水泥粉磨车间框架结构动力特性及加固研究

项阳，熊利剑，刘明辉

水泥粉磨车间框架结构动力特性及加固研究

Dynamic Characteristics and Reinforcement of the Frame Structure of a Cement Grinding Plant

项阳1，熊利剑2，刘明辉3

针对水泥粉磨车间框架结构在选粉机正常工作状态下振动过大的现状，建立了该水泥粉磨框架结构的ANSYS有限元模型，对结构模型进行了动力谐响应分析，找出了振动过大的原因，设计了多个水泥粉磨框架结构的加固方案。对比分析原型结构和各加固结构谐响应分析结果，确定减小结构振动线位移的优选加固方案，为同类结构的设计和加固提供理论依据。

有限元分析；模态分析；谐响应分析；结构加固

1 前言

双分离式高效选粉机是水泥粉磨的核心设备。在正常工作状态下，选粉机转动频率高，振动较大，动力精确计算较为复杂，造成选粉机支撑结构的振动加大，影响正常生产，亦造成了一定的安全隐患。本文对某水泥厂的水泥粉磨选粉机振动过大的框架结构进行了动力谐响应分析，并且提出减少结构在设备正常工作状态下的动力位移的加固方案，供同行在同类结构的设计和加固中参考。

2 工程概况

该水泥厂的水泥粉磨车间进行技术改造，更换了新型的双分离式高效选粉机设备。设备安装运转后，在正常工作状态下振动较大。图1为水泥粉磨车间框架结构简图，图2为28m处楼层结构布置图（选粉机设备布置在该层）。该水泥磨车间总共6层，在第三层（标高12m）、第四层（标高17.5m）、第六层（标高28m）设置有楼板，其他楼层梁为空拉梁。下面三层有八根柱子支撑，上面三层由结构左侧4根柱子上伸支撑。左侧四根柱子在基础顶面至12m标高范围内为1m×1m，12m至28m标高范围内为0.9m×0.9m。右侧四根柱子在基础顶面至12m标高范围内为0.9m×0.9m。整个框架结构横向14m，纵向35.5m，左侧柱子在纵向柱距12.5m。双分离式高效选粉机由6支点支撑，垂直静载480kN，灰载400kN，每个质点取14.7t。根据《动力机器基础设计规范》，动力荷载幅值取每个支点重量的20%进行分析，即动力荷载幅值计算约为29.3kN。根据设备方提供的资料工艺设备表选粉机主轴转速100～185r/min，转动频率取值 1.6～3.0Hz。根据相关检测选粉机正常主要工作频率约为2.0Hz。

图1 选粉机框架结构

图2 28m梁平面布置

图3 选粉机框架结构的有限元模型

图4 顶层角点的纵向位移-频率曲线

图5 顶层角点的横向位移-频率曲线

图6 方案一 顶层两侧加支撑

图7 方案二 上部三向加支撑

图8顶层角点的纵向位移-频率曲线

图9 顶层角点的纵向位移-频率曲线

图10顶层角点的纵向位移-频率曲线

图11顶层角点的纵向位移-频率曲线

表1 分析对比表，mm

3 水泥粉磨框架结构有限元模型和谐响应分析

本文运用大型有限元软件AN⁃SYS建立实际结构模型，采用BEAM4单元模拟结构的梁和柱，SHELL63模拟结构的楼板，MASS21模拟结构上面的设备质量。图3为选粉机框架结构的有限元模型。楼面荷载取楼面自重，楼面上其他设备（不包括选粉机）根据相关的资料均按质点考虑。

根据图3所示的选粉机框架结构有限元模型，本文对其进行了谐响应分析，计算选粉机正常工作频率范围内结构的最大动力响应，得到结构各点位移幅值和频率的关系。根据设备工艺方提供的资料，选粉机频率为1.6～3.0Hz。图4为顶层（标高28m）角点（节点3716）纵向位移随荷载频率变化关系，最大值为7.53mm，2.0Hz处位移幅值为5.48mm。图5为顶层（标高28m）角点（节点3716）横向位移随荷载频率变化关系，最大值为8.92mm，2.0Hz处位移幅值为6.26mm。

由图4和图5发现荷载频率大概1.9Hz时候，结构的位移达到最大值，与选粉机主要工作频率2.0Hz接近，结构发生一定程度的扭转共振。

4 结构加固方案和谐响应分析

由于原型结构在选粉机正常工作状态下的晃动明显，为了使结构满足正常使用的要求，根据实际工艺情况对结构进行加固。具体加固方案为：（1）顶层两侧加支撑（图6）；（2）上部各层加支撑（图7）。支撑均选用32a槽钢。

分别对加固后的结构进行谐响应分析。图8为加固方案一顶层（标高28m）角点（节点3716）纵向位移随荷载频率变化关系，2.0Hz处位移幅值为4.13mm。图9为顶层（标高28m）角点（节点3716）横向位移随荷载频率变化关系，2.0Hz处位移幅值为5.67mm。

图10为顶层（标高28m）角点（节点3716）纵向位移随荷载频率变化关系，2.0Hz处位移幅值为0.93mm。图11为顶层（标高28m）角点（节点3716）横向位移随荷载频率变化关系，2.0Hz处位移幅值为0.34mm。

对比分析顶层（标高28.000m）角点的位移（表1所示）可得到：加固方案一虽使结构最大振幅有所减小，但不明显；加固方案二可使结构最大振幅明显减小，纵向位移最大值由7.52mm变为1.52mm，主要工作频率（2Hz）下由5.48mm变为0.93mm，横向位移最大值由8.92mm变为1.75mm，主要工作频率（2Hz）下由6.26mm变为0.34mm。另外，从图10和11可以看出，结构按方案二加固后，避开了测选粉机正常主要工作频率（2.0Hz）。

5 结语

（1）水泥粉磨车间的选粉机框架结构设计计算时，应对其进行谐响应分析，以避免在工作频率范围内产生共振和振幅过大。

（2）对已投入使用，但振动较大的水泥选粉机框架结构，可通过适当增加支撑，改变结构刚度，达到减振目的。

（3）对本文所述振动过大的水泥粉磨车间的选粉机框架结构，采用加固方案二进行加固，可明显减弱其振动幅度。

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TQ172.639

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吕光