某廢鋼渣車間落錘沖擊振動特性研究

王文江，李賢徽，趙俊娟，馬燕

（1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.新疆維吾爾自治區(qū)生態(tài)環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，烏魯木齊 830063）

引言

鋼鐵廠廢鋼渣車間通常采用吊運落錘對大塊鋼渣進行破碎，然后分選鋼渣中的大塊或含鐵量較高的鋼渣便于二次回爐煉鋼。付應乾[1]等對鋼筋混凝土梁進行三點彎曲試驗，探討了不同沖擊高度下鋼筋混凝土結構的破壞機理。宋敏[2]等在鋼筋三折線本構模型中引入應變率效應，進行了不同高度沖擊下鋼筋混凝土梁響應及破壞的數(shù)值模擬研究。展婷變[3]等人進行了落錘沖擊試驗，分析了沖擊速率對最大承載力和梁變形的影響。姜芳[4]等人研究了鋼筋混凝土在沖擊載荷下的動態(tài)力學性能，表明鋼筋混凝土材料的應力應變總體呈滯回特性。以上研究主要是落錘沖擊對鋼筋混凝土的應力應變特性研究。本文通過四種高度落錘沖擊實驗，研究沖擊振動在混凝土地基中的加速度時頻特性響應。

1 實驗設備及方案

落錘沖擊振動實驗在廣東省湛江市某公司的廢鋼渣處理車間進行。如圖1所示，落錘區(qū)加保護層區(qū)域總長28m、寬24m，落錘最大高度是19.2m，落錘的重量為11.2t。振動測試系統(tǒng)主要由加速度傳感器、INV3062C數(shù)據(jù)采集儀、Coinv DASP V11軟件、線纜等構成。測點分別布置在落錘區(qū)中線對稱位置，測點1～5在同一水平線上，距離保護層外側面0.5m，相鄰兩測點的距離為6m。

本實驗以落錘沖擊為研究對象，落錘敲擊的位置為圖中虛線所示區(qū)域，位于測點2、測點3的中垂線上，距左側保護區(qū)外側面11m，距下保護區(qū)外側面15m，測點2、測點3距落錘點15.8m，測點1、測點4距落錘點17.9m，測點5距落錘點21.6m。落錘做自由落體運動，通過改變落錘的下落高度（分別為19.2m、15.3m、13.4m），對混凝土地基進行振動測試，最終得出不同高度落錘下混凝土的加速度振動特性。

圖1 測試現(xiàn)場及測點布置圖

2 實驗結果及分析

2.1 加速度時域信號圖

三種落錘高度（分別為19.2m、15.3m、13.4m）的振動沖擊在不同測點位置所產(chǎn)生的加速度值均不相同，相應的加速度時域信號見圖2～圖4。圖2中振動沖擊的持續(xù)時間約0.298s，測點3的最大峰峰值為8.4m/s2，測點2的最大峰峰值為5.5m/s2，測點4的最大峰峰值為5.3m/s2，測點1的最大峰峰值為2.6m/s2，測點5的最大峰峰值為2.5m/s2，其中測點2、測點3、測點4振動比較劇烈，測點1、測點5振動相對平緩。

圖2 振動沖擊時域圖（19.2m）

圖3中振動沖擊的持續(xù)時間約為0.29s，測點2的最大峰峰值為3.9m/s2，測點3的最大峰峰值為3.3m/s2，測點4的最大峰峰值為2.9m/s2，測點1的最大峰峰值為2.3m/s2，測點5的最大峰峰值為1.1m/s2，其中測點2、測點3、測點4的振動比較劇烈，測點1、測點5的振動相對平緩。

圖3 振動沖擊時域圖（15.3m）

圖4中振動沖擊的持續(xù)時間約為0.294s，測點2的最大峰峰值為3.9m/s2，測點3的最大峰峰值為3.3m/s2，測點4的最大峰峰值為2.9m/s2，測點1的最大峰峰值為2.3m/s2，測點5的最大峰峰值為1.1m/s2，其中測點2、測點3、測點4振動相對次之，測點1、測點5振動相對平緩。

圖4 振動沖擊時域圖（13.4m）

在時域圖中發(fā)現(xiàn)，落錘沖擊振動衰減時間約為0.3s。測點距落錘點的距離16～20m內振動較劇烈（測點2～4），測點距落錘點的距離18～22m內振動相對較平緩（測點1、測點5），后者區(qū)域比前者區(qū)域能量衰減較快。

2.2 加速度頻域信號圖

對三種高度（19.2m、15.3m、13.4m）落錘的振動沖擊時域信號圖進行傅里葉變換，分別得到三種高度落錘的頻域信號圖，見圖5～圖7。

圖5中振動沖擊的能量主要集中在2.4～120Hz內，其中測點2在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.18m/s2、0.37m/s2，測點3在12.2Hz、29.3Hz分別達到局部最大值0.15m/s2、0.13m/s2，測點4在12.2Hz、31.7Hz、分別達到局部最大值0.11m/s2、0.19m/s2，測點5在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值 0.08m/s2、0.1m/s2，測點1在9.8Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.06m/s2、0.12m/s2。在全部測點中測點2在31.7Hz達到最大值0.37m/s2。

圖5 振動沖擊頻域圖（19.2m）

圖6中測點振動沖擊的能量主要集中在2.4～110Hz。其中測點2在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.31m/s2、0.25m/s2，測點3在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.26m/s2、0.16m/s2，測點4在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.20m/s2、0.16m/s2，測點5在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.11m/s2、0.10m/s2，測點1在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.11m/s2、0.13m/s2。在全部測點中測點2在12.2Hz時達到最大值0.31m/s2。

圖6 振動沖擊頻域圖（15.3m）

圖7中測振動沖擊的能量主要集中在2.4～110Hz。其中測點2在12.2Hz、31.7Hz分別達到局部最大值0.18m/s2、0.26m/s2，測點3在12.2Hz、29.3Hz分別達到局部最大值0.15m/s2、0.07m/s2，測點4在12.2Hz、31.7Hz別達到局部最大值0.09m/s2、0.16m/s2，測點5在12.2Hz、31.7Hz時分分別達到局部最大值 0.04m/s2、0.09m/s2，測點1在9.8Hz時、31.7Hz分別達到局部最大值0.08m/s2、0.11m/s2。在全部測點中測點2在31.7Hz時達到最大值0.26m/s2。

圖7 振動沖擊頻域圖（13.4m）

從頻域圖中可見，測點的振動能量頻率主要集中在2.4～110Hz低頻區(qū)域，在多次試驗中，結構振動頻率12.2Hz和31.7Hz重復出現(xiàn)，能很好地反映結構的振動特性，可作為廠房振動特性的特征頻率，用于結構健康監(jiān)測。

3 結論

通過落錘沖擊實驗發(fā)現(xiàn)：落錘沖擊振動衰減時間約為0.3s，測點距落錘點18～22m時振動能量比測點距落錘點的距離15～18m時衰減快。全部測點的振動能量集中在低頻區(qū)，能量主要分布在與廠房結構固有特性相關的頻率12.2Hz和31.7Hz處，可作為該廠房振動特性的特征頻率并用于結構健康監(jiān)測。