旋轉式機器基礎的現場模態試驗與健康診斷

劉建軍，管 軍，周景深，李 龍，賈瑞晨

(1.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省衡洲建設有限公司，湖南 衡陽 421001)

1 切石機基礎概況和振害

研究對象為湖南省某礦山石材廠內的液壓鎖緊柱式切石機，切石機的基礎是大塊式鋼混結構，臺車基礎、機座、機座承臺的長寬高依次為8 m×3.2 m×0.6 m、2 m×2 m×3.5 m、3.5 m×3.5 m×1.2 m，機座承臺、臺車的基礎埋深依次為2.0、0.8 m。切石機在切割石材過程中，基礎振動幅值超過國家規范0.02 mm，整個基礎體系異常振動[1-2]；當鋸片向下切割深度7 mm時，電流不穩，結構體系異常振動，不利正常石材生產。切石機的工作原理為導軌臺車上放置毛石大石塊，在主電機驅動下，半徑0.8 m的金剛石圓鋸片在導軌上來回加工毛石荒料，機器參數見表1和圖1[3-4]。

表1 液壓鎖緊柱式切石機DZQ-1600-D18技術參數

圖1 礦山切石機基礎立面及測點布置圖

2 礦山切石機基礎模態試驗

由于柱式切石機基礎是鋼混大塊式，可簡化為單自由度質量-彈簧-阻尼模型，可以僅測試切石機的豎向方向振幅與豎向固有頻率，因為在鋸片旋轉激振能量作用下，基礎振動的特性主要由豎向方向的振動所控制[5]。現場模態測試信號采集設2個對比測試點，信號傳感器設置如圖1，在臺車導軌和機座立柱頂端共布置4個測試點，現場模態測試進程如圖2所示[6]。

圖2 試驗系統流程圖

試驗測試的儀器設備見表2，另還需要筆記本電腦、電纜線、膠水、水準儀等工具。

表2 測試儀器表

3 測試結果與分析

前期多次對切石機機進行全面檢查維護，排除了由機器本身故障引發的振害事故；在現場模態試驗前，用氣泡水準儀對臺車、切石機機座基礎進行檢查，也沒有產生地基不均勻沉降現象。對振動信號和相關數據進行分析與處理，進行圖表繪制，測點的振動加速度圖，如圖3所示，測點的振動自功率譜圖，如圖4所示。

切石機基礎現場模態測試結果及分析如下。

1)從圖3的振動時域圖可看出，測點出現振動不協調現象，機器各部件出現“錯臺振動”，以上表明切石機-基礎體系的整體性較差，抵抗振動的動剛度不足。

2)從圖4知，切石機依次進行啟動、空轉、向下切割石材，當向下切割到7 mm時，鋸片與石材接觸面積在逐漸加大，與之形成的激振動荷載也在增大，致使結構體系的振幅、自功率譜值異常。表3為測點1和測點3振動信號最大自功率譜對應的頻率及動力響應情況。

3)采用Peak-Picking法識別大塊式鋼筋混凝土基礎的一階固有頻率是47.3 Hz，見圖4，與機械設備運轉工作頻率49.5 Hz基本接近，從而引發機器與基礎體系產生共振，結構動剛度下降到最小，基礎豎向振幅急劇變大而超過國家規范[7-9]。

圖3 切石機切割深度7 mm時測點加速度時程圖

圖4 切石機切割深度7 mm時測點自功率譜圖

表3 測點的最大自功率譜對應的頻率及動力響應

綜上所述，經過進一步調查分析，該公司為了擴大生產規模，把新購置不到一年的切石機安設在原來機器的舊基礎上，在新機器高轉速、大功率、大噸位的動荷載環境下，舊基礎的構件被振松、彼此連接變弱，結構的整體性和動剛度降低；從而改變了動力機器-基礎-地基體系的固有頻率，切石機運轉工作頻率與切石機基礎固有頻率接近而產生共振，使得體系振幅異常變大，振幅大于規范規定的0.02 mm，嚴重影響安全生產[10]。

4 結 論

1)前期對動力設備機器基礎設計時，應把基礎的固有頻率與機器工作頻率合理避開，一般兩者應相差0.75～1.5倍，避免共振。

2)后期應從加強基礎的承載力(加大截面面積、植筋、外包鋼板、加鋼支撐等)、加強各部件結構的連接(承臺與樁基、設備基座與基礎)、增加阻尼減振的方向去進行結構加固，提高基礎的動剛度。

3)在礦山切石機結構的健康監測與故障診斷中，在噪聲環境激振下，可通過輸出信號的自功率譜曲線來識別體系的固有頻率。

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