水泥粉磨車間框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及加固研究

項(xiàng)陽(yáng)，熊利劍，劉明輝

水泥粉磨車間框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及加固研究

Dynamic Characteristics and Reinforcement of the Frame Structure of a Cement Grinding Plant

項(xiàng)陽(yáng)1，熊利劍2，劉明輝3

針對(duì)水泥粉磨車間框架結(jié)構(gòu)在選粉機(jī)正常工作狀態(tài)下振動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)狀，建立了該水泥粉磨框架結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了動(dòng)力諧響應(yīng)分析，找出了振動(dòng)過(guò)大的原因，設(shè)計(jì)了多個(gè)水泥粉磨框架結(jié)構(gòu)的加固方案。對(duì)比分析原型結(jié)構(gòu)和各加固結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析結(jié)果，確定減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)線位移的優(yōu)選加固方案，為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加固提供理論依據(jù)。

有限元分析；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；結(jié)構(gòu)加固

1 前言

雙分離式高效選粉機(jī)是水泥粉磨的核心設(shè)備。在正常工作狀態(tài)下，選粉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高，振動(dòng)較大，動(dòng)力精確計(jì)算較為復(fù)雜，造成選粉機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加大，影響正常生產(chǎn)，亦造成了一定的安全隱患。本文對(duì)某水泥廠的水泥粉磨選粉機(jī)振動(dòng)過(guò)大的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力諧響應(yīng)分析，并且提出減少結(jié)構(gòu)在設(shè)備正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力位移的加固方案，供同行在同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加固中參考。

2 工程概況

該水泥廠的水泥粉磨車間進(jìn)行技術(shù)改造，更換了新型的雙分離式高效選粉機(jī)設(shè)備。設(shè)備安裝運(yùn)轉(zhuǎn)后，在正常工作狀態(tài)下振動(dòng)較大。圖1為水泥粉磨車間框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2為28m處樓層結(jié)構(gòu)布置圖（選粉機(jī)設(shè)備布置在該層）。該水泥磨車間總共6層，在第三層（標(biāo)高12m）、第四層（標(biāo)高17.5m）、第六層（標(biāo)高28m）設(shè)置有樓板，其他樓層梁為空拉梁。下面三層有八根柱子支撐，上面三層由結(jié)構(gòu)左側(cè)4根柱子上伸支撐。左側(cè)四根柱子在基礎(chǔ)頂面至12m標(biāo)高范圍內(nèi)為1m×1m，12m至28m標(biāo)高范圍內(nèi)為0.9m×0.9m。右側(cè)四根柱子在基礎(chǔ)頂面至12m標(biāo)高范圍內(nèi)為0.9m×0.9m。整個(gè)框架結(jié)構(gòu)橫向14m，縱向35.5m，左側(cè)柱子在縱向柱距12.5m。雙分離式高效選粉機(jī)由6支點(diǎn)支撐，垂直靜載480kN，灰載400kN，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)取14.7t。根據(jù)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，動(dòng)力荷載幅值取每個(gè)支點(diǎn)重量的20%進(jìn)行分析，即動(dòng)力荷載幅值計(jì)算約為29.3kN。根據(jù)設(shè)備方提供的資料工藝設(shè)備表選粉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速100～185r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率取值 1.6～3.0Hz。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)選粉機(jī)正常主要工作頻率約為2.0Hz。

圖1 選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)

圖2 28m梁平面布置

圖3 選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4 頂層角點(diǎn)的縱向位移-頻率曲線

圖5 頂層角點(diǎn)的橫向位移-頻率曲線

圖6 方案一 頂層兩側(cè)加支撐

圖7 方案二 上部三向加支撐

圖8頂層角點(diǎn)的縱向位移-頻率曲線

圖9 頂層角點(diǎn)的縱向位移-頻率曲線

圖10頂層角點(diǎn)的縱向位移-頻率曲線

圖11頂層角點(diǎn)的縱向位移-頻率曲線

表1 分析對(duì)比表，mm

3 水泥粉磨框架結(jié)構(gòu)有限元模型和諧響應(yīng)分析

本文運(yùn)用大型有限元軟件AN?SYS建立實(shí)際結(jié)構(gòu)模型，采用BEAM4單元模擬結(jié)構(gòu)的梁和柱，SHELL63模擬結(jié)構(gòu)的樓板，MASS21模擬結(jié)構(gòu)上面的設(shè)備質(zhì)量。圖3為選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)的有限元模型。樓面荷載取樓面自重，樓面上其他設(shè)備（不包括選粉機(jī)）根據(jù)相關(guān)的資料均按質(zhì)點(diǎn)考慮。

根據(jù)圖3所示的選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)有限元模型，本文對(duì)其進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，計(jì)算選粉機(jī)正常工作頻率范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)力響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)各點(diǎn)位移幅值和頻率的關(guān)系。根據(jù)設(shè)備工藝方提供的資料，選粉機(jī)頻率為1.6～3.0Hz。圖4為頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）縱向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，最大值為7.53mm，2.0Hz處位移幅值為5.48mm。圖5為頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）橫向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，最大值為8.92mm，2.0Hz處位移幅值為6.26mm。

由圖4和圖5發(fā)現(xiàn)荷載頻率大概1.9Hz時(shí)候，結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到最大值，與選粉機(jī)主要工作頻率2.0Hz接近，結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)共振。

4 結(jié)構(gòu)加固方案和諧響應(yīng)分析

由于原型結(jié)構(gòu)在選粉機(jī)正常工作狀態(tài)下的晃動(dòng)明顯，為了使結(jié)構(gòu)滿足正常使用的要求，根據(jù)實(shí)際工藝情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。具體加固方案為：（1）頂層兩側(cè)加支撐（圖6）；（2）上部各層加支撐（圖7）。支撐均選用32a槽鋼。

分別對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。圖8為加固方案一頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）縱向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，2.0Hz處位移幅值為4.13mm。圖9為頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）橫向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，2.0Hz處位移幅值為5.67mm。

圖10為頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）縱向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，2.0Hz處位移幅值為0.93mm。圖11為頂層（標(biāo)高28m）角點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)3716）橫向位移隨荷載頻率變化關(guān)系，2.0Hz處位移幅值為0.34mm。

對(duì)比分析頂層（標(biāo)高28.000m）角點(diǎn)的位移（表1所示）可得到：加固方案一雖使結(jié)構(gòu)最大振幅有所減小，但不明顯；加固方案二可使結(jié)構(gòu)最大振幅明顯減小，縱向位移最大值由7.52mm變?yōu)?.52mm，主要工作頻率（2Hz）下由5.48mm變?yōu)?.93mm，橫向位移最大值由8.92mm變?yōu)?.75mm，主要工作頻率（2Hz）下由6.26mm變?yōu)?.34mm。另外，從圖10和11可以看出，結(jié)構(gòu)按方案二加固后，避開(kāi)了測(cè)選粉機(jī)正常主要工作頻率（2.0Hz）。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥粉磨車間的選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，以避免在工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振和振幅過(guò)大。

（2）對(duì)已投入使用，但振動(dòng)較大的水泥選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)，可通過(guò)適當(dāng)增加支撐，改變結(jié)構(gòu)剛度，達(dá)到減振目的。

（3）對(duì)本文所述振動(dòng)過(guò)大的水泥粉磨車間的選粉機(jī)框架結(jié)構(gòu)，采用加固方案二進(jìn)行加固，可明顯減弱其振動(dòng)幅度。

[1]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]郝文華.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[3]李坤山,莫易敏.選粉機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(2):114-115.

[4]楊曉紅,尹明德.選粉機(jī)工作性能相關(guān)結(jié)構(gòu)分析與研究[J].礦山機(jī)械,2009,39(1):97-100.

[5]GB50010—2001,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB50040—96,動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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呂光