水泥粉磨車間框架結構動力特性及加固研究

項陽，熊利劍，劉明輝

水泥粉磨車間框架結構動力特性及加固研究

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

項陽1，熊利劍2，劉明輝3

針對水泥粉磨車間框架結構在選粉機正常工作狀態下振動過大的現狀，建立了該水泥粉磨框架結構的ANSYS有限元模型，對結構模型進行了動力諧響應分析，找出了振動過大的原因，設計了多個水泥粉磨框架結構的加固方案。對比分析原型結構和各加固結構諧響應分析結果，確定減小結構振動線位移的優選加固方案，為同類結構的設計和加固提供理論依據。

有限元分析；模態分析；諧響應分析；結構加固

1 前言

雙分離式高效選粉機是水泥粉磨的核心設備。在正常工作狀態下，選粉機轉動頻率高，振動較大，動力精確計算較為復雜，造成選粉機支撐結構的振動加大，影響正常生產，亦造成了一定的安全隱患。本文對某水泥廠的水泥粉磨選粉機振動過大的框架結構進行了動力諧響應分析，并且提出減少結構在設備正常工作狀態下的動力位移的加固方案，供同行在同類結構的設計和加固中參考。

2 工程概況

該水泥廠的水泥粉磨車間進行技術改造，更換了新型的雙分離式高效選粉機設備。設備安裝運轉后，在正常工作狀態下振動較大。圖1為水泥粉磨車間框架結構簡圖，圖2為28m處樓層結構布置圖（選粉機設備布置在該層）。該水泥磨車間總共6層，在第三層（標高12m）、第四層（標高17.5m）、第六層（標高28m）設置有樓板，其他樓層梁為空拉梁。下面三層有八根柱子支撐，上面三層由結構左側4根柱子上伸支撐。左側四根柱子在基礎頂面至12m標高范圍內為1m×1m，12m至28m標高范圍內為0.9m×0.9m。右側四根柱子在基礎頂面至12m標高范圍內為0.9m×0.9m。整個框架結構橫向14m，縱向35.5m，左側柱子在縱向柱距12.5m。雙分離式高效選粉機由6支點支撐，垂直靜載480kN，灰載400kN，每個質點取14.7t。根據《動力機器基礎設計規范》，動力荷載幅值取每個支點重量的20%進行分析，即動力荷載幅值計算約為29.3kN。根據設備方提供的資料工藝設備表選粉機主軸轉速100～185r/min，轉動頻率取值 1.6～3.0Hz。根據相關檢測選粉機正常主要工作頻率約為2.0Hz。

圖1 選粉機框架結構

圖2 28m梁平面布置

圖3 選粉機框架結構的有限元模型

圖4 頂層角點的縱向位移-頻率曲線

圖5 頂層角點的橫向位移-頻率曲線

圖6 方案一 頂層兩側加支撐

圖7 方案二 上部三向加支撐

圖8頂層角點的縱向位移-頻率曲線

圖9 頂層角點的縱向位移-頻率曲線

圖10頂層角點的縱向位移-頻率曲線

圖11頂層角點的縱向位移-頻率曲線

表1 分析對比表，mm

3 水泥粉磨框架結構有限元模型和諧響應分析

本文運用大型有限元軟件AN?SYS建立實際結構模型，采用BEAM4單元模擬結構的梁和柱，SHELL63模擬結構的樓板，MASS21模擬結構上面的設備質量。圖3為選粉機框架結構的有限元模型。樓面荷載取樓面自重，樓面上其他設備（不包括選粉機）根據相關的資料均按質點考慮。

根據圖3所示的選粉機框架結構有限元模型，本文對其進行了諧響應分析，計算選粉機正常工作頻率范圍內結構的最大動力響應，得到結構各點位移幅值和頻率的關系。根據設備工藝方提供的資料，選粉機頻率為1.6～3.0Hz。圖4為頂層（標高28m）角點（節點3716）縱向位移隨荷載頻率變化關系，最大值為7.53mm，2.0Hz處位移幅值為5.48mm。圖5為頂層（標高28m）角點（節點3716）橫向位移隨荷載頻率變化關系，最大值為8.92mm，2.0Hz處位移幅值為6.26mm。

由圖4和圖5發現荷載頻率大概1.9Hz時候，結構的位移達到最大值，與選粉機主要工作頻率2.0Hz接近，結構發生一定程度的扭轉共振。

4 結構加固方案和諧響應分析

由于原型結構在選粉機正常工作狀態下的晃動明顯，為了使結構滿足正常使用的要求，根據實際工藝情況對結構進行加固。具體加固方案為：（1）頂層兩側加支撐（圖6）；（2）上部各層加支撐（圖7）。支撐均選用32a槽鋼。

分別對加固后的結構進行諧響應分析。圖8為加固方案一頂層（標高28m）角點（節點3716）縱向位移隨荷載頻率變化關系，2.0Hz處位移幅值為4.13mm。圖9為頂層（標高28m）角點（節點3716）橫向位移隨荷載頻率變化關系，2.0Hz處位移幅值為5.67mm。

圖10為頂層（標高28m）角點（節點3716）縱向位移隨荷載頻率變化關系，2.0Hz處位移幅值為0.93mm。圖11為頂層（標高28m）角點（節點3716）橫向位移隨荷載頻率變化關系，2.0Hz處位移幅值為0.34mm。

對比分析頂層（標高28.000m）角點的位移（表1所示）可得到：加固方案一雖使結構最大振幅有所減小，但不明顯；加固方案二可使結構最大振幅明顯減小，縱向位移最大值由7.52mm變為1.52mm，主要工作頻率（2Hz）下由5.48mm變為0.93mm，橫向位移最大值由8.92mm變為1.75mm，主要工作頻率（2Hz）下由6.26mm變為0.34mm。另外，從圖10和11可以看出，結構按方案二加固后，避開了測選粉機正常主要工作頻率（2.0Hz）。

5 結語

（1）水泥粉磨車間的選粉機框架結構設計計算時，應對其進行諧響應分析，以避免在工作頻率范圍內產生共振和振幅過大。

（2）對已投入使用，但振動較大的水泥選粉機框架結構，可通過適當增加支撐，改變結構剛度，達到減振目的。

（3）對本文所述振動過大的水泥粉磨車間的選粉機框架結構，采用加固方案二進行加固，可明顯減弱其振動幅度。

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呂光