堆料懸臂的振動分析

摘 要:本文介紹了堆料機在調試過程中對出現的振動現象的處理及相關理論依據。

關鍵詞:堆料機 懸臂 振動

中圖分類號:TQ172文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(a)-0050-02

1 概述

在設備調試過程中經常會發現懸臂以及支撐平臺處于比較明顯的振動狀態。振動狀態的出現說明機上有若干振動源的存在。作者在霍林河堆取料機現場調試過程中根據相關理論對堆料機懸臂出現的振動現象作了一定的處理。

2 堆料機懸臂的結構形式

霍林河堆取料機是一種頂堆側取式堆取料機，其中堆料機部分僅回轉不俯仰，堆料機部分形成一體結構。堆料機部分主要由兩層回轉平臺、堆料懸臂、配重箱、膠帶機、回轉驅動等幾部分組成，通過一套與中心柱固定的回轉支承繞中心柱回轉，上部通過一套回轉支承支撐來料棧橋。兩回轉平臺左側布置配重箱，右側布置懸臂架。臂架采用桁架結構，應用各種圓鋼管、方鋼管、矩形管、H型鋼等制作梁體本身。懸臂如果將上下轉臺為一個整體的剛性體，懸臂端通過拉桿與上部轉臺鉸接，懸臂根部與下部轉臺鉸接，形成一個三點靜定結構。尾部配重箱與臂架相同，與轉臺形成一個靜定結構。膠帶機布置在回轉平臺及堆料懸臂上，尾部驅動采用螺旋張緊，頭尾滾筒與懸臂及平臺固定。為有效降低懸臂重量，驅動和張緊均布置在膠帶機尾部。頭部卸料滾筒與懸臂固定，不移動。尾部驅動滾筒和增面滾筒通過一個支架連接到一起，驅動裝置也直接固定在該支架上。螺旋拉緊機構則一端與平臺固定，另一端與該支架固定。張緊機構本身行程較小，為達到較長的張緊行程，在平臺上開有一排距離相同的孔，張緊到一定行程后，可以將張緊底座向前移動一個距離繼續張緊。堆料機整體結構如圖1所示，張緊機構如圖2所示。

3 懸臂振動現象的分析及處理方式

在霍林河堆取料機項目調試過程中發現懸臂以及支撐平臺處于比較明顯的振動狀態。振動狀態的出現說明機上有若干振動源的存在。

經現場分析，設備振動主要有以下幾個原因:(1)設備重心點變化;(2)驅動滾筒產生的振源;(3)膠帶在運動過程中的起伏產生的振源;(4)托輥等產生的振源。

3.1 設備重心點變化

設備重心點在運行過程中相對于回轉中心線發生變化，本身不產生振動，但在設備運行時會誘發產生振動。

在設備先期設計時設定懸臂空載和滿載兩種狀態下分別處于回轉中心的兩側，即在設備未帶料的狀態下，重心位于配重側，而帶料后設備重心位移到懸臂側。由于兩者相對回轉中心平衡，使得設備自身重量對基礎原點產生一種交變載荷，這樣由于支撐點載荷的變化導致本身為彈性體的鋼鐵支撐的局部應力和變形發生不斷的變化。而如果設備重心始終位于懸臂一側或配重一側的情況下，在任意一側的載荷都可以看作是一種始終是壓應力的變化即應力曲線始終位于中性軸的一側。

假定堆料機整體為剛性回轉體，并假定設備繞軸心以等角速度ω旋轉。對于原點O，根據理論力學，可計算堆料機上各質點的離心慣性力向O點簡化的結果并得到慣性力系得主矢R0和主矩M0。主矢R0的大小與原點O位置的選擇無關，而主矩M0的大小與原點O位置的選擇有關。剛性回轉體在旋轉時，主矢R0和主矩M0的方向隨同產生旋轉變化，因此而產生對原點的動壓力，在基座為彈性基座時回轉體系在不平衡慣性力和慣性力矩的作用下產生振動。該堆料機的基座為薄壁圓筒結構，并具有較大的高度，應設定為彈性基座。

這種實際體現在堆料機整體的旋轉運動，即堆料臂、配重箱等相對于軸線做整體變幅運動。基于這種理論，為降低振幅，應通過在設備上增加配重，使設備重心始終位于配重一側，當懸臂空載狀態下，重心偏離回轉中心最遠，在重載狀態下，設備重心仍位于配重一側，只是距離相對較近。振動現象在增加配重后得到改觀。

在霍林河第三臺堆取料機設計時通過有限元對設備進行整體分析時發現了另外一種現象:配重數量較少，重心偏于懸臂一側時，個別位于配重側的桿件應力過大，特別是重心在回轉中心線兩側擺動時應力變化值比較明顯，而當重心偏于配重一側時，應力趨于穩定并有明顯下降趨勢。這也從另外一個側面證實了現場處理的正確性。

3.2 驅動滾筒處結構

在霍林河項目中傳動滾筒同時是張緊滾筒，滾筒及支架沒有完全與平臺基礎固定。由于滾筒轉動質心不可能與滾筒回轉中心重合，在運行過程中屬于一種偏心輪運行。

根據彈簧的原理，可以假設張緊支架與基礎分別為兩個k值不相等的彈簧，張緊支架為k1，基礎平臺為k2。在支架與基礎平臺固接前，兩個彈簧為串聯形式，其合成剛度k有下式存在:，則，由于平臺剛性k1遠大于支架剛性k2，則合并后的k相對于k2還要小，此時相同彈性激振力作用下，振幅很大，基礎和支架會出現明顯的震動和彈性變形。在支架與基礎固接后，兩個彈簧的連接形式發生改變，形成了兩個彈簧的并聯結構，此時剛度，而由于k1遠大于k2，滾筒振動的變形量以k1為主，在相同的激振力作用下，振幅卻變得很小。

現場的實際處理方式是在支架和基礎平臺上加工了幾個孔，當達到一定張緊行程后用螺栓將支架與基礎平臺固定成一體，處理之后的振幅明顯減弱。

3.3 膠帶運行及張緊

膠帶在懸臂上運行，在宏觀上可以認為膠帶始終處于一種運行狀態，在微分狀態下，可以描述成膠帶屬于波浪起伏運行狀態，在兩個托輥間時由于自重的存在，在脫離承載托輥后，膠帶向斜下方運行，達到一定程度后在接近前方的托輥前開始向斜上方運行。當位于托輥上方時膠帶位于最高點。

根據習慣布置，托輥間距基本上是相等的(緩沖部位和頭尾部除外)，這樣每一個微小的膠帶產生的振動頻率也是相等的，特別是在托輥徑跳不一致的狀態下，膠帶引起的振動很難相互抵消。

在強迫諧振理論中可以把由托輥支撐的膠帶看成板的模型，每一段膠帶的作用相當于單質量——彈簧的強迫等效模式。由托輥頻率Ω形成激振，而等效模型質量和振幅控制著以ω頻率工作的單自由度振蕩器。

另一方面膠帶本身存在制造誤差，而其張力在寬度范圍內是均勻分布的。這種現象在一定程度上體現在膠帶邊緣的松弛或張緊、跑偏或一側產生跳動等。

現場處理膠帶主要是調整滾筒、托輥與軸線的垂直度并張緊膠帶，現場處理后，振動情況有一定程度的減弱。

3.4 托輥

在膠帶機運行中噪聲主要由托輥產生。托輥和滾筒一樣，在實際上也是為偏心輪。如果個別托輥徑跳較大，嚴重影響膠帶機運行，這作為懸臂振動的一個重要振動源。

托輥是很多個微小的振動源在同一振動頻率下激勵懸臂發生振動現象。但是托輥本身出廠時作過靜平衡，加上實際安裝的因素，托輥初始的相位不相同，這也說明托輥的振動在一定程度上互相抵消而沒有形成共振。根據現場實際觀測，懸臂的振動周期與托輥的運轉頻率存在著明顯的關系。

3.5 驅動裝置

膠帶機驅動裝置在堆料機懸臂上是一個重要振動源。其產生振動的機理主要是基座剛性不足。

該機驅動采用單點浮動支撐結構:減速器低速軸為中空軸形式，滾筒軸伸較長，安裝時，滾筒軸伸深入減速器空心軸內部，減速器與驅動系的相當部分重量由傳動滾筒承受。滾筒與中空軸減速器大多通過脹緊套固定，也有長鍵、花鍵等形式，主要取消了聯軸節。位于電機方向采用另一點(即所說的單點)通過吊掛、鉸支等形式與基礎固定。這種結構具有結構簡單、維修方便等特點。

單點浮動支撐底部只保留一點，上面電機、減速器等部件可以簡化成外力，基座可以簡化成簡支梁的形式。而常規基座可以近似看作是一個剛性平臺。簡支梁剛性的大小決定了驅動部的振動情況。

單點浮動支撐結構如果底部支撐點選取完全準確時，滾筒軸理論上不承受剪力，但由于設備布置和制造因素，剪力的產生不可避免。

3.6 物料

物料在任意時刻在膠帶機上的截面是不相等的，我們習慣于通過計算平均物料截面和最大截面用于計算膠帶機的輸送能力。在宏觀上可以認為物料運輸的平均性，但在微觀上必須承認物料運輸的不均勻性。如果完全基于這種原理考慮，膠帶帶料后，懸臂振動應加大，但實際上，懸臂振動幅度反而在一定程度上降低。這說明物料實際上是吸收了各振動源發出的部分能量。

由于物料是始終沿懸臂向前運動直到越過卸料滾筒后落到料倉內，所以可以認為物料是一種隨機分布的壓力波以設定的帶速v沿梁的長度方向移動，也就是物料振動的“時滯”現象。也就是說物料產生的隨機載荷是同一振動源，只是時間產生的先后順序。

3.7 頭部卸料滾筒

懸臂頭部的卸料滾筒與懸臂實際上是通過一系列螺栓、焊接形式與懸臂剛性固接在一體。在考慮回轉中心位置振動現象時我們需要將懸臂設定為一個可以簡化成均質細長桿的彈性體，并將卸料滾筒簡化成一個在細長桿端部有一定運動周期的鐘擺結構。

3.8 懸臂梁自身的動力特性

根據振動學原理，可以首先對堆料機懸臂作如下簡化:懸臂作為一個簡支外伸梁，而拉桿可以簡化為一個彈簧，而懸臂則可以將其看作是簡支梁的彈性模型，并簡化成一個質量塊在一個鉸支點和一個彈簧間支持的剛性梁構成的系統。

4 結語

堆料機懸臂振動產生的實際因素很多，現場處理時只是對其中幾個主要的振動源進行了處理，如現場通過增加配重調整了設備重心;改變驅動滾筒支架形式;對膠帶進行張緊三方面，而對滾筒、托輥產生的振動沒有處理，振動現象得到很大的減輕。這些說明理論依據的重要性，不能盲目的處理問題。

參考文獻

[1]易良榘.簡易振動診斷現場實用技術.機械工業出版社，2003.4.

[2]童忠鈁，俞可龍.機械振動學(隨機振動).浙江大學出版社，1992，9.

[3]機械工程手冊(第二版).