機(jī)械振動(dòng)在冶金設(shè)備中的控制與利用

王得剛 李學(xué)金

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

·綜合應(yīng)用·

機(jī)械振動(dòng)在冶金設(shè)備中的控制與利用

王得剛①李學(xué)金

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

振動(dòng)可分為有害的振動(dòng)和有用的振動(dòng)兩大類。冶金行業(yè)很多設(shè)備都涉及到了機(jī)械振動(dòng)的問題，有的冶金設(shè)備需要控制有害的振動(dòng)，有的需要利用有用的振動(dòng)。對(duì)機(jī)械振動(dòng)的控制與利用進(jìn)行了詳細(xì)分析，說明了通過對(duì)振動(dòng)施行有效的控制及利用，能夠防止和減輕有害的振動(dòng)，充分利用有用的振動(dòng)，使各種機(jī)械設(shè)備更好地服務(wù)于冶金生產(chǎn)。

機(jī)械振動(dòng) 冶金設(shè)備 控制 利用

1 前言

在物質(zhì)世界到處存在著各種形式的振動(dòng)，比如人類自身的許多器官每時(shí)每刻都處在振動(dòng)之中，心臟的搏動(dòng)、耳膜和聲帶的振動(dòng)等，人類的生存和生活離不開這些有用的振動(dòng)。從生活環(huán)境和工作環(huán)境來說，振動(dòng)也是無處不在，如汽車、火車、飛機(jī)及各種機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，地震以及電、磁、聲、光的波動(dòng)等等[1]。

振動(dòng)可分為有害的振動(dòng)和有用的振動(dòng)兩大類。對(duì)于有害的振動(dòng)，如交通工具的振動(dòng)會(huì)使乘客感到不舒適；環(huán)境噪聲使人煩燥不安；共振及次諧波共振會(huì)引起機(jī)械設(shè)備、橋梁結(jié)構(gòu)及飛機(jī)的破壞；地震使人民生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失，對(duì)于這些有害振動(dòng)，科技工作者已付出了很大的努力，提出了一些有效措施來控制、限制以至完全消除這些有害振動(dòng)，但直到現(xiàn)在仍然有許多有害的振動(dòng)問題還沒有得到完全解決。

振動(dòng)也有有用的一面，它也存在著諸多的用途，合理地利用振動(dòng)能給人類造福，改善人民的生活。在土建工程中，廣泛采用的振動(dòng)沉樁、振動(dòng)拔樁以及混凝土灌注時(shí)的振動(dòng)搗固；在工程地質(zhì)方面，利用振動(dòng)進(jìn)行檢測和地質(zhì)勘探；在許多工礦企業(yè)，利用振動(dòng)設(shè)備可完成許多工藝過程，或提高某些機(jī)器的工作效率[2]。

冶金行業(yè)的很多設(shè)備都涉及到了機(jī)械振動(dòng)的問題，有的冶金設(shè)備需要控制有害的振動(dòng)，有的冶金設(shè)備需要充分利用有用的振動(dòng)，要做到控制有害的振動(dòng)、利用有用的振動(dòng)，從設(shè)備角度充分發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保的作用，使各種機(jī)械設(shè)備更好地服務(wù)于冶金生產(chǎn)。

2 控制有害的機(jī)械振動(dòng)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工程中的振動(dòng)問題在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中越來越成為一個(gè)日益突出的問題。振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐、日常生活以及科學(xué)研究中都具有非常重要的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義。對(duì)于工程設(shè)備來說，劇烈的振動(dòng)及噪聲會(huì)造成機(jī)械設(shè)備的疲勞破壞、環(huán)境的污染及對(duì)人身體健康的負(fù)面影響等。在現(xiàn)代制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、以及軍事、精密儀表、汽車工程、機(jī)器人等尖端技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)振動(dòng)控制的要求也越來越苛刻。所有這些都說明機(jī)械振動(dòng)控制在大量實(shí)際問題中已成為關(guān)鍵的技術(shù)[3]。

當(dāng)振動(dòng)量超出容許的范圍后，振動(dòng)將會(huì)影響設(shè)備的工作性能，使設(shè)備的零部件產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷，從而縮短使用壽命；強(qiáng)烈的振動(dòng)還會(huì)影響周圍的儀器儀表正常工作，嚴(yán)重影響其度量的精確度，甚至給生產(chǎn)造成重大損失；振動(dòng)往往還會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲，污染環(huán)境，損害人們的健康，這已成為最引入關(guān)注的公害之一。

朱淵岳等人對(duì)蓄能電站復(fù)雜管道系統(tǒng)的自激振動(dòng)通過理論分析進(jìn)行了深入研究，提出了解決措施[4]。袁立平等人針對(duì)某臺(tái)200MW汽輪機(jī)軸承振動(dòng)故障，進(jìn)行了現(xiàn)場測試與工況參數(shù)分析，有效的解決了汽輪機(jī)軸承振動(dòng)故障[5]。蔣向華等人針對(duì)某大型火電廠發(fā)生的煤斗振動(dòng)破壞故障，結(jié)合電廠事故記錄和現(xiàn)場勘察測量結(jié)果，利用有限元方法分析了事故原因，合理的提出了解決煤斗產(chǎn)生振動(dòng)問題的方案[6]。

通過分析某煉鐵廠熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題，提出了控制機(jī)械振動(dòng)的解決措施。

2.1 問題描述

該熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)使用D式離心通風(fēng)機(jī)，聯(lián)軸器傳動(dòng)，流量為148000Nm3/h，風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)數(shù)為1450r/min，軸承為滾動(dòng)軸承，稀油潤滑。技術(shù)要求上該風(fēng)機(jī)振動(dòng)值應(yīng)達(dá)到在軸承及軸承座部位的振動(dòng)速度均方根值≤6.3mm/s。

高爐投產(chǎn)半年后，助燃風(fēng)機(jī)鎖緊螺母出現(xiàn)松動(dòng)，風(fēng)機(jī)軸承出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象，x向2.0mm，y向1.8mm，振動(dòng)速度10.0mm/s，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題嚴(yán)重影響了高爐生產(chǎn)。

2.2 原因分析

常見的引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的原因主要有：軸承座基礎(chǔ)剛度不足、軸承本身質(zhì)量問題、軸承的安裝問題、聯(lián)軸器的安裝問題、動(dòng)靜部分之間的碰摩問題、風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡問題。

軸承座基礎(chǔ)剛度不夠會(huì)引起風(fēng)機(jī)的較大振動(dòng)：基礎(chǔ)灌漿不良、地腳螺栓松動(dòng)、墊片松動(dòng)、機(jī)座連接不牢固，都將引起劇烈的強(qiáng)迫共振現(xiàn)象。軸承座松動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)加大。

滾動(dòng)軸承由于質(zhì)量問題引起的表面損壞會(huì)加大風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。滾動(dòng)軸承由于制造質(zhì)量差、潤滑不良、異物進(jìn)入、與軸承箱的間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)等，會(huì)出現(xiàn)磨損、銹蝕、脫皮剝落、碎裂而造成損壞，滾珠相互撞擊而產(chǎn)生的高頻沖擊振動(dòng)將傳給軸承座，把加速度傳感器放在軸承座上，即可監(jiān)測到高頻沖擊振動(dòng)信號(hào)。

軸承裝配不良也會(huì)引起風(fēng)機(jī)的較大振動(dòng)。軸承內(nèi)圈與軸的配合、軸承外圈和軸承座的間隙不符合設(shè)計(jì)要求都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)的加劇。如果風(fēng)機(jī)軸的軸頸或軸肩臺(tái)加工不良，軸頸彎曲，會(huì)導(dǎo)致軸承安裝傾斜，軸承內(nèi)圈裝配后造成與軸心線不重合，使軸承每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次交變的軸向力作用，滾動(dòng)軸承的固定圓螺母松動(dòng)造成局部振動(dòng)，從而引起風(fēng)機(jī)的較大振動(dòng)。

如果初始安裝的軸承有問題或安裝質(zhì)量不好，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的振動(dòng)逐漸加大，越來越大的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致承載負(fù)荷變大，鎖緊螺母易出現(xiàn)松動(dòng)，從而加劇風(fēng)機(jī)振動(dòng)，形成惡性循環(huán)。

聯(lián)軸器的安裝問題同樣會(huì)引起風(fēng)機(jī)的較大振動(dòng)。聯(lián)軸器安裝不正，風(fēng)機(jī)和電機(jī)軸不同心，風(fēng)機(jī)與電機(jī)軸在找正時(shí)，未考慮運(yùn)行時(shí)軸向位移的補(bǔ)償量，聯(lián)軸器柱銷磨損松動(dòng)，這些都會(huì)引起風(fēng)機(jī)、電機(jī)振動(dòng)。

助燃風(fēng)機(jī)動(dòng)靜部分之間碰摩也會(huì)引起風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。如葉輪與機(jī)殼碰摩、主軸與密封裝置之間碰摩。

在現(xiàn)場發(fā)生的風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)中，屬于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的振動(dòng)占了多數(shù)。造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的原因主要有：葉輪磨損(主要是葉片)不均勻或腐蝕；葉片表面有不均勻積灰或附著物(如鐵銹)；機(jī)翼中空葉片或其他部位空腔粘灰；主軸局部高溫使軸彎曲；葉輪檢修后未找平衡；葉輪強(qiáng)度不足造成葉輪開裂或局部變形；葉輪上零件松動(dòng)或連接件不緊固。

2.3 解決措施

針對(duì)常見的引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的幾個(gè)原因，由于前期風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況良好，初步分析，因?yàn)檩S承座剛度不足導(dǎo)致振動(dòng)大的可能性比較小，這就需要考慮其他幾個(gè)可能引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的原因。

1)安裝前嚴(yán)格檢查軸承質(zhì)量。檢查軸承的配合，測量軸承游隙，保證軸承質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2)安裝前嚴(yán)格檢查主軸精度，保證滾動(dòng)軸承的安裝以及聯(lián)軸器的安裝符合設(shè)計(jì)要求。安裝過程中保證安裝精度，軸承安裝后檢查對(duì)中情況，檢測主軸是否同心。

3)消除可能因碰摩問題引起的風(fēng)機(jī)振動(dòng)。保證密封裝置的安裝精度，消除主軸與密封裝置之間可能產(chǎn)生的碰摩。安裝調(diào)試階段注意葉輪與機(jī)殼之間的間隙情況，從聲音、溫度、振動(dòng)值等情況判斷是否存在碰摩。

4)最重要的是做好現(xiàn)場動(dòng)平衡校正。

風(fēng)機(jī)廠家在風(fēng)機(jī)出廠前會(huì)做動(dòng)平衡測試，有的廠家在現(xiàn)場安裝風(fēng)機(jī)后并沒有做動(dòng)平衡測試，但是實(shí)際上很多種現(xiàn)場因素都會(huì)影響風(fēng)機(jī)的動(dòng)平衡結(jié)果，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)較大的振動(dòng)情況。

現(xiàn)場動(dòng)平衡技術(shù)是一種成熟、實(shí)用的維修技術(shù)，它可以簡便、快捷和經(jīng)濟(jì)地解決不平衡問題。現(xiàn)場動(dòng)平衡技術(shù)不但能夠避免繁瑣的拆裝工作，節(jié)省了拆裝和運(yùn)輸費(fèi)用，縮短了維修時(shí)間，而且保存了原有的安裝精度，提高了整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的平衡精度。

全部安裝完畢后做現(xiàn)場動(dòng)平衡校正，在不平衡旋轉(zhuǎn)部件的相應(yīng)位置增減配重塊單元，完成設(shè)備的動(dòng)平衡校正，可以有效解決風(fēng)機(jī)振動(dòng)問題。

由于工作性質(zhì)和環(huán)境因素，很多冶金設(shè)備都存在振動(dòng)與噪聲問題，針對(duì)特殊設(shè)備的具體情況，對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真分析，可以解決大多數(shù)冶金設(shè)備振動(dòng)與噪聲較大的問題，減小機(jī)械設(shè)備的疲勞破壞、環(huán)境的污染及對(duì)人身體健康的負(fù)面影響。

3 利用有用的機(jī)械振動(dòng)

振動(dòng)也是可以被利用的。在很多工藝過程中，振動(dòng)起著特有的良好作用。例如，利用振動(dòng)可以使物料在振動(dòng)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，輸送或篩分物料；利用振動(dòng)可以減少物料的內(nèi)摩擦及物料的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)行充填或?qū)⑽锪厦軐?shí)；利用振動(dòng)還可降低松散物料對(duì)貫入物體的阻力，從而提高作業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)率。此外，利用振動(dòng)還可以完成破磨、粉碎、沉拔樁等各種工藝過程。因此，隨著各種不同的工藝要求，就出現(xiàn)了各種類型的振動(dòng)機(jī)械，如振動(dòng)輸送機(jī)、振動(dòng)篩分機(jī)、振動(dòng)研磨機(jī)等等，已經(jīng)在不同的生產(chǎn)工藝過程中發(fā)揮了重要作用[7]。

圖1 自同步振動(dòng)篩

中科院院士聞邦椿教授長期從事振動(dòng)利用與振動(dòng)控制工程等方面的研究，在國際上首先提出“振動(dòng)利用工程”新概念，創(chuàng)建了“振動(dòng)利用工程”新學(xué)科。“振動(dòng)利用工程”是研究振動(dòng)與被利用的理論、技術(shù)及設(shè)備的一門新興的學(xué)科。它是機(jī)械振動(dòng)學(xué)三個(gè)主要分支(機(jī)械振動(dòng)的理論基礎(chǔ)、機(jī)械振動(dòng)的控制和機(jī)械振動(dòng)的利用)中與人類生活和生產(chǎn)聯(lián)系十分密切的一個(gè)分支，是一門面向工程實(shí)際的技術(shù)科學(xué)。

應(yīng)用振動(dòng)原理而工作的機(jī)器(振動(dòng)機(jī)械)得到了迅速發(fā)展。在振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域，常常需要兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)協(xié)同工作來完成既定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)械所要求的同步特性，達(dá)到生產(chǎn)所要求的工藝效果。振動(dòng)同步理論在工程中具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，自同步振動(dòng)機(jī)械在冶金行業(yè)應(yīng)用十分普遍，如雙激振器式振動(dòng)給料機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)、自同步振動(dòng)篩等，這類機(jī)械在物料供給、輸送、篩分等方面得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

煉鐵生產(chǎn)中廣泛使用的某型號(hào)自同步振動(dòng)篩如圖1所示，其動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 自同步振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)模型

反向回轉(zhuǎn)的兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心塊，偏心塊產(chǎn)生的激振力帶動(dòng)振動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)為水平方向x，垂直方向y和扭擺方向ψ(ψ?1)的振動(dòng)。選擇機(jī)體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)x,y,ψ和兩偏心轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)相位φ1,φ2為廣義坐標(biāo)，求出系統(tǒng)動(dòng)能、勢能及能量散逸函數(shù)，代入拉格朗日方程可以得到該振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下式所示[9]。

通過對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的分析，選擇合適的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)械所要求的同步特性，能夠達(dá)到生產(chǎn)所要求的工藝效果。深入研究振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)自同步特性，能夠簡化這類機(jī)械的結(jié)構(gòu)、提高其生產(chǎn)效率，顯著降低成本。

自同步振動(dòng)機(jī)械在冶金行業(yè)應(yīng)用十分普遍，自同步特性的應(yīng)用使很多大型振動(dòng)機(jī)械的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大為簡化，更廣泛的推廣自同步振動(dòng)機(jī)械的應(yīng)用，具有重要的理論研究意義和工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

研究振動(dòng)問題的目的是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際中提出的各種各樣的振動(dòng)向題，不斷地認(rèn)識(shí)和掌握各種情況下機(jī)械振動(dòng)的規(guī)律，通過對(duì)振動(dòng)理論的研究與應(yīng)用，能夠有效控制振動(dòng)的危害，發(fā)揮其有益的作用，能夠使很多大型的振動(dòng)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大為簡化，能夠在生產(chǎn)中取得重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在冶金行業(yè)，大量的設(shè)備與振動(dòng)問題息息相關(guān)，為了最大限度地抑制有害的振動(dòng)、充分有效地利用有用的振動(dòng)，需要弄清設(shè)備的振動(dòng)機(jī)理，揭示和了解振動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律及其外部影響因素。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取有效措施，對(duì)振動(dòng)施行有效的控制及利用，以便防止和減輕有害的振動(dòng)，或者充分利用有用的振動(dòng)，充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備在冶金生產(chǎn)中的節(jié)能環(huán)保作用。

[1]聞邦椿,劉鳳翹.振動(dòng)機(jī)械的理論與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[2]聞邦椿,李以農(nóng),張義民等.振動(dòng)利用工程[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]張義民.機(jī)械振動(dòng)力學(xué)[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[4]朱淵岳,樊紅剛,陳乃祥等.蓄能電站復(fù)雜管道系統(tǒng)自激振動(dòng)的防止和消除[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,Vol.46(8):1434-1437.

[5]袁立平,郭玉杰,田建旭.汽輪機(jī)半頻振動(dòng)測試分析與故障診斷[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2004,Vol.17(8):531-533.

[6]蔣向華,張輝.某大型火電廠煤斗振動(dòng)故障研究[J].振動(dòng)與沖擊,2009,Vol.28(1):186-190.

[7]聞邦椿,李以農(nóng),徐培民等.工程非線性振動(dòng)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[8]聞邦椿,趙春雨,蘇東海等.機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)同步與控制同步[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[9]王得剛，趙清華，趙春雨等.同向回轉(zhuǎn)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的自同步特性[J].振動(dòng)、測試與診斷，2010,Vol.30(3):217-222.

Control and Utilization of Mechanical Vibration in Metallurgical Equipment

Wang Degang Li Xuejin

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

Vibration can be classified by harmful vibration and useful vibration. A great deal of equipment in metallurgical industry is related to problems of mechanical vibration. Some equipment needs to control harmful vibration, and some needs to take full advantage of useful vibration. Control and utilization of mechanical vibration in metallurgical equipment are analyzed in detail in this paper. Through effective control and utilization to mechanical vibration, can avoid or lighten harmful vibration and make the best of useful vibration, and then the mechanical equipment can work well for metallurgical production.

Mechanical vibration Metallurgical equipment Control Utilization

王得剛，男，1975年出生，畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊掕F設(shè)備、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械設(shè)計(jì)方法及理論

TB535

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.013

2015-05-11)