常玉坤，唐文亮，尹華偉

（1.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州，247100；2.湖南大學(xué)，湖南 長沙，410004）

0 引言

隨著礦山長距離膠帶機(jī)不斷發(fā)展[1]，尤其是在大產(chǎn)量、高速度、大功率等方向[2]，非穩(wěn)定運(yùn)行工況下的動(dòng)力特性對(duì)長距離膠帶機(jī)的安全、穩(wěn)定、正常運(yùn)轉(zhuǎn)的影響日益突出[3,4]。例如，長距離膠帶機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)過渡過程中，膠帶機(jī)中的張力變化的復(fù)雜性會(huì)嚴(yán)重影響膠帶機(jī)的壽命[5]。

本文結(jié)合長九神山石灰石礦長距離膠帶機(jī)實(shí)際[6,7]，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地考察和設(shè)計(jì)資料分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系自振特性測試及運(yùn)行動(dòng)力響應(yīng)測試，研究了長距離膠帶機(jī)運(yùn)行故障原因并提出相應(yīng)研究措施，為長距離膠帶機(jī)的設(shè)計(jì)和良好運(yùn)行提供切實(shí)的依據(jù)和參考。

1 項(xiàng)目概況

長九神山石灰石礦長距離膠帶機(jī)主要承擔(dān)將礦山加工后的礦石骨料運(yùn)送至牛頭山港區(qū)專用碼頭的任務(wù)，設(shè)計(jì)輸送能力為13000t/h，速度為5.6m/s，水平長度為12986m，總功率為15680kW。膠帶機(jī)配置有各類托輥45380個(gè)，其中上托輥34688個(gè)，下托輥10692個(gè)，托輥軸承設(shè)計(jì)為滾珠軸承，上托輥軸承設(shè)計(jì)型號(hào)為4G308，下托輥軸承設(shè)計(jì)型號(hào)為4G307。

長距離膠帶機(jī)沿線地形地貌類型較為復(fù)雜，沿線穿越楊公嶺、牛頭山、南泉嶺和姥山等山體，布置4條隧道和2段水面段。支架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為30年，桁架跨度（高度）為36 m跨度（3 m和5 m高桁架），下穿G50高速為42 m跨度（3 m高桁架），框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)。

該長距離膠帶機(jī)自2018年底投入使用，運(yùn)行過程中出現(xiàn)噪聲較大、振動(dòng)幅度較大、運(yùn)輸能力達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和托輥故障多問題，見圖1。通過查閱分析設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)以下情況：（1）膠帶機(jī)的基礎(chǔ)及排架工程設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)規(guī)范；（2）膠帶機(jī)支架有大量平行四邊形結(jié)構(gòu)，支架理論上為可變體系；（3）上托輥支腿采用兩個(gè)普通螺栓固定在連系梁（槽鋼）翼緣上，安裝點(diǎn)未采用加勁肋加固處理；（4）轉(zhuǎn)彎段的外側(cè)（高）支腿剛度明顯小于托輥橫梁剛度。

圖1 損壞托輥照片

2 長距離膠帶機(jī)自振特性測試

通過環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)測定體系作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)自振特性[8]，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)特性。

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)測試點(diǎn)布置。測試時(shí)，在主桁架相對(duì)應(yīng)位置的橫梁上布置測試點(diǎn)，共布置5個(gè)測試點(diǎn)，在各測試點(diǎn)安裝豎向加速度拾振器，測試點(diǎn)位置及編號(hào)具體見圖2。測試時(shí)以#3測試點(diǎn)為參照點(diǎn)，分4次完成測試，依次測試#3測試點(diǎn)和#1測試點(diǎn)、#3測試點(diǎn)（C1）和#2測試點(diǎn)、#3測試點(diǎn)（C2）和#4測試點(diǎn)、#3測試點(diǎn)（C3）和#5測試點(diǎn)。

圖2 動(dòng)力特性測試測試點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖

（2）脈動(dòng)試驗(yàn)測試結(jié)果。對(duì)環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)下的測試信號(hào)進(jìn)行互譜（自譜）分析，得到各測試點(diǎn)實(shí)測信號(hào)的頻譜特性曲線見圖3，結(jié)構(gòu)前二階自振特性見表1。

圖3 實(shí)測信號(hào)頻譜特性曲線

表1 結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果

（3）物流廊道整體水平自振特性測試。在跨中豎向自振特性#3測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置安裝水平加速度拾振器，#1測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫向水平振動(dòng)測試，#2測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)縱向水平振動(dòng)測試。#1測試點(diǎn)和#2測試點(diǎn)同時(shí)完成測試并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行自譜分析，測試信號(hào)及頻譜特性曲線見圖4。由結(jié)構(gòu)體系頻譜特性曲線分析結(jié)果可知橫向與縱向水平自振頻率均為4.6 Hz。

圖4 水平振動(dòng)測試信號(hào)及頻譜特性

上述可知體系一階自振頻率約為4.6Hz，大于3 Hz，結(jié)構(gòu)體系整體剛度可滿足正常使用要求。一階阻尼比2.041%和二階阻尼比1.429%和規(guī)范取值2.0%接近，亦無異常。

3 長距離膠帶機(jī)運(yùn)行響應(yīng)測試

3.1 測試點(diǎn)布置

#1測試點(diǎn)布置在豎向自振特性測試對(duì)應(yīng)的#3測試點(diǎn)上，#2測試點(diǎn)依次布置在機(jī)架支腿縱向連系梁跨中、上托輥支腿和上托輥橫梁上。#1測試點(diǎn)、支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)和上托輥橫梁測試點(diǎn)采用豎向加速度拾振器測試運(yùn)行時(shí)的豎向振動(dòng)響應(yīng)，上托輥支腿采用橫向加速度拾振器測試運(yùn)行時(shí)的縱向振動(dòng)響應(yīng)。

3.2 運(yùn)行速度為5.0 m/s

#1測試點(diǎn)和機(jī)架支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)測試結(jié)果見表2和圖5。所有測試點(diǎn)加速度拾振器標(biāo)定值在測試時(shí)均設(shè)為mv(1.0 m/s2)，實(shí)際標(biāo)定值#1測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度拾振器為328.5 mv(1.0 m/s2)，本次測試機(jī)架支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度拾振器為283.7 mv(1.0 m/s2)，因此須做相應(yīng)換算。上托輥支腿測試點(diǎn)測試縱向水平振動(dòng)響應(yīng)測試結(jié)果見表3，上托輥橫梁測試點(diǎn)測試豎向振動(dòng)響應(yīng)測試結(jié)果見表4。

圖5 #1測試點(diǎn)和支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)時(shí)域分析結(jié)果和自譜分析結(jié)果

表2 #1測試點(diǎn)和機(jī)架支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

表3 上托輥支腿測試點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

表4 上托輥橫梁測試點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

3.3 運(yùn)行速度為5.6 m/s

#1測試點(diǎn)和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)測試結(jié)果見表5和圖6。所有測試點(diǎn)加速度拾振器標(biāo)定值在測試時(shí)均設(shè)為mv(1.0 m/s2)，實(shí)際標(biāo)定值#1測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度拾振器為328.5 mv(1.0 m/s2)，本次測試#2測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)加速度拾振器為283.7 mv(1.0 m/s2)，因此須做相應(yīng)換算。上托輥橫梁測試點(diǎn)測試豎向振動(dòng)響應(yīng)測試結(jié)果見表6。

圖6 #1測試點(diǎn)和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)時(shí)域分析結(jié)果和自譜分析結(jié)果

表5 #1測試點(diǎn)和上托輥支腿縱向連系梁跨中測試點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

表6 上托輥橫梁測試點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)測試結(jié)果

4 運(yùn)行問題分析研究

4.1 運(yùn)行振動(dòng)幅度大

礦山長距離膠帶機(jī)運(yùn)行速度在5.0～5.6 m/s時(shí)，激勵(lì)頻率在8.3～9.3 Hz之間，與體系二階自振頻率f2=8.562 Hz接近，運(yùn)行激勵(lì)頻率與體系二階固有頻率比值處在0.97～1.09之間，處在共振頻率比值區(qū)段0.75～1.25內(nèi)，支架發(fā)生了與結(jié)構(gòu)二階自振頻率的選擇性共振，導(dǎo)致運(yùn)行振動(dòng)幅度偏大?？刹扇≡龃笸休佒睆?，改變托輥間距或采用不等間距布置等方法避免共振，其實(shí)質(zhì)是改變膠帶機(jī)運(yùn)行激勵(lì)頻率和不同激勵(lì)點(diǎn)的激勵(lì)相位。

4.2 托輥故障多

長距離膠帶機(jī)上部中間托輥損壞約占總損壞托輥的60%[9]，上部兩側(cè)托輥損壞約占總損壞托輥的15%，下部托輥損壞約占總損壞托輥的10%，分析主要原因如下。

（1）托輥輥筒內(nèi)存在大量銹渣，銹渣進(jìn)入滾筒軸承后，加速軸承磨損和損壞。安裝期托輥均為室外堆存，托輥淋雨，軸承和輥筒內(nèi)進(jìn)水，導(dǎo)致筒壁生銹和軸承進(jìn)水加速軸承磨損和損壞。

（2）輥筒端蓋（輪腹）和軸承座設(shè)計(jì)過于簡單，導(dǎo)致端蓋與托輥筒身分離。軸承設(shè)計(jì)均為滾珠式且不帶任何密封件，潤滑油充填不足及潤滑油中雜質(zhì)導(dǎo)致軸承磨損散架。

（3）膠帶機(jī)上托輥為承載分支托輥，其間距在標(biāo)準(zhǔn)段和轉(zhuǎn)彎段均為1.5m，雖然為2榀托輥，但不能等效為2組托輥，使得轉(zhuǎn)彎段托輥承載力不足。轉(zhuǎn)彎段托輥受力較復(fù)雜，由于受力不均導(dǎo)致有些托輥要承受更大內(nèi)力，且存在軸向復(fù)合內(nèi)力。

5 結(jié)論與建議

（1）礦山廊道膠帶機(jī)在運(yùn)行速度為5.0～5.6 m/s時(shí)，支架加速度響應(yīng)最大值達(dá)到6.26 m/s2，發(fā)生在運(yùn)行速度為5.0m/s時(shí)的上托輥橫梁上，由于測試時(shí)測試點(diǎn)布置在橫梁靠支腿部位，如布置在橫梁跨中則還會(huì)更大。

（2）礦山廊道長距離膠帶機(jī)運(yùn)行速度在5.0～5.6 m/s時(shí)，運(yùn)行激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有二階頻率接近，頻率比在0.97～1.09之間，處在共振頻率比值區(qū)段0.75～1.25范圍內(nèi)，出現(xiàn)共振導(dǎo)致振動(dòng)幅值偏大。

（3）對(duì)支架縱斷面和水平面的平行四邊形結(jié)構(gòu)采用在角點(diǎn)處焊接槽鋼隅撐進(jìn)行加固處理，對(duì)托輥節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行加固處理，適當(dāng)增大易損部位托輥直徑等措施有助于避免共振和降低運(yùn)行噪聲。