皮带机设备运行对转运站振动影响及减振方案

邬俊文，陶军

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

皮带机作为散料输送的重要设备，具有输送连续、生产效率高、运行费用低和易于实现自动化控制等优点，广泛应用于港口、煤炭、冶金和矿山等领域。转运站是设置在2条皮带机之间的中转站，物料经皮带机传输，到达转运站内，通过一定的导料设备到下一层皮带机上，实现物料转运和连续输送。皮带机在运行过程中，具有如下特点：具有较大转动惯量，在电机启、制动时产生较大的皮带张力；胶带在运行中亦存在黏弹阻力；皮带机非精密仪器，在规定范围内允许跑偏运行；驱动电机、减速机等旋转驱动装置在运行过程中产生较大的离心扰力。皮带机张力、胶带跑偏运行和黏弹阻力、驱动装置的离心扰力均作为转运站结构的激振力，影响其动力特性，易导致转运站结构振动[1-2]。过大且持续的结构振动不仅降低了结构的安全和疲劳性能，而且对转运站内部工作人员舒适性和心理安全产生不利影响，还将影响转运站内部机械设备性能[3]。

某皮带机转运站建成投产至今，在驱动装置楼面层，结构存在明显振动，工作人员有明显不适感。如若放任转运站长期振动，将会造成转运站结构焊缝脱落，连接件螺栓等松动，导致严重的安全生产责任事故。为了解转运站结构振动特性，找出振动源，提出减振解决方案，特对该转运站进行了动力检测和建模分析研究。

1 工程概况

某转运站为国内某著名港口输送系统工程之一，采用钢框架、四柱基础结构形式，4个结构立柱截面尺寸均为600 mm×600 mm。转运站平面形式为矩形，投影尺寸长16 m、宽8 m，横纵向均为两道轴线（间距8 m×12 m）；结构共计2层，总高度13.5 m，首层不设维护结构，二层采用压型钢板维护并设有门窗洞口。考虑到火车轨道在皮带机栈桥下方并平行于皮带机穿行，皮带机驱动装置布置在转运站二层。皮带机栈桥位于转运站左侧，转运站二层驱动装置设备布置如图1所示，剖面如图2所示。

图1 转运站二层设备平面图Fig.1 Layer 2 deviceplan of the transfer station

皮带机驱动装置采用平行轴布置形式，驱动装置共2套，每套驱动装置由驱动电机、液力耦合器、减速机、制动器等组成。皮带机主要技术参数详见表1。

图2 转运站剖面图Fig.2 Profileof thetransfer station

表1 皮带机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of conveyor

2 结构振动测试

2.1 测点布置

为解决转运站振动问题，需确定转运站振源[4]，因此在转运站二层楼板梁、立柱和驱动单元支架上布置了多组测点，测定其速度、加速度和振动频率。各测点位置详见图3，其中A1~A4、B1~B4、G1~G4和F1~F4位于驱动装置支架上，C1~C4和D1~D4位于传动滚筒支架上，E1~E4和H1~H4位于楼板次梁上，K1~K4位于楼板面主梁上，J1~J4位于转运站结构立柱上。见图4。

图3 转运站测点布置图Fig.3 Measuring pointslayout in thetransfer station

图4 转运站现场测点缩影Fig.4 Miniature of the site measuring points in transfer station

2.2 测试结果

1）结构振动形式分析：通过对各点的测试结果观测，各测点振动波形相似。仅以主梁上K3、K4的振动数据（图5）为例，对转运站振动形式进行分析。X向振动速度幅值1.2 mm/s，Y向振动速度幅值2.5 mm/s，主梁Z向振动速度幅值10 mm/s。水平X和Y向振动速度幅值较竖直Z向振动速度幅值相差约一个数量级，可以判断转运站钢结构振动以竖直Z向振动为主。

图5 主梁K3、K4点振动速度幅值Fig.5 Vibration velocity amplitudeat main girder K3 and K4

2） 振动幅值评价：按照GB/T 6075.3—2001《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》[5]中规定的额定功率大于300 kW并且小于50 MW机组的振动烈度区域分类（表2），转运站结构X和Y向振动烈度1.2~2.5 mm/s，刚性支承，评定等级为B：机器振动处于该区域可以长期运行，满足使用要求；然而Z向振动烈度10 mm/s，超过评定等级中的B级，不满足规范要求。

表2 振动烈度区域分类Table 2 Territorial classification of vibration severity

3） 结构振动频率分析：实测次要振动X向频率375 Hz，Y向频率75 Hz；主要振动Z向频率为24.8 Hz。对转运站二层工艺设备频率进行计算，电机组频率为24.8 Hz，减速机低速轴和传动滚筒频率均为1.0 Hz，转运站主要振动竖直Z向频率同电机组频率相同。

综合对各检测点振动速度幅值、振动频率等实测数据分析，转运站结构振动以竖向振动为主，结构振动频率和驱动电机频率一致。

3 转运站建模分析

图7 P和Q点竖向振动幅值Fig.7 Vertical vibration amplitude at Pand Q

通过对转运站的现场观察，皮带机栈桥与转运站处设有伸缩间隙缝，由此断定转运站与皮带机栈桥相互独立，因此转运站建模无须考虑栈桥对转运站的水平支撑作用。本文采用Ansys Workbench软件对转运站进行三维建模和动力特性分析，在2个电机组处施加2个周期性圆周荷载用以模拟电机运转；传动滚筒支架下的梁系结构施加恒力和恒力矩，模拟皮带机对滚筒支架的张力作用。建立的三维模型如图6所示。

图6 结构计算模型Fig.6 Structural calculation model

1）典型监测点振动数据分析：以驱动装置下点P和主梁中点Q为典型监测点，对其振动速度幅值变化情况进行计算：P和Q点竖向振动都是以24.8 Hz为主的周期性振动，P点竖向振动速度幅值为0.004 m/s，Q点竖向振动速度幅值为0.008 m/s，振动速度幅值如图7所示。

2）现场振动测试与三维模型数值分析对比：选择三维模型中Q点与距离Q点位置最近的实测点K3对比，Q点（图7）与实测点K3（图5）振动波形相似。实测点K3竖直Z向振动速度幅值0.010 m/s，FFT频谱分析得到实测点K3振动主频为24.8 Hz；模型计算中Q点竖直Z向速度幅值0.008 m/s，振动主频24.8 Hz。对比现场实测数据与三维模型计算结果，两者数据接近，从而判断三维模型的建立真实反映了皮带机外部干扰对转运站振动影响的机理，可以采用此三维模型数值模拟方法对皮带机转运站进行振动机理分析与减震方案评估。

4 振动原因分析与减振方案

4.1 振动原因分析

通过查阅相关规范，并结合现有研究成果，转运站振动通常存在结构侧向水平和竖向振动[4]，图8给出了激振源、振动类型对结构的影响。

从本转运站检测和三维模型数值分析均表明本转运站结构以高频竖向振动为主，而且结构振动频率与驱动电机一致。根据振动理论：稳定受迫振动频率等于驱动力频率。因此可以断定，2个旋转电机是引起结构振动的振源，结构振动是以2个电机组周期性振动为策动力的强迫振动，引起转运站结构振动的原因是结构竖向刚度不够，导致其易受电机离心扰力影响而受迫振动。

图8 转运站激振源与振动类型的关系Fig.8 Relationship between vibration sourcesand typesof transfer station

4.2 减振方案

解决本转运站受迫振动的主要途径就是加强转运站竖向刚度，特别是驱动装置下的转运站楼面结构竖向刚度。由于转运站已施工完毕，解决方案需充分考虑现场实际情况，减振方案需便于施工，且减振效果要好。见图9。

图10 P和Q点加固后竖向振动幅值Fig.10 Vertical vibration amplitudeafter reinforcing at Pand Q

图9 减振方案示意图Fig.9 Sketch of vibration reduction method

制定的减振方案主要对振源处结构的竖向刚度加固：对原有驱动装置下的支撑次梁1和次梁2增加倒T梁结构，使原有梁HN600×200×11×17梁高增加至800 mm，同结构主梁高度一致。加固梁系结构后P点竖向振动速度幅值降低至0.000 3 m/s，是加固梁系结构前的8%；Q点竖向振动速度幅值降低至0.001 m/s，是加固梁系结构前的13%，见图10。从三维模型的计算数据分析，改造加固的减振方案对结构的减振效果非常明显，减振方案可行。

5 结论与展望

1）由于皮带机驱动装置动扰力和胶带黏滞阻力导致转运站振动特性复杂多变。而设计院在转运站设计时，通常将这些力换算成考虑动载系数后的静载荷施加在转运站结构上，忽略了动载荷对转运站振动的影响。为此，转运站设计时，除满足结构静强度和刚度要求外，还需对转运站进行动态模拟。

2） 若皮带机运行功率较大，需多驱动布置时，建议驱动装置尽可能布置在地面上，既便于控制驱动装置混凝土基础刚度减小结构振动，又利于对驱动装置的维护保养。

3）导致转运站振动的因素通常为驱动装置和皮带机传动滚筒。设计时，应适当加大皮带机驱动装置和皮带机传动滚筒支架下的梁系结构，增加结构竖向和水平刚度，从而增大转运站抵抗外部扰力的能力。

4）已建成的转运站，若转运站振动已明显影响了结构正常使用或对人体舒适性产生不利影响，需对结构进行加固，加固方案需考虑现场实际情况并具有针对性。