9 Sketch of vibration reduction method

制定的減振方案主要對振源處結(jié)構(gòu)的豎向剛度加固：對原有驅(qū)動裝置下的支撐次梁1和次梁2增加倒T梁結(jié)構(gòu)，使原有梁HN600×200×11×17梁高增加至800 mm，同結(jié)構(gòu)主梁高度一致。加固梁系結(jié)構(gòu)后P點豎向振動速度幅值降低至0.000 3 m/s，是加固梁系結(jié)構(gòu)前的8%；Q點豎向振動速度幅值降低至0.001 m/s，是加固梁系結(jié)構(gòu)前的13%，見圖10。從三維模型的計算數(shù)據(jù)分析，改造加固的減振方案對結(jié)構(gòu)的減振效果非常明顯，減振方案可行。

5 結(jié)論與展望

1）由于皮帶機驅(qū)動裝置動擾力和膠帶黏滯阻力導(dǎo)致轉(zhuǎn)運站振動特性復(fù)雜多變。而設(shè)計院在轉(zhuǎn)運站設(shè)計時，通常將這些力換算成考慮動載系數(shù)后的靜載荷施加在轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)上，忽略了動載荷對轉(zhuǎn)運站振動的影響。為此，轉(zhuǎn)運站設(shè)計時，除滿足結(jié)構(gòu)靜強度和剛度要求外，還需對轉(zhuǎn)運站進行動態(tài)模擬。

2） 若皮帶機運行功率較大，需多驅(qū)動布置時，建議驅(qū)動裝置盡可能布置在地面上，既便于控制驅(qū)動裝置混凝土基礎(chǔ)剛度減小結(jié)構(gòu)振動，又利于對驅(qū)動裝置的維護保養(yǎng)。

3）導(dǎo)致轉(zhuǎn)運站振動的因素通常為驅(qū)動裝置和皮帶機傳動滾筒。設(shè)計時，應(yīng)適當加大皮帶機驅(qū)動裝置和皮帶機傳動滾筒支架下的梁系結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)豎向和水平剛度，從而增大轉(zhuǎn)運站抵抗外部擾力的能力。

4）已建成的轉(zhuǎn)運站，若轉(zhuǎn)運站振動已明顯影響了結(jié)構(gòu)正常使用或?qū)θ梭w舒適性產(chǎn)生不利影響，需對結(jié)構(gòu)進行加固，加固方案需考慮現(xiàn)場實際情況并具有針對性。