鋼筋混凝土構(gòu)架式動(dòng)力基礎(chǔ)不良振動(dòng)檢測(cè)分析＊

薛 剛,李奉閣

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010)

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)有幾個(gè)明顯特點(diǎn):①機(jī)器轉(zhuǎn)速高、功率大,因而基礎(chǔ)受高頻振動(dòng)影響;②動(dòng)力機(jī)器由高頻機(jī)組構(gòu)成,高頻機(jī)組設(shè)置在同一基礎(chǔ)上,致使基礎(chǔ)上同時(shí)有多個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)。③新的基礎(chǔ)形式隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而涌現(xiàn),出現(xiàn)了設(shè)計(jì)規(guī)范沒(méi)有涉及到的基礎(chǔ)形式,如大塊-框架式聯(lián)合基礎(chǔ)[1-3]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展,動(dòng)力機(jī)組容量和尺寸在逐步增大,轉(zhuǎn)速也在相應(yīng)提高,加之影響和反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)很多,基礎(chǔ)的振動(dòng)問(wèn)題愈加突出,甚至已成為機(jī)器運(yùn)行和設(shè)計(jì)中存在的一個(gè)重要問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范都是以振幅控制為原則編制的[4-5],在缺少設(shè)備制造廠動(dòng)力資料的情況下,常常以靜力荷載乘以動(dòng)力系數(shù)的方法代替動(dòng)力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符程度難于掌握。動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)出現(xiàn)了不良振動(dòng),行之有效的方法是對(duì)不良振動(dòng)實(shí)施有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè),并且對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行全面分析,從而查找不良振動(dòng)根源并制定減振對(duì)策。本文針對(duì)工程實(shí)例,探討高頻機(jī)組基礎(chǔ)不良振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析的一般方法。

1 工程概況

某鋼鐵公司焦化廠回收車(chē)間鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為鋼筋混凝土構(gòu)架式基礎(chǔ),基礎(chǔ)頂板由六根鋼筋混凝土柱支撐?；A(chǔ)上布置有電機(jī)、液力耦合器、加速機(jī)、風(fēng)機(jī)。其中電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速2 900轉(zhuǎn),風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4 800轉(zhuǎn),加速器的增速比為1.673。廠方長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工作時(shí)振動(dòng)狀態(tài)良好,但當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速超過(guò)4 400多轉(zhuǎn)時(shí),振動(dòng)明顯增加,振動(dòng)幅值超過(guò)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50040-96)的有關(guān)規(guī)定,并導(dǎo)致基礎(chǔ)的二次灌漿層表面開(kāi)裂。為此對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。測(cè)試內(nèi)容包括:①風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速分別為4 200轉(zhuǎn)/分和4 400轉(zhuǎn)/min附近時(shí),對(duì)混凝土基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試并分析。②風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速分別為4 200轉(zhuǎn)/min和4 400轉(zhuǎn)/min附近時(shí),對(duì)設(shè)備基座,及電機(jī)、液力耦合器、風(fēng)機(jī)的振動(dòng)情況測(cè)試并分析。

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1 基礎(chǔ)動(dòng)力特性檢測(cè)分析

對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力特性進(jìn)行檢測(cè)分析,主要是檢查基礎(chǔ)與動(dòng)力機(jī)器是否存在共振。具體檢測(cè)可從這樣三個(gè)方面著手:①計(jì)算或測(cè)試基礎(chǔ)的自振頻率,考察基礎(chǔ)的自振頻率是否與機(jī)器工作頻率相近,如相差不足20%,則容易產(chǎn)生共振。測(cè)試基礎(chǔ)的自振頻率需在機(jī)器不運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行。②互功率譜所對(duì)應(yīng)的相位差不為0°或180°,表明發(fā)生共振。③譜線呈現(xiàn)出變幅周期振動(dòng)特性,表明發(fā)生共振。

兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的共振合成振動(dòng)可表示成[6]:

兩個(gè)振動(dòng)的振幅相近時(shí)A1,A2合成振動(dòng)頻率為(ω1+ω2)/2,振幅在變化。A1、A2不相近時(shí),合成振動(dòng)頻率為(ω1+ω2)/2,振幅在A1+A2

測(cè)試中,在電機(jī)、加速機(jī)處的基礎(chǔ)上布置了軸向、水平方向和垂直方向的加速度傳感器,在風(fēng)機(jī)底座處布置豎向傳感器。

選取用于共振現(xiàn)象分析的一個(gè)測(cè)點(diǎn)的互功率譜和相位見(jiàn)圖1。結(jié)果表明,基礎(chǔ)三個(gè)方向上各測(cè)點(diǎn)的互功率譜峰值所對(duì)應(yīng)的相位差不為0°或180°;同時(shí)計(jì)算得到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的基頻為1.12 Hz,遠(yuǎn)小于設(shè)備的工作頻率,所以基礎(chǔ)三個(gè)方向不存在與設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相近的共振現(xiàn)象。

圖1 互功率譜及相位示意圖

在電機(jī)、液力耦合器、風(fēng)機(jī)的底座地腳螺栓處布置軸向、水平向加速度傳感器,在加速機(jī)基礎(chǔ)上布置軸向、水平向加速度傳感器。電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為2 900轉(zhuǎn)(48.3 Hz),實(shí)測(cè)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 160轉(zhuǎn)(69.3 Hz)和4 400轉(zhuǎn)(73.3 Hz)時(shí)各點(diǎn)振動(dòng)加速度,各測(cè)點(diǎn)的頻譜見(jiàn)表1。選擇1個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻譜,圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)4 400轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)基座水平向頻譜

從表1及各測(cè)點(diǎn)頻譜圖可以看出:①加速機(jī)軸向振動(dòng)以低速軸的工頻和三倍頻為主,加速機(jī)的水平向振動(dòng)在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 160轉(zhuǎn)時(shí)以電機(jī)的倍頻、工頻及低速軸的二倍頻為主,當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 410轉(zhuǎn)時(shí)以加速機(jī)低速軸的二倍頻為主。②電機(jī)的軸向振動(dòng)較大,而且頻譜中含有較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速的二倍頻和四倍頻。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí),頻譜中以高頻分量(228 Hz)為主。③風(fēng)機(jī)的水平向和軸向振動(dòng)主要以電機(jī)的工頻和倍頻為主。由此可以判定,機(jī)組的異常振動(dòng)主要是由于電機(jī)和加速機(jī)的對(duì)中不好引起的。

表1 設(shè)備底座測(cè)試結(jié)果

2.2 動(dòng)力機(jī)組檢測(cè)分析

在電機(jī)與加速機(jī)的轉(zhuǎn)軸外殼上布置軸向和豎向的加速度傳感器,在風(fēng)機(jī)、加速機(jī)的機(jī)殼上布置水平向、軸向、垂直向加速度傳感器。實(shí)測(cè)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 420轉(zhuǎn)(73.6 Hz)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的加速度值,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 900轉(zhuǎn),加速機(jī)的低轉(zhuǎn)速軸為2 700轉(zhuǎn)(45 Hz)。

在電機(jī)與加速機(jī)的轉(zhuǎn)軸外殼上布置軸向加速度傳感器,液力耦合器上布置水平向、軸向、垂直向加速度傳感器,在加速機(jī)外殼、風(fēng)機(jī)的機(jī)殼上布置水平向、軸向加速度傳感器。實(shí)測(cè)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 223轉(zhuǎn)(70.4 Hz)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的加速度值,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 900轉(zhuǎn),加速機(jī)的低轉(zhuǎn)速軸為2 700轉(zhuǎn)(42 Hz)。該項(xiàng)測(cè)試時(shí)低通濾波濾掉100 Hz以上的頻率。結(jié)果見(jiàn)如表2。由表2可以看出,各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻率主要以電機(jī)的工頻(50 Hz),加速機(jī)低速軸工頻(42 Hz)和高速軸工頻(70.4 Hz)為主,但在加速機(jī)的水平向振動(dòng)中含低速軸的二倍頻(84 Hz)。結(jié)果如表2。

表2 設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

圖3 風(fēng)機(jī)4 223 r/min時(shí)電機(jī)水平軸向振動(dòng)頻譜圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)平行不對(duì)中時(shí),聯(lián)軸器中心的轉(zhuǎn)動(dòng)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的兩倍,因此當(dāng)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力,激勵(lì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動(dòng),其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子工頻的兩倍。

當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線之間存在偏角位移時(shí),也即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)偏角不對(duì)中。當(dāng)在聯(lián)軸器處出現(xiàn)偏角不對(duì)中時(shí),兩個(gè)轉(zhuǎn)子的角速度之比為:

式中:C0、C2、C4、C6與夾角有關(guān)的數(shù);φ1為主動(dòng)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)角。上式充分反映了該類不對(duì)中的二倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)特性。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)力機(jī)器多采用構(gòu)架式基礎(chǔ)型式。動(dòng)力基礎(chǔ)在使用中,多種因素導(dǎo)致不良振動(dòng)。實(shí)踐證明,在不良振動(dòng)檢測(cè)基礎(chǔ)上,制定合理的減振對(duì)策,會(huì)受到事半功倍的效果。根據(jù)對(duì)某鼓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及機(jī)組的不良檢測(cè)結(jié)果,可得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)多次測(cè)試結(jié)果及計(jì)算分析可知,該焦化廠風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的異常振動(dòng)不是由于基礎(chǔ)與動(dòng)力機(jī)器共振引起的。

(2)在無(wú)負(fù)荷情況下,各設(shè)備運(yùn)行正常,振動(dòng)較小。在有負(fù)荷情況下,各測(cè)點(diǎn)的頻譜圖上有較大的電機(jī)基頻和倍頻,同時(shí)加速機(jī)低速端和高速端的基頻率和倍頻值較大。表明加速機(jī)與風(fēng)機(jī)、液力耦合器的連接轉(zhuǎn)軸處的對(duì)中不好。

(3)減振宜從設(shè)備狀況著手,重點(diǎn)是電機(jī)和加速機(jī)。還需檢查設(shè)備的地腳螺栓是否松動(dòng)。

[1] 徐建.建筑振動(dòng)工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[2] 侯興民,馬小燕,吳漢生,等.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)與設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的討論[J].地震工程與工程振動(dòng),2008,28(3):131-137.

[3] 王錫康.動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)學(xué)科在我國(guó)的發(fā)展及需研究的若干問(wèn)題[J].工業(yè)建筑,2007,37(6):83-90.

[4] 張榮山.工程振動(dòng)與控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[5] 劉廣萍.受高頻率機(jī)組振動(dòng)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)2000,27(4):2-3.

[6] 倪振華.振動(dòng)力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1986.

[7] 趙華.振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2000,74(2):90-92.