碎煤機房振動問題的有限元分析

戴文峰

(中國輕工業長沙工程有限公司，湖南 長沙 410012)

0 引 言

在工業建筑工程中,經常有動力機器設置在樓層上，使樓層產生不允許的振動問題，直接影響到正常的生產，也存在一定的安全隱患。為此，結構振動原因的分析及采取正確的消除方法就顯得至關重要了。

1 概 述

1.1 工程概況

某熱電聯產項目碎煤機房為三層現澆鋼筋混凝土框架結構，各層采用磚砌體圍護填充墻，平面尺寸11.000 m×8.000 m，底層層高為5.000 m，其他層高為4.000 m、4.000 m，總高度13.000 m。抗震設防烈度為70，框架抗震等級為三級，場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.35 kPa。工藝設計將環錘式破碎機安置于二樓樓面，該設備重123 kN，電機重17.55 kN，功率200 kW，轉速960 r/min，垂直擾力18.7 kN，原設計未考慮減振裝置。

1.2 振動情況

該碎煤機房自試運行以來，在破碎機啟動后，碎煤機房的二樓樓面大部及三樓樓面煤斗開孔附近局部振感強烈，甚至在煤斗下料時，窗戶玻璃發出“嘩嘩”聲響，振感有所加強。并且，在投入正常生產4個月內，曾多次發生破碎機地腳螺栓被振松、剪斷等現象。根據VM 9502型袖珍式數字存貯測振儀測得的結果，空載運行時在破碎機附近的振動最大峰值響應為203 μm，加速度峰值可達到1.5 m/s2，振動感覺達到Ⅴ等級標準，使人感覺強烈不舒適。考慮到結構的安全性，該項目要求對振動原因進行分析，并拿出一個解決該問題的處理方案。

1.3 振動原因分析

基于以上現象，安置于二樓樓面的環錘破碎機是引起碎煤機房結構振動的唯一振源。電機轉述960 r/min，機振頻率為16 Hz，該頻率是否在碎煤機房振動體系的共振頻率范圍內，從而引起整個結構體系的共振，是需要通過分析計算才能知曉的。從安裝設備的地腳螺栓被剪斷等現象判斷，可以肯定的是，環錘式破碎機動擾力是超限的。

由于受到各種條件限制，項目方基本排除采取減振裝置、電機變頻等方法來解決此振動問題，綜合考慮施工周期、難易程度等因素，初步提出加設柱支撐的加固方案。但是，加設幾根柱、具體在何位置加設才能最有效地解決振動問題？本文利用MIDAS有限元軟件對原結構體系進行了理論分析，并考慮到現場場地等因素確定了一個最經濟、便利的加固方案。

2 有限元模型分析

2.1 模型簡介

計算工具采用MIDAS有限元分析軟件，為簡化理論分析，模型研究對象為由破碎機所在的二樓樓面主梁、次梁、板及一層柱組成的結構體系。將破碎機運行動荷載簡化為一簡諧振動荷載F=5sin(32πt) kN。

2.2 模型分析

按照原構件尺寸建立有限元模型，在簡諧荷載作用下，其振動響應如圖1所示，自振模態分析部分結果見表1。

圖1 原模型振動響應

表1 原模型部分振型特征周期值

振動模態及時程分析結果表明，在簡諧荷載作用點附近，最大振動位移為96.46 μm，豎向振動主要參與振型中，第7、9振型自振頻率在機振頻率(16 Hz)共振范圍內。為避免第7、9振型的共振，結合現場實際場地情況，在破碎機電機振源作用的梁下加設鋼柱，同樣建立有限元模型，如圖2所示，分析得到的結果見表2。

圖2 加柱后模型振動響應

表2 加柱后模型部分振型特征周期值

從分析計算結果可以看出，在梁跨中加設一個鋼柱支撐后，豎向振動主要參與振型中，第4、7、9自振周期均避開了機振頻率(16 Hz)共振范圍，在簡諧荷載作用點附近，最大振動位移為25.52 μm，其值與原模型比較如圖3所示。由圖3可知，本方案加固處理可大大減小振動幅度。

圖3 模型振動響應比較

3 結 論

(1)振動問題歷來是個非常復雜且難以徹底解決的問題，在MIDAS有限元振動分析過程中，計算模型、計算依據(破碎機技術參數)等條件均做了相應簡化處理，其分析結果僅供定性判斷參考。

(2) 對低頻率的動力設備，其基礎不得不設置于樓面上時，應按照置于樓面上的動力設備基礎設計，采取相應隔振措施并驗算共振的可能性。