碎煤机房振动问题的有限元分析

戴文峰

(中国轻工业长沙工程有限公司，湖南 长沙 410012)

0 引 言

在工业建筑工程中,经常有动力机器设置在楼层上，使楼层产生不允许的振动问题，直接影响到正常的生产，也存在一定的安全隐患。为此，结构振动原因的分析及采取正确的消除方法就显得至关重要了。

1 概 述

1.1 工程概况

某热电联产项目碎煤机房为三层现浇钢筋混凝土框架结构，各层采用砖砌体围护填充墙，平面尺寸11.000 m×8.000 m，底层层高为5.000 m，其他层高为4.000 m、4.000 m，总高度13.000 m。抗震设防烈度为70，框架抗震等级为三级，场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.35 kPa。工艺设计将环锤式破碎机安置于二楼楼面，该设备重123 kN，电机重17.55 kN，功率200 kW，转速960 r/min，垂直扰力18.7 kN，原设计未考虑减振装置。

1.2 振动情况

该碎煤机房自试运行以来，在破碎机启动后，碎煤机房的二楼楼面大部及三楼楼面煤斗开孔附近局部振感强烈，甚至在煤斗下料时，窗户玻璃发出“哗哗”声响，振感有所加强。并且，在投入正常生产4个月内，曾多次发生破碎机地脚螺栓被振松、剪断等现象。根据VM 9502型袖珍式数字存贮测振仪测得的结果，空载运行时在破碎机附近的振动最大峰值响应为203 μm，加速度峰值可达到1.5 m/s2，振动感觉达到Ⅴ等级标准，使人感觉强烈不舒适。考虑到结构的安全性，该项目要求对振动原因进行分析，并拿出一个解决该问题的处理方案。

1.3 振动原因分析

基于以上现象，安置于二楼楼面的环锤破碎机是引起碎煤机房结构振动的唯一振源。电机转述960 r/min，机振频率为16 Hz，该频率是否在碎煤机房振动体系的共振频率范围内，从而引起整个结构体系的共振，是需要通过分析计算才能知晓的。从安装设备的地脚螺栓被剪断等现象判断，可以肯定的是，环锤式破碎机动扰力是超限的。

由于受到各种条件限制，项目方基本排除采取减振装置、电机变频等方法来解决此振动问题，综合考虑施工周期、难易程度等因素，初步提出加设柱支撑的加固方案。但是，加设几根柱、具体在何位置加设才能最有效地解决振动问题？本文利用MIDAS有限元软件对原结构体系进行了理论分析，并考虑到现场场地等因素确定了一个最经济、便利的加固方案。

2 有限元模型分析

2.1 模型简介

计算工具采用MIDAS有限元分析软件，为简化理论分析，模型研究对象为由破碎机所在的二楼楼面主梁、次梁、板及一层柱组成的结构体系。将破碎机运行动荷载简化为一简谐振动荷载F=5sin(32πt) kN。

2.2 模型分析

按照原构件尺寸建立有限元模型，在简谐荷载作用下，其振动响应如图1所示，自振模态分析部分结果见表1。

图1 原模型振动响应

表1 原模型部分振型特征周期值

振动模态及时程分析结果表明，在简谐荷载作用点附近，最大振动位移为96.46 μm，竖向振动主要参与振型中，第7、9振型自振频率在机振频率(16 Hz)共振范围内。为避免第7、9振型的共振，结合现场实际场地情况，在破碎机电机振源作用的梁下加设钢柱，同样建立有限元模型，如图2所示，分析得到的结果见表2。

图2 加柱后模型振动响应

表2 加柱后模型部分振型特征周期值

从分析计算结果可以看出，在梁跨中加设一个钢柱支撑后，竖向振动主要参与振型中，第4、7、9自振周期均避开了机振频率(16 Hz)共振范围，在简谐荷载作用点附近，最大振动位移为25.52 μm，其值与原模型比较如图3所示。由图3可知，本方案加固处理可大大减小振动幅度。

图3 模型振动响应比较

3 结 论

(1)振动问题历来是个非常复杂且难以彻底解决的问题，在MIDAS有限元振动分析过程中，计算模型、计算依据(破碎机技术参数)等条件均做了相应简化处理，其分析结果仅供定性判断参考。

(2) 对低频率的动力设备，其基础不得不设置于楼面上时，应按照置于楼面上的动力设备基础设计，采取相应隔振措施并验算共振的可能性。