某废钢渣车间落锤冲击振动特性研究

王文江，李贤徽，赵俊娟，马燕

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.新疆维吾尔自治区生态环境保护产业协会，乌鲁木齐 830063）

引言

钢铁厂废钢渣车间通常采用吊运落锤对大块钢渣进行破碎，然后分选钢渣中的大块或含铁量较高的钢渣便于二次回炉炼钢。付应乾[1]等对钢筋混凝土梁进行三点弯曲试验，探讨了不同冲击高度下钢筋混凝土结构的破坏机理。宋敏[2]等在钢筋三折线本构模型中引入应变率效应，进行了不同高度冲击下钢筋混凝土梁响应及破坏的数值模拟研究。展婷变[3]等人进行了落锤冲击试验，分析了冲击速率对最大承载力和梁变形的影响。姜芳[4]等人研究了钢筋混凝土在冲击载荷下的动态力学性能，表明钢筋混凝土材料的应力应变总体呈滞回特性。以上研究主要是落锤冲击对钢筋混凝土的应力应变特性研究。本文通过四种高度落锤冲击实验，研究冲击振动在混凝土地基中的加速度时频特性响应。

1 实验设备及方案

落锤冲击振动实验在广东省湛江市某公司的废钢渣处理车间进行。如图1所示，落锤区加保护层区域总长28m、宽24m，落锤最大高度是19.2m，落锤的重量为11.2t。振动测试系统主要由加速度传感器、INV3062C数据采集仪、Coinv DASP V11软件、线缆等构成。测点分别布置在落锤区中线对称位置，测点1～5在同一水平线上，距离保护层外侧面0.5m，相邻两测点的距离为6m。

本实验以落锤冲击为研究对象，落锤敲击的位置为图中虚线所示区域，位于测点2、测点3的中垂线上，距左侧保护区外侧面11m，距下保护区外侧面15m，测点2、测点3距落锤点15.8m，测点1、测点4距落锤点17.9m，测点5距落锤点21.6m。落锤做自由落体运动，通过改变落锤的下落高度（分别为19.2m、15.3m、13.4m），对混凝土地基进行振动测试，最终得出不同高度落锤下混凝土的加速度振动特性。

图1 测试现场及测点布置图

2 实验结果及分析

2.1 加速度时域信号图

三种落锤高度（分别为19.2m、15.3m、13.4m）的振动冲击在不同测点位置所产生的加速度值均不相同，相应的加速度时域信号见图2～图4。图2中振动冲击的持续时间约0.298s，测点3的最大峰峰值为8.4m/s2，测点2的最大峰峰值为5.5m/s2，测点4的最大峰峰值为5.3m/s2，测点1的最大峰峰值为2.6m/s2，测点5的最大峰峰值为2.5m/s2，其中测点2、测点3、测点4振动比较剧烈，测点1、测点5振动相对平缓。

图2 振动冲击时域图（19.2m）

图3中振动冲击的持续时间约为0.29s，测点2的最大峰峰值为3.9m/s2，测点3的最大峰峰值为3.3m/s2，测点4的最大峰峰值为2.9m/s2，测点1的最大峰峰值为2.3m/s2，测点5的最大峰峰值为1.1m/s2，其中测点2、测点3、测点4的振动比较剧烈，测点1、测点5的振动相对平缓。

图3 振动冲击时域图（15.3m）

图4中振动冲击的持续时间约为0.294s，测点2的最大峰峰值为3.9m/s2，测点3的最大峰峰值为3.3m/s2，测点4的最大峰峰值为2.9m/s2，测点1的最大峰峰值为2.3m/s2，测点5的最大峰峰值为1.1m/s2，其中测点2、测点3、测点4振动相对次之，测点1、测点5振动相对平缓。

图4 振动冲击时域图（13.4m）

在时域图中发现，落锤冲击振动衰减时间约为0.3s。测点距落锤点的距离16～20m内振动较剧烈（测点2～4），测点距落锤点的距离18～22m内振动相对较平缓（测点1、测点5），后者区域比前者区域能量衰减较快。

2.2 加速度频域信号图

对三种高度（19.2m、15.3m、13.4m）落锤的振动冲击时域信号图进行傅里叶变换，分别得到三种高度落锤的频域信号图，见图5～图7。

图5中振动冲击的能量主要集中在2.4～120Hz内，其中测点2在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.18m/s2、0.37m/s2，测点3在12.2Hz、29.3Hz分别达到局部最大值0.15m/s2、0.13m/s2，测点4在12.2Hz、31.7Hz、分别达到局部最大值0.11m/s2、0.19m/s2，测点5在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值 0.08m/s2、0.1m/s2，测点1在9.8Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.06m/s2、0.12m/s2。在全部测点中测点2在31.7Hz达到最大值0.37m/s2。

图5 振动冲击频域图（19.2m）

图6中测点振动冲击的能量主要集中在2.4～110Hz。其中测点2在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.31m/s2、0.25m/s2，测点3在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.26m/s2、0.16m/s2，测点4在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.20m/s2、0.16m/s2，测点5在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.11m/s2、0.10m/s2，测点1在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.11m/s2、0.13m/s2。在全部测点中测点2在12.2Hz时达到最大值0.31m/s2。

图6 振动冲击频域图（15.3m）

图7中测振动冲击的能量主要集中在2.4～110Hz。其中测点2在12.2Hz、31.7Hz分别达到局部最大值0.18m/s2、0.26m/s2，测点3在12.2Hz、29.3Hz分别达到局部最大值0.15m/s2、0.07m/s2，测点4在12.2Hz、31.7Hz别达到局部最大值0.09m/s2、0.16m/s2，测点5在12.2Hz、31.7Hz时分分别达到局部最大值 0.04m/s2、0.09m/s2，测点1在9.8Hz时、31.7Hz分别达到局部最大值0.08m/s2、0.11m/s2。在全部测点中测点2在31.7Hz时达到最大值0.26m/s2。

图7 振动冲击频域图（13.4m）

从频域图中可见，测点的振动能量频率主要集中在2.4～110Hz低频区域，在多次试验中，结构振动频率12.2Hz和31.7Hz重复出现，能很好地反映结构的振动特性，可作为厂房振动特性的特征频率，用于结构健康监测。

3 结论

通过落锤冲击实验发现：落锤冲击振动衰减时间约为0.3s，测点距落锤点18～22m时振动能量比测点距落锤点的距离15～18m时衰减快。全部测点的振动能量集中在低频区，能量主要分布在与厂房结构固有特性相关的频率12.2Hz和31.7Hz处，可作为该厂房振动特性的特征频率并用于结构健康监测。