某廢鋼渣車間落錘沖擊振動(dòng)特性研究

王文江，李賢徽，趙俊娟，馬燕

（1.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；2.新疆維吾爾自治區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，烏魯木齊 830063）

引言

鋼鐵廠廢鋼渣車間通常采用吊運(yùn)落錘對大塊鋼渣進(jìn)行破碎，然后分選鋼渣中的大塊或含鐵量較高的鋼渣便于二次回爐煉鋼。付應(yīng)乾[1]等對鋼筋混凝土梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，探討了不同沖擊高度下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。宋敏[2]等在鋼筋三折線本構(gòu)模型中引入應(yīng)變率效應(yīng)，進(jìn)行了不同高度沖擊下鋼筋混凝土梁響應(yīng)及破壞的數(shù)值模擬研究。展婷變[3]等人進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)，分析了沖擊速率對最大承載力和梁變形的影響。姜芳[4]等人研究了鋼筋混凝土在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，表明鋼筋混凝土材料的應(yīng)力應(yīng)變總體呈滯回特性。以上研究主要是落錘沖擊對鋼筋混凝土的應(yīng)力應(yīng)變特性研究。本文通過四種高度落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，研究沖擊振動(dòng)在混凝土地基中的加速度時(shí)頻特性響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

落錘沖擊振動(dòng)實(shí)驗(yàn)在廣東省湛江市某公司的廢鋼渣處理車間進(jìn)行。如圖1所示，落錘區(qū)加保護(hù)層區(qū)域總長28m、寬24m，落錘最大高度是19.2m，落錘的重量為11.2t。振動(dòng)測試系統(tǒng)主要由加速度傳感器、INV3062C數(shù)據(jù)采集儀、Coinv DASP V11軟件、線纜等構(gòu)成。測點(diǎn)分別布置在落錘區(qū)中線對稱位置，測點(diǎn)1～5在同一水平線上，距離保護(hù)層外側(cè)面0.5m，相鄰兩測點(diǎn)的距離為6m。

本實(shí)驗(yàn)以落錘沖擊為研究對象，落錘敲擊的位置為圖中虛線所示區(qū)域，位于測點(diǎn)2、測點(diǎn)3的中垂線上，距左側(cè)保護(hù)區(qū)外側(cè)面11m，距下保護(hù)區(qū)外側(cè)面15m，測點(diǎn)2、測點(diǎn)3距落錘點(diǎn)15.8m，測點(diǎn)1、測點(diǎn)4距落錘點(diǎn)17.9m，測點(diǎn)5距落錘點(diǎn)21.6m。落錘做自由落體運(yùn)動(dòng)，通過改變落錘的下落高度（分別為19.2m、15.3m、13.4m），對混凝土地基進(jìn)行振動(dòng)測試，最終得出不同高度落錘下混凝土的加速度振動(dòng)特性。

圖1 測試現(xiàn)場及測點(diǎn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加速度時(shí)域信號圖

三種落錘高度（分別為19.2m、15.3m、13.4m）的振動(dòng)沖擊在不同測點(diǎn)位置所產(chǎn)生的加速度值均不相同，相應(yīng)的加速度時(shí)域信號見圖2～圖4。圖2中振動(dòng)沖擊的持續(xù)時(shí)間約0.298s，測點(diǎn)3的最大峰峰值為8.4m/s2，測點(diǎn)2的最大峰峰值為5.5m/s2，測點(diǎn)4的最大峰峰值為5.3m/s2，測點(diǎn)1的最大峰峰值為2.6m/s2，測點(diǎn)5的最大峰峰值為2.5m/s2，其中測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4振動(dòng)比較劇烈，測點(diǎn)1、測點(diǎn)5振動(dòng)相對平緩。

圖2 振動(dòng)沖擊時(shí)域圖（19.2m）

圖3中振動(dòng)沖擊的持續(xù)時(shí)間約為0.29s，測點(diǎn)2的最大峰峰值為3.9m/s2，測點(diǎn)3的最大峰峰值為3.3m/s2，測點(diǎn)4的最大峰峰值為2.9m/s2，測點(diǎn)1的最大峰峰值為2.3m/s2，測點(diǎn)5的最大峰峰值為1.1m/s2，其中測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4的振動(dòng)比較劇烈，測點(diǎn)1、測點(diǎn)5的振動(dòng)相對平緩。

圖3 振動(dòng)沖擊時(shí)域圖（15.3m）

圖4中振動(dòng)沖擊的持續(xù)時(shí)間約為0.294s，測點(diǎn)2的最大峰峰值為3.9m/s2，測點(diǎn)3的最大峰峰值為3.3m/s2，測點(diǎn)4的最大峰峰值為2.9m/s2，測點(diǎn)1的最大峰峰值為2.3m/s2，測點(diǎn)5的最大峰峰值為1.1m/s2，其中測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4振動(dòng)相對次之，測點(diǎn)1、測點(diǎn)5振動(dòng)相對平緩。

圖4 振動(dòng)沖擊時(shí)域圖（13.4m）

在時(shí)域圖中發(fā)現(xiàn)，落錘沖擊振動(dòng)衰減時(shí)間約為0.3s。測點(diǎn)距落錘點(diǎn)的距離16～20m內(nèi)振動(dòng)較劇烈（測點(diǎn)2～4），測點(diǎn)距落錘點(diǎn)的距離18～22m內(nèi)振動(dòng)相對較平緩（測點(diǎn)1、測點(diǎn)5），后者區(qū)域比前者區(qū)域能量衰減較快。

2.2 加速度頻域信號圖

對三種高度（19.2m、15.3m、13.4m）落錘的振動(dòng)沖擊時(shí)域信號圖進(jìn)行傅里葉變換，分別得到三種高度落錘的頻域信號圖，見圖5～圖7。

圖5中振動(dòng)沖擊的能量主要集中在2.4～120Hz內(nèi)，其中測點(diǎn)2在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.18m/s2、0.37m/s2，測點(diǎn)3在12.2Hz、29.3Hz分別達(dá)到局部最大值0.15m/s2、0.13m/s2，測點(diǎn)4在12.2Hz、31.7Hz、分別達(dá)到局部最大值0.11m/s2、0.19m/s2，測點(diǎn)5在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值 0.08m/s2、0.1m/s2，測點(diǎn)1在9.8Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.06m/s2、0.12m/s2。在全部測點(diǎn)中測點(diǎn)2在31.7Hz達(dá)到最大值0.37m/s2。

圖5 振動(dòng)沖擊頻域圖（19.2m）

圖6中測點(diǎn)振動(dòng)沖擊的能量主要集中在2.4～110Hz。其中測點(diǎn)2在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.31m/s2、0.25m/s2，測點(diǎn)3在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.26m/s2、0.16m/s2，測點(diǎn)4在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.20m/s2、0.16m/s2，測點(diǎn)5在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.11m/s2、0.10m/s2，測點(diǎn)1在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.11m/s2、0.13m/s2。在全部測點(diǎn)中測點(diǎn)2在12.2Hz時(shí)達(dá)到最大值0.31m/s2。

圖6 振動(dòng)沖擊頻域圖（15.3m）

圖7中測振動(dòng)沖擊的能量主要集中在2.4～110Hz。其中測點(diǎn)2在12.2Hz、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.18m/s2、0.26m/s2，測點(diǎn)3在12.2Hz、29.3Hz分別達(dá)到局部最大值0.15m/s2、0.07m/s2，測點(diǎn)4在12.2Hz、31.7Hz別達(dá)到局部最大值0.09m/s2、0.16m/s2，測點(diǎn)5在12.2Hz、31.7Hz時(shí)分分別達(dá)到局部最大值 0.04m/s2、0.09m/s2，測點(diǎn)1在9.8Hz時(shí)、31.7Hz分別達(dá)到局部最大值0.08m/s2、0.11m/s2。在全部測點(diǎn)中測點(diǎn)2在31.7Hz時(shí)達(dá)到最大值0.26m/s2。

圖7 振動(dòng)沖擊頻域圖（13.4m）

從頻域圖中可見，測點(diǎn)的振動(dòng)能量頻率主要集中在2.4～110Hz低頻區(qū)域，在多次試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率12.2Hz和31.7Hz重復(fù)出現(xiàn)，能很好地反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，可作為廠房振動(dòng)特性的特征頻率，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

3 結(jié)論

通過落錘沖擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：落錘沖擊振動(dòng)衰減時(shí)間約為0.3s，測點(diǎn)距落錘點(diǎn)18～22m時(shí)振動(dòng)能量比測點(diǎn)距落錘點(diǎn)的距離15～18m時(shí)衰減快。全部測點(diǎn)的振動(dòng)能量集中在低頻區(qū)，能量主要分布在與廠房結(jié)構(gòu)固有特性相關(guān)的頻率12.2Hz和31.7Hz處，可作為該廠房振動(dòng)特性的特征頻率并用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。