鋼筋混凝土構架式動力基礎不良振動檢測分析＊

薛 剛,李奉閣

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院,內蒙古包頭 014010)

動力機器基礎有幾個明顯特點:①機器轉速高、功率大,因而基礎受高頻振動影響;②動力機器由高頻機組構成,高頻機組設置在同一基礎上,致使基礎上同時有多個振動質點。③新的基礎形式隨著生產力的發展而涌現,出現了設計規范沒有涉及到的基礎形式,如大塊-框架式聯合基礎[1-3]。隨著我國經濟建設不斷發展,動力機組容量和尺寸在逐步增大,轉速也在相應提高,加之影響和反映機組運行狀態的參數很多,基礎的振動問題愈加突出,甚至已成為機器運行和設計中存在的一個重要問題。我國現行的有關動力基礎設計規范都是以振幅控制為原則編制的[4-5],在缺少設備制造廠動力資料的情況下,常常以靜力荷載乘以動力系數的方法代替動力計算,計算結果與實際相符程度難于掌握。動力機器基礎出現了不良振動,行之有效的方法是對不良振動實施有效的狀態監測,并且對振動信號進行全面分析,從而查找不良振動根源并制定減振對策。本文針對工程實例,探討高頻機組基礎不良振動監測分析的一般方法。

1 工程概況

某鋼鐵公司焦化廠回收車間鼓風機基礎為鋼筋混凝土構架式基礎,基礎頂板由六根鋼筋混凝土柱支撐。基礎上布置有電機、液力耦合器、加速機、風機。其中電機的工作轉速2 900轉,風機的額定轉速為4 800轉,加速器的增速比為1.673。廠方長期監測結果表明:風機在低轉速工作時振動狀態良好,但當風機的工作轉速超過4 400多轉時,振動明顯增加,振動幅值超過《動力機器基礎設計規范》(GB50040-96)的有關規定,并導致基礎的二次灌漿層表面開裂。為此對風機基礎及機組進行振動檢測。測試內容包括:①風機工作轉速分別為4 200轉/分和4 400轉/min附近時,對混凝土基礎振動測試并分析。②風機工作轉速分別為4 200轉/min和4 400轉/min附近時,對設備基座,及電機、液力耦合器、風機的振動情況測試并分析。

2 檢測結果及分析

2.1 基礎動力特性檢測分析

對基礎動力特性進行檢測分析,主要是檢查基礎與動力機器是否存在共振。具體檢測可從這樣三個方面著手:①計算或測試基礎的自振頻率,考察基礎的自振頻率是否與機器工作頻率相近,如相差不足20%,則容易產生共振。測試基礎的自振頻率需在機器不運行的狀態下進行。②互功率譜所對應的相位差不為0°或180°,表明發生共振。③譜線呈現出變幅周期振動特性,表明發生共振。

兩個簡諧振動的共振合成振動可表示成[6]:

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

測試中,在電機、加速機處的基礎上布置了軸向、水平方向和垂直方向的加速度傳感器,在風機底座處布置豎向傳感器。

選取用于共振現象分析的一個測點的互功率譜和相位見圖1。結果表明,基礎三個方向上各測點的互功率譜峰值所對應的相位差不為0°或180°;同時計算得到風機基礎的基頻為1.12 Hz,遠小于設備的工作頻率,所以基礎三個方向不存在與設備轉動頻率相近的共振現象。

圖1 互功率譜及相位示意圖

在電機、液力耦合器、風機的底座地腳螺栓處布置軸向、水平向加速度傳感器,在加速機基礎上布置軸向、水平向加速度傳感器。電機的工作轉速為2 900轉(48.3 Hz),實測了風機轉速為4 160轉(69.3 Hz)和4 400轉(73.3 Hz)時各點振動加速度,各測點的頻譜見表1。選擇1個測點的頻譜,圖2所示。

圖2 風機4 400轉時風機基座水平向頻譜

從表1及各測點頻譜圖可以看出:①加速機軸向振動以低速軸的工頻和三倍頻為主,加速機的水平向振動在風機轉速為4 160轉時以電機的倍頻、工頻及低速軸的二倍頻為主,當風機轉速為4 410轉時以加速機低速軸的二倍頻為主。②電機的軸向振動較大,而且頻譜中含有較高的電機轉速的二倍頻和四倍頻。當風機轉速提高時,頻譜中以高頻分量(228 Hz)為主。③風機的水平向和軸向振動主要以電機的工頻和倍頻為主。由此可以判定,機組的異常振動主要是由于電機和加速機的對中不好引起的。

表1 設備底座測試結果

2.2 動力機組檢測分析

在電機與加速機的轉軸外殼上布置軸向和豎向的加速度傳感器,在風機、加速機的機殼上布置水平向、軸向、垂直向加速度傳感器。實測了風機轉速為4 420轉(73.6 Hz)時各測點的加速度值,此時電機的轉速為2 900轉,加速機的低轉速軸為2 700轉(45 Hz)。

在電機與加速機的轉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,在加速機外殼、風機的機殼上布置水平向、軸向加速度傳感器。實測了風機轉速為4 223轉(70.4 Hz)時各測點的加速度值,此時電機的轉速為2 900轉,加速機的低轉速軸為2 700轉(42 Hz)。該項測試時低通濾波濾掉100 Hz以上的頻率。結果見如表2。由表2可以看出,各測點的振動頻率主要以電機的工頻(50 Hz),加速機低速軸工頻(42 Hz)和高速軸工頻(70.4 Hz)為主,但在加速機的水平向振動中含低速軸的二倍頻(84 Hz)。結果如表2。

表2 設備系統測試結果

圖3 風機4 223 r/min時電機水平軸向振動頻譜圖

當轉子系統出現平行不對中時,聯軸器中心的轉動為轉子轉動角速度的兩倍,因此當轉子高速運轉時,就會產生很大的離心力,激勵轉子產生徑向振動,其振動頻率為轉子工頻的兩倍。

當轉子軸線之間存在偏角位移時,也即轉子系統偏角不對中。當在聯軸器處出現偏角不對中時,兩個轉子的角速度之比為:

式中:C0、C2、C4、C6與夾角有關的數;φ1為主動轉子回轉角。上式充分反映了該類不對中的二倍轉頻振動特性。

3 結語

工業系統中動力機器多采用構架式基礎型式。動力基礎在使用中,多種因素導致不良振動。實踐證明,在不良振動檢測基礎上,制定合理的減振對策,會受到事半功倍的效果。根據對某鼓風機基礎及機組的不良檢測結果,可得出以下結論:

(1)根據多次測試結果及計算分析可知,該焦化廠風機基礎的異常振動不是由于基礎與動力機器共振引起的。

(2)在無負荷情況下,各設備運行正常,振動較小。在有負荷情況下,各測點的頻譜圖上有較大的電機基頻和倍頻,同時加速機低速端和高速端的基頻率和倍頻值較大。表明加速機與風機、液力耦合器的連接轉軸處的對中不好。

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

[1] 徐建.建筑振動工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2] 侯興民,馬小燕,吳漢生,等.動力機器基礎振動與設計若干問題的討論[J].地震工程與工程振動,2008,28(3):131-137.

[3] 王錫康.動力機器基礎振動學科在我國的發展及需研究的若干問題[J].工業建筑,2007,37(6):83-90.

[4] 張榮山.工程振動與控制[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[5] 劉廣萍.受高頻率機組振動基礎的結構設計[J].建筑技術開發2000,27(4):2-3.

[6] 倪振華.振動力學[M].西安:西安交通大學出版社,1986.

[7] 趙華.振動監測方法在工程機械狀態監測與故障診斷中的應用[J].鐵道工程學報,2000,74(2):90-92.