钢结构皮带机廊道共振问题浅析

周正为

摘 要：本文通过钢结构皮带机廊道工程实例，叙述钢结构廊道和皮带机设备产生共振的问题，分析产生该问题的原因，并提出相应的改进方案。

关键词：钢结构；皮带机廊道；共振

带式输送机以一条无端的输送带环绕驱动滚筒和改向滚筒，两滚筒之间的上下分支各以若干托辊支承，结构简单，振动频率很高。一方面，由于输送带的物理特性，其自身可能产生共振问题；另一方面，钢结构廊道是以固定支架作为不动点，沿输送带方向设置多个单片支架，组成的一种结构体系，安装方便，经济适用，在工程中应用广泛。钢结构通廊属于柔性结构体系，能充分利用钢材的材料特性，具有自身刚度偏小，固有振动频率偏高的特点。因此，正常使用状态下，带式输送机和钢结构廊道的振动频率可能存在交集，也会产生共振问题。

1 带式输送机自身产生共振问题

托辊管体材料的不均匀性及托辊在加工和装配过程中不可避免的误差，使得托辊偏心振动，转速越高，托辊的振动频率也越高。当其振动频率与输送带的自由振动频率相等时，将产生共振，导致输送带跑偏、托辊及机身损坏，甚至会造成工程事故，严重影响输送机的正常运行。随着带式输送机向高带速、长距离、大运量方向发展，共振发生的可能性越来越大，共振造成的危害也大大增加。

输送带是各向异性材料构成，其横向与纵向特性差异很大，在横向的振动过程中，主要是纵向材料在起作用，故可以將输送带的构成简化为单纯的弹性体，使得分析模型进一步简化。输送带沿机身被托辊组分成若干个小段，任取两托辊组间的一段，托辊组间距为l，边界条件是在两托辊组处的振幅为0，输送带第i阶的固有频率为：ρ——输送带的线密度； T——任意段内输送带张力

（1.1）

由上式可见，输送带在初始条件下可产生各种频率的振动，最低的振动为基频，因此，设计中需要令托辊的转动速度fR≤输送带的基频ω0即可满足要求。

为避免输送带共振，一方面可以增大托辊直径，减小带速，这样可以有效降低托辊转速；另一方面，可以通过适当增大输送机张力，减小输送带单位质量，减小托辊间距等方法增大输送带基频。然而，增大托辊直径和减小托辊间距会增加材料用量，减小带速和减小输送带质量会造成工程运输量的不饱和，每个项目都有其自身特征，设计时需要综合考虑经济性和运力的平衡，使方案达到最优。

2 带式输送机和钢结构廊道产生共振问题

和钢结构厂房不同，钢结构廊道的结构体系以轻柔为主，竖向荷载由纵向梁传至固定支架及单片支架，沿输送机方向的地震荷载由固定支架承担，垂直输送机方向的风荷载由该方向的单片支架承担。由于运输方面的限制，通常纵梁按简支设计，其固有频率为见下式。

（1.2）

简支梁的刚度很小，因此其固有自振频率也很小，和带式输送机的振动频率相同时，便产生共振现象。由于输送带的振型为弦形振型，人站在走道处可以明显感到周而复始的振动效果。由式1.2可知，若要增大钢结构的固有频率，可以增大梁高或增大梁宽。增大梁高可以有效提高刚度，但是受限于抗震规范高厚比构造要求，增大梁高的同时需要增加腹板厚或者增加加劲肋，结果梁的质量m也会增加，频率的增加并不明显。增大梁宽对刚度的贡献不大，还会造成较大的钢材浪费。因此，钢结构廊道的固有自振频率并不是产生共振问题的主要因素。

笔者认为，产生这种共振现象的主导因素分为两种：一种是输送带的振动频率，另一种是托辊钢支架的局部振动频率。横向托辊钢支架分为上下两根，一般采用型钢和竖向托辊支架连接。由于输送带的带宽不同，当带宽较大而横向托辊支架刚度很小时，会产生局部振动现象，刚度越小。振幅越大，这种局部振动有时会成为输送带的主要振动频率，在物料粘性高时尤其明显。

为了避免这种局部振动的情况发生，需要采取相应的构造措施。首先，对于带宽大于2.4m的输送带，横向托辊的跨度很大，可以加大横向托辊的刚度。其次，可以在横向托辊之间加设水平支撑，水平支撑可以使用圆钢，建议按拉杆设计，在满足设计要求的同时最大限度节省钢材。最后，可以考虑在支座处安装粘滞阻尼器作为消能减振装置，减少振动给行人带来的影响。这种方法是从舒适度方面着眼，在国内外许多项目中有所应用，但并不能解决共振给整个结构带来的危害。

3 处理共振问题的思考

第一，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）3.1.2条和6.1.1条，承重结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，正常使用极限状态包括影响正常使用的振动问题。直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5x104次时，应进行疲劳计算。当产生共振的构件振幅过大时，即使结构没有直接承受动力荷载，该构件也应该考虑疲劳问题。

第二，通过改变结构刚度和质量的方式改变固有振动频率的方式并不可行，浪费钢材，效果也不明显，从整体投资的角度来看不是好的解决方案。

第三，产生共振的原因多种多样，应该由工艺和结构专业共同协作解决问题。一方面，工艺在施工图提资阶段应该给出设备的振动频率，方便结构设计人员采取相应的措施；另一方面，结构人员应及时反馈信息，对设备中的个别构件进行微调，防止共振现象的产生。

当今工程样式多种多样，设备和钢结构共振问题是普遍存在的，也是经常被忽略的。对设计人员来说，保证工程质量安全是项目的根本出发点，忽略任何一个细节都可能造成不可挽回的损失。因此，本文提出的问题具有深入研究的价值，希望能对设计施工人员有所帮助。

参考文献

[1]本社.GB50011-2001建筑抗震设计规范[M].建筑工业出版社，2006.

[2]中国工程建设标准化协会组织.GB 50011-2001 建筑抗震设计规范[M].中国建筑工业出版社，2005.

（作者单位：大连港口设计研究院有限公司）