皮帶機設備運行對轉運站振動影響及減振方案

鄔俊文，陶軍

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

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

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

1 工程概況

某轉運站為國內某著名港口輸送系統(tǒng)工程之一，采用鋼框架、四柱基礎結構形式，4個結構立柱截面尺寸均為600 mm×600 mm。轉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）；結構共計2層，總高度13.5 m，首層不設維護結構，二層采用壓型鋼板維護并設有門窗洞口?？紤]到火車軌道在皮帶機棧橋下方并平行于皮帶機穿行，皮帶機驅動裝置布置在轉運站二層。皮帶機棧橋位于轉運站左側，轉運站二層驅動裝置設備布置如圖1所示，剖面如圖2所示。

圖1 轉運站二層設備平面圖Fig.1 Layer 2 deviceplan of the transfer station

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

圖2 轉運站剖面圖Fig.2 Profileof thetransfer station

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

2 結構振動測試

2.1 測點布置

為解決轉運站振動問題，需確定轉運站振源[4]，因此在轉運站二層樓板梁、立柱和驅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位于轉運站結構立柱上。見圖4。

圖3 轉運站測點布置圖Fig.3 Measuring pointslayout in thetransfer station

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

2.2 測試結果

1）結構振動形式分析：通過對各點的測試結果觀測，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，可以判斷轉運站鋼結構振動以豎直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），轉運站結構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） 結構振動頻率分析：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。對轉運站二層工藝設備頻率進行計算，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，轉運站結構振動以豎向振動為主，結構振動頻率和驅動電機頻率一致。

3 轉運站建模分析

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

通過對轉運站的現(xiàn)場觀察，皮帶機棧橋與轉運站處設有伸縮間隙縫，由此斷定轉運站與皮帶機棧橋相互獨立，因此轉運站建模無須考慮棧橋對轉運站的水平支撐作用。本文采用Ansys Workbench軟件對轉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；傳動滾筒支架下的梁系結構施加恒力和恒力矩，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 結構計算模型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

通過查閱相關規(guī)范，并結合現(xiàn)有研究成果，轉運站振動通常存在結構側向水平和豎向振動[4]，圖8給出了激振源、振動類型對結構的影響。

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

圖8 轉運站激振源與振動類型的關系Fig.8 Relationship between vibration sourcesand typesof transfer station

4.2 減振方案

解決本轉運站受迫振動的主要途徑就是加強轉運站豎向剛度，特別是驅動裝置下的轉運站樓面結構豎向剛度。由于轉運站已施工完畢，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構的豎向剛度加固：對原有驅動裝置下的支撐次梁1和次梁2增加倒T梁結構，使原有梁HN600×200×11×17梁高增加至800 mm，同結構主梁高度一致。加固梁系結構后P點豎向振動速度幅值降低至0.000 3 m/s，是加固梁系結構前的8%；Q點豎向振動速度幅值降低至0.001 m/s，是加固梁系結構前的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構的減振效果非常明顯，減振方案可行。

5 結論與展望

1）由于皮帶機驅動裝置動擾力和膠帶黏滯阻力導致轉運站振動特性復雜多變。而設計院在轉運站設計時，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運站結構上，忽略了動載荷對轉運站振動的影響。為此，轉運站設計時，除滿足結構靜強度和剛度要求外，還需對轉運站進行動態(tài)模擬。

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

3）導致轉運站振動的因素通常為驅動裝置和皮帶機傳動滾筒。設計時，應適當加大皮帶機驅動裝置和皮帶機傳動滾筒支架下的梁系結構，增加結構豎向和水平剛度，從而增大轉運站抵抗外部擾力的能力。

4）已建成的轉運站，若轉運站振動已明顯影響了結構正常使用或對人體舒適性產生不利影響，需對結構進行加固，加固方案需考慮現(xiàn)場實際情況并具有針對性。