皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)異常振動(dòng)分析與診斷

陳 其

（湛江港（集團(tuán)）股份有限公司第二分公司，廣東 湛江 524008）

0 引言

皮帶輸送廣泛應(yīng)用于港口物料輸送中，其運(yùn)行可靠性直接影響港口的整體性能[1]。

金琦淳等人[2]通過(guò)分析皮帶輸送機(jī)在穩(wěn)定和非穩(wěn)定工況下運(yùn)行時(shí)對(duì)膠帶張力的要求，探討了膠帶張力計(jì)算校核方法，運(yùn)用運(yùn)行阻力的近似方法，克服了分類不同導(dǎo)致的皮帶輸送機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算差異；冷以康[3]探討了皮帶輸送機(jī)的基礎(chǔ)載荷計(jì)算方法；鄭永等人[4]深入探討了皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造中，采用永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可行性及其優(yōu)缺點(diǎn)，并詳細(xì)分析了對(duì)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造的可行性。

某港口轉(zhuǎn)換房BC103、BC104皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)在正常工作運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)、減速機(jī)地腳螺栓松動(dòng)，以及減速機(jī)輸入軸、電機(jī)輸出軸軸承損壞等。

經(jīng)測(cè)試為驅(qū)動(dòng)裝置支撐基礎(chǔ)剛性不足引起，隨后對(duì)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)位置進(jìn)行了改造，將驅(qū)動(dòng)裝置由原來(lái)位置下移至地面基礎(chǔ)上。

但皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)在正常工作運(yùn)行中仍然出現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)，電機(jī)、減速機(jī)地腳螺栓松動(dòng)等問(wèn)題。

針對(duì)上述工程實(shí)際問(wèn)題，本文在系統(tǒng)分析皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入分析了振動(dòng)故障產(chǎn)生的原因，指出了質(zhì)量偏心是激勵(lì)振動(dòng)的主要誘因，同時(shí)計(jì)算得到了關(guān)鍵部位在偏心離心力作用下的應(yīng)力分布云圖和強(qiáng)度校核結(jié)果。

1 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

BC103、BC104皮帶輸送機(jī)采用兩套相同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖1（a）），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用高壓電機(jī)，通過(guò)液力耦合器、制動(dòng)器與減速器高速軸相連接。皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒兩端通過(guò)軸承座支撐，其傳動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器與減速器低速軸相連。電機(jī)、制動(dòng)器、減速器的支撐座為一體剛性結(jié)構(gòu)。

圖1 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)輸出軸至減速器輸入軸之間距離為1 700 mm，中間有液力耦合器、制動(dòng)輪、聯(lián)軸器。液力耦合器中心線至電機(jī)軸端距離為720 mm，制動(dòng)輪中心線至電機(jī)軸端距離為1 200 mm，包括其他旋轉(zhuǎn)裝置，其合成質(zhì)量約為390 kg，如圖1（b）所示。

2 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)異常振動(dòng)故障分析

2.1 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座受力分析

皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、減速器支座采用一體鋼制結(jié)構(gòu)，電機(jī)、減速器通過(guò)螺栓固定在支座上，支座通過(guò)焊接與土建基礎(chǔ)相連。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座所承受的載荷主要包括：1）電機(jī)、減速器自重載荷；2）電機(jī)、減速器所傳遞扭矩轉(zhuǎn)換到支座螺栓上的載荷；3）旋轉(zhuǎn)質(zhì)量離心慣性力作用在支座螺栓上的載荷，以及自重沖擊載荷等。

皮帶輸送機(jī)采用兩套相同的驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)稱驅(qū)動(dòng)，重載時(shí)，皮帶先繞入卷筒裝置為主驅(qū)動(dòng)裝置，皮帶后繞入卷筒裝置為從驅(qū)動(dòng)裝置，由于主驅(qū)動(dòng)裝置皮帶張力比從驅(qū)動(dòng)裝置大，計(jì)算時(shí)以主驅(qū)動(dòng)裝置為準(zhǔn)。皮帶張力載荷是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是支座所受的主要外力。該驅(qū)動(dòng)單元處載荷的具體作用情況如圖2所示，皮帶繞入導(dǎo)向滾筒拉力為314 kN，對(duì)繞入驅(qū)動(dòng)滾筒產(chǎn)生的拉力為318 kN，驅(qū)動(dòng)端皮帶拉力為198 kN，兩個(gè)拉力差為驅(qū)動(dòng)滾筒所傳遞的牽引力，所以作用于驅(qū)動(dòng)滾筒支座處的載荷為120 kN，驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑為1 000 mm，所以作用在驅(qū)動(dòng)滾筒上的扭矩為60 kN·m。

圖2 驅(qū)動(dòng)單元處的作用載荷

2.2 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量偏心激勵(lì)的皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)分析

由于電機(jī)至減速器之間具有多種旋轉(zhuǎn)元件，各構(gòu)件制造材質(zhì)存在不均勻性，制造和安裝存在誤差，支承距離內(nèi)傳動(dòng)軸存在變形等因素，使得安裝于電機(jī)輸出端至減速器輸入端的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量通常會(huì)存在偏心，即其質(zhì)心不在中心位置。

將偏心狀態(tài)簡(jiǎn)化成圖3所示運(yùn)動(dòng)模型，l0為電機(jī)輸出端和減速器輸入端之間的距離；l1為偏心質(zhì)量和電機(jī)輸出端的距離。

圖3 電機(jī)、減速器之間旋轉(zhuǎn)質(zhì)量簡(jiǎn)化模型圖

當(dāng)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置工作時(shí)，等效轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量由于偏心的作用將產(chǎn)生離心慣性力，該力作用在電機(jī)和減速器軸的徑向方向，可表示為：

式中：mz為等效質(zhì)量；ac為質(zhì)心加速度；ω為電機(jī)軸的角速度，ω=2πn，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；e為等效質(zhì)量偏心距。

已知BC103、BC104皮帶輸送機(jī)的等效質(zhì)量mz為390 kg，電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速n為1 500 r/min。參數(shù)e受聯(lián)軸器不對(duì)中、轉(zhuǎn)動(dòng)軸彎曲變形等因素影響，為一個(gè)變化的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)聯(lián)軸器的調(diào)心要求和液力耦合器的動(dòng)平衡試驗(yàn)情況以及電機(jī)輸出軸至減速器輸入軸之間的距離等取值。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座受力包括：

1）電機(jī)自重：4 530 kg。

2）減速器自重：3 150 kg。

3）液力耦合器自重：350 kg。

則由液力耦合器自重產(chǎn)生的各支座受力為：R電機(jī)=185.3 kg≈1.816 kN；R減速器=164.7 kg≈1.614 kN。

4）由最大離心慣性力產(chǎn)生的各支座受力情況：

根據(jù)BC103、BC104皮帶輸送機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，質(zhì)量偏心距e值可在2～10.5 mm范圍內(nèi)變化，考慮最危險(xiǎn)的情況，等效質(zhì)量偏心距e取最大值10.5 mm時(shí)，得到最大離心慣性力P1=101.04 kN。可得電機(jī)端和減速器端支座受力分別為：R減速器=47.548 kN，R電機(jī)=53.492 kN。

由液力耦合器自重和質(zhì)量偏心引起的離心力作用于皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，將激勵(lì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸工頻振動(dòng)。

5）電機(jī)最大扭矩：所選電機(jī)的最大扭矩M電機(jī)=60 kN·m，扭矩計(jì)算公式為M電機(jī)=F載荷l距離，所選電機(jī)到各螺栓的距離為1.8 m，分配在連接螺栓上，螺栓的剪力

6）減速器輸入軸最大扭矩：所選減速器的最大扭矩M電機(jī)=60 kN·m，扭矩計(jì)算公式為M減速器=F載荷l距離，所選減速器到各螺栓的距離為1.92 m，分配在連接螺栓上，螺栓的剪力為

3 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量偏心激勵(lì)的皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度分析

3.1 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座強(qiáng)度分析

針對(duì)電機(jī)、減速器地腳螺栓松動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)電機(jī)、減速器的支座強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校驗(yàn)。皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座的計(jì)算模型由有限元分析軟件ANSYS APDL創(chuàng)建，模型單元為殼單元SHELL63。

有限元模型的計(jì)算載荷包括皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座所承受6類載荷，加載原則為：1）電機(jī)、減速器自重載荷按均布載荷施加在支承座面板上；2）液力耦合器自重和旋轉(zhuǎn)裝置最大離心慣性力分解到電機(jī)、減速器支撐端，按壓力方向分別施加在各自的支承面板上；3）電機(jī)最大輸出扭矩和減速器輸入扭矩轉(zhuǎn)換成電機(jī)、減速器連接螺栓的剪切載荷，并均勻分配在每個(gè)連接螺栓上。

支座受到電機(jī)和減速器自重及旋轉(zhuǎn)部件重力分配到各支座的均布力作用，電機(jī)支座受到載荷約為99.7 kN，減速器支座受到載荷約為80 kN，支座強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 計(jì)算應(yīng)力分布云圖

從圖4中可以看出，在支座螺栓孔附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在電機(jī)螺栓孔處且最大應(yīng)力值約49 MPa，遠(yuǎn)小于Q345材料的許用應(yīng)力265 MPa，符合強(qiáng)度要求。

支座剛度變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示，最大變形出現(xiàn)在電機(jī)螺栓孔附近，且最大變形量為0.178 mm。該變形量微小，不會(huì)對(duì)支座的正常工作造成影響。

圖5 計(jì)算變形量局部放大云圖

3.2 皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接螺栓強(qiáng)度分析

電機(jī)及減速器螺栓在傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中承受剪切作用，其作用力主要來(lái)源于電機(jī)傳遞扭矩和旋轉(zhuǎn)元件的離心慣性力，由電機(jī)、減速器的自重所產(chǎn)生的壓力作用在垂直方向，使螺栓產(chǎn)生拉伸，由離心慣性力和扭矩所產(chǎn)生的載荷主要作用在水平方向，使螺栓產(chǎn)生剪切。

3.2.1 螺栓的受力

電機(jī)、減速器螺栓直徑皆為40 mm，截面積S=1 256.6 mm2，電機(jī)螺栓個(gè)數(shù)n1=4，減速器螺栓個(gè)數(shù)n2=8，則電機(jī)端連接螺栓所受總剪切力為F電機(jī)剪=各個(gè)螺栓上的剪切力為8.325 kN。減速器端連接螺栓所受總剪切力為F減速器剪=31.25 kN，各個(gè)螺栓上的剪切力為3.906 kN。

3.2.2 螺栓的計(jì)算應(yīng)力

減速器端連接螺栓所受拉應(yīng)力為σ減速器拉=剪應(yīng)力為

計(jì)算結(jié)果表明：螺栓計(jì)算應(yīng)力均滿足要求。

4 原因分析與改進(jìn)措施

4.1 振動(dòng)原因分析

造成皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因?yàn)樾D(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡產(chǎn)生交變的離心力，而交變離心力的產(chǎn)生和作用力大小受多種因素影響，本系統(tǒng)主要包括以下方面：

1）旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的支承距離。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的支承距離可以直接影響旋轉(zhuǎn)裝置的對(duì)中精度和支承剛性，造成構(gòu)件質(zhì)量的偏心旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生附加不平衡離心力，形成具有交變特征的激振載荷。從本皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)看，電機(jī)輸出軸至減速器輸入軸之間的距離達(dá)1.7 m，當(dāng)接近400 kg等效質(zhì)量在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著質(zhì)量偏心距的改變，其附加離心力也快速增加，當(dāng)偏心距為10 mm時(shí)，該載荷達(dá)到101.04 kN。

2）旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動(dòng)平衡特性。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動(dòng)平衡特性也是影響離心力是否平衡的重要因素。本驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，屬于高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動(dòng)平衡特性影響尤其明顯。系統(tǒng)在電機(jī)和減速器之間連接有液力耦合器、制動(dòng)器和聯(lián)軸器等構(gòu)件，由于各構(gòu)件具有相互獨(dú)立的動(dòng)平衡特性，當(dāng)幾個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件組合在同一旋轉(zhuǎn)軸上時(shí)，各構(gòu)件的動(dòng)平衡會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)而相互影響，造成整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)平衡特性的惡化，由此放大不平衡慣性離心力，造成系統(tǒng)的振動(dòng)加劇。

4.2 改進(jìn)措施

重新布置皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備，縮小電機(jī)輸出軸至減速器輸入軸之間的距離，或在現(xiàn)有布置條件下改用性能相同、質(zhì)量較小的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，或?qū)λ行D(zhuǎn)軸上的構(gòu)件進(jìn)行配對(duì)調(diào)整動(dòng)平衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)異常振動(dòng)進(jìn)行分析與診斷，指出了質(zhì)量偏心是激勵(lì)振動(dòng)的主要誘因；同時(shí)通過(guò)對(duì)支座、連接螺栓在偏心離心力作用下的強(qiáng)度校核，分析得出偏心離心力對(duì)支座穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為同類型皮帶輸送機(jī)振動(dòng)異常處理提供參考。