崔崗，劉世萱，柴輝

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

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彈簧隔振技術(shù)在廢鋼破碎機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

崔崗，劉世萱，柴輝

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

摘要：針對(duì)廢鋼破碎機(jī)存在的振動(dòng)過大的問題，本文應(yīng)用彈簧阻尼隔振技術(shù)進(jìn)行隔振。根據(jù)隔振理論，采用彈簧阻尼隔振器，設(shè)計(jì)調(diào)諧比為3.74，阻尼比約為0.1，使破碎機(jī)傳到主控室以及地基的振動(dòng)速度的最大值由4.83 mm/s降至1.82 mm/s。兩年的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)表明，該設(shè)計(jì)保證了操作工人的身體健康，提高了設(shè)備以及附屬建筑結(jié)構(gòu)的安全性，隔振效率比原設(shè)計(jì)提高30%以上，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；共振； 隔振； 固有頻率

廢鋼破碎機(jī)是一種用來(lái)生產(chǎn)廢鋼破碎料的破碎機(jī)器，主要用于報(bào)廢小汽車、報(bào)廢家電及輕薄廢鋼等廢金屬資源的有效回收利用，可大大減少對(duì)自然礦物資源的開采耗用，達(dá)到減少土地占用、降低社會(huì)總能耗、節(jié)約投資和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。我國(guó)在2012年的廢鋼循環(huán)利用率為19．9%，遠(yuǎn)低于世界平均水平的48．3%。廢鋼破碎機(jī)在廢鋼資源循環(huán)利用工程中起著至關(guān)重要的作用，具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景[1]。

但是，廢鋼破碎機(jī)在生產(chǎn)中存在振動(dòng)太大的問題。目前，國(guó)外已有德國(guó)美卓林德曼公司以及美國(guó)紐維爾等公司將彈簧隔振技術(shù)應(yīng)用于廢鋼破碎機(jī)，國(guó)內(nèi)未見過相關(guān)文獻(xiàn)。在廢鋼破碎機(jī)行業(yè)，國(guó)內(nèi)該技術(shù)仍處于空白。本文將彈簧隔振技術(shù)成功應(yīng)用于廢鋼破碎機(jī)的設(shè)計(jì)。

某公司一臺(tái)電機(jī)功率900 kW額定轉(zhuǎn)速約595 r/min(10極電機(jī))的廢鋼破碎機(jī)在進(jìn)行試車時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)很大。操作工人在控制室操作設(shè)備，無(wú)法堅(jiān)持1 h正常工作，對(duì)操作工人的身心健康造成很大的影響，對(duì)破碎機(jī)設(shè)備以及附屬建筑結(jié)構(gòu)的安全性也構(gòu)成了威脅。該設(shè)備的隔振原設(shè)計(jì)為橡膠隔振器系統(tǒng)，為此，我們對(duì)該廢鋼破碎機(jī)重新進(jìn)行了隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用彈簧阻尼隔振器，設(shè)計(jì)了合理的調(diào)諧比以及阻尼比，大大降低了廢鋼破碎機(jī)傳到主控室以及地基的振動(dòng)速度。

1設(shè)計(jì)原理

在回轉(zhuǎn)機(jī)械一類設(shè)備中，當(dāng)存在一個(gè)干擾力時(shí)，若其主干擾力F的圓頻率為ω(ω=2πf；f：主干擾力頻率)，則其穩(wěn)態(tài)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程可以表示為[2]：

m(dx/dt)2+c(dx/dt)+kx=Fsin(ωt)，

(1)

式中，m為系統(tǒng)質(zhì)量；x為系統(tǒng)位移響應(yīng)；c為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼；k為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度。

當(dāng)系統(tǒng)阻尼比較小時(shí)，其隔振效率計(jì)算式可以簡(jiǎn)化為：

(2)

式中，η為隔振效率；λ為調(diào)諧比(λ=f/f0)(f0:隔振系統(tǒng)固有頻率)；ζ為系統(tǒng)阻尼比(ζ=C/C0)(C0:系統(tǒng)臨界阻尼系數(shù))。

由振動(dòng)理論推出的隔振效率計(jì)算式與隔振工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：一方面，隔振系統(tǒng)的固有頻率f0必須滿足f/f0≥2.5；另一方面，阻尼的設(shè)計(jì)必須選得合理。阻尼系數(shù)過小，易引起較大的共振振幅；阻尼系數(shù)過大，則使得隔振效率大幅下降，影響隔振效果。按工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于回轉(zhuǎn)類機(jī)械，阻尼比一般取值范圍為0.08～0.15。

2關(guān)鍵技術(shù)及主要技術(shù)參數(shù)

2.1關(guān)鍵技術(shù)

由上述理論分析得知，由于橡膠隔振器的固有頻率f0較高[3-4](一般在5 Hz以上)，因此若在該設(shè)備中使用橡膠隔振器，其電機(jī)干擾頻率(主干擾力的頻率；約為9.92 Hz)與系統(tǒng)固有頻率的比值λ小于2.5，達(dá)不到隔振理論以及隔振工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的要求，故其隔振系統(tǒng)的隔振效率很低，達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89[5]的B級(jí)要求。

為此，重新設(shè)計(jì)了隔振系統(tǒng)并考慮了兩種方案。一種是采用空氣彈簧隔振器；另一種是采用彈簧阻尼隔振器。經(jīng)過論證認(rèn)為，采用空氣彈簧隔振器，技術(shù)上是可行的，但是成本太高；而彈簧阻尼隔振器成本較低并能滿足技術(shù)要求。按照論證的方案，重新進(jìn)行了隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將隔振器改為彈簧阻尼隔振器，并利用軟件分析重新進(jìn)行了隔振器的布置設(shè)計(jì)[6]。再經(jīng)過制定嚴(yán)格的施工方案(該設(shè)備重80多噸)，將新設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)安裝于設(shè)備的底部，替換出原有的隔振系統(tǒng)，并經(jīng)過了嚴(yán)格的檢測(cè)與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)考驗(yàn)。

2.2主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)振動(dòng)理論以及振動(dòng)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定按以下參數(shù)設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)[7]：

(1)系統(tǒng)固有頻率：約為2.65 Hz；

(2)調(diào)諧比：2.5≤λ<5；

(3)阻尼比：ζ約為0.1；

(4)垂向隔振效率：η≥90%；

(5)設(shè)備正常工作時(shí)，聯(lián)軸器與破碎機(jī)主機(jī)的相對(duì)位移峰-峰值A(chǔ)1≤1.5 mm；破碎機(jī)整體振動(dòng)位移峰-峰值A(chǔ)2≤2 mm；

(6)隔振系統(tǒng)的豎向剛度中心與隔振體系的質(zhì)心在同一個(gè)垂面上，以避免產(chǎn)生耦合振動(dòng)。

調(diào)諧比λ取值要合理，太大會(huì)造成隔振系統(tǒng)成本太高，工程上絕大多數(shù)取值不超過5[8-9]，本設(shè)計(jì)取值為λ=3.74。阻尼比取值也應(yīng)在合理范圍內(nèi)，按照理論以及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)阻尼比ζ取值為0.1[10]。

3改進(jìn)前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖1為破碎機(jī)系統(tǒng)及振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)位置示意圖。測(cè)試點(diǎn)所測(cè)物理量為豎直方向的振動(dòng)速度，測(cè)試采用德國(guó)西門子公司的ZEBVM-7D振動(dòng)測(cè)試儀。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)根據(jù)振動(dòng)烈度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與評(píng)定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89進(jìn)行處理后得出，并且每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量3次。

圖1　破碎機(jī)系統(tǒng)及測(cè)試點(diǎn)示意圖Fig.1　Illustration of the crusher system and test points

安裝完成后，開始試車破碎廢鋼板，會(huì)同青島市質(zhì)量監(jiān)督局委托的振動(dòng)測(cè)試有關(guān)部門進(jìn)行了前后兩次不同時(shí)間嚴(yán)格的測(cè)試(系統(tǒng)改進(jìn)前測(cè)量了1次，3次測(cè)量結(jié)果見表1～3)。表1為系統(tǒng)改進(jìn)后各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量值(前后3次測(cè)試點(diǎn)位置基本相同)。

表1　隔振系統(tǒng)改進(jìn)后的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2為原系統(tǒng)改進(jìn)前測(cè)得的振動(dòng)速度。從表2數(shù)據(jù)不難看出，其振動(dòng)速度值太大，達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89 B級(jí)的要求(最大值為4.83 mm/s)；而原系統(tǒng)改進(jìn)后，表1中測(cè)試數(shù)據(jù)有了很大的改善(最大值僅為1.82 mm/s)，其振動(dòng)速度值符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89的A級(jí)要求。

表2　隔振系統(tǒng)改進(jìn)前的測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過測(cè)試合格后，即投入正常使用。在使用三個(gè)多月后，會(huì)同有關(guān)部門又進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表3。

表3　隔振系統(tǒng)改進(jìn)后運(yùn)行3個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1和表3中不難看出，所有測(cè)試點(diǎn)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89 A級(jí)的要求，保證了設(shè)備的正常使用。

重新設(shè)計(jì)并安裝新的隔振系統(tǒng)后，操作工人反應(yīng)很好。在控制室一天操作8 h沒有任何問題。因此，工人的身心健康得到切實(shí)的保障，也確保了破碎機(jī)設(shè)備以及附屬建筑結(jié)構(gòu)的安全性。該設(shè)備到目前為止已經(jīng)運(yùn)行兩年多，運(yùn)行情況良好，一直未出現(xiàn)問題。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)廢鋼破碎機(jī)隔振系統(tǒng)時(shí)，一定要注意針對(duì)不同隔振對(duì)象的技術(shù)參數(shù)，采取不同的隔振設(shè)備。由于本破碎機(jī)的主干擾力頻率較低，采用橡膠隔振器是不合適的;采用空氣彈簧隔振器雖能達(dá)到技術(shù)性能的要求，但是成本太高，既能達(dá)到技術(shù)要求又節(jié)約成本的方案就是采用彈簧阻尼隔振器。采用新的隔振系統(tǒng)后，其隔振效率完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11347-89 A級(jí)的要求，隔振效率達(dá)到90%以上，其效率比原來(lái)的隔振設(shè)計(jì)提高30%以上。該設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步地完善，目前阻尼的設(shè)計(jì)不盡合理(主要靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)阻尼比)，今后應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行阻尼比的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Application of vibration isolation technology in a steel scrap crusher

CUI Gang, LIU Shi-xuan, CHAI Hui

(Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶We apply spring-damper vibration isolation technology to a steel scrap crusher for the issue of its excessive vibration. Based on vibration isolation theory, we design a spring-damper isolator with tuning ratio of 3.74 and damping ratio of 0.1. It reduces the maximum vibration velocity to control cabin and foundation from 4.83 mm/s to 1.82 mm/s. Two-year practical operation demonstrates that the design can guarantee the health of workers and enhance the safety of a crusher and outbuildings. Vibration isolation efficiency increases by 30%, as compared with the original design. The vibration isolation design therefore has broad market prospect.

Key words∶mechanical vibration; resonance; vibration isolation; natural frequency

中圖分類號(hào)：TH17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)02-0106-05

作者簡(jiǎn)介：崔崗(1956-)，男，副研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。

收稿日期：2016-02-01

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.020