筛分设施工程振动控制措施研究

王 强 闫 俊 罗福盛

(1.中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200490； 2.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013)

0 引言

随着我国经济的快速发展，钢铁冶金领域的大规模建设，工程振动问题愈来愈引起工程人员的关注。在大型钢铁企业原料系统中，筛分设施承担着全厂原(燃)料加工功能，主要有破碎机、振动筛等大型工艺设备，若工程振动控制措施不当，设备振动会引起局部楼板振动或整体房屋有明显变形，影响设备的正常运转，对此种环境中长期工作的人员身心健康造成影响。近年来我国各行业工程技术人员对多层厂振动控制进行了楼盖振动、多层厂房整体振动分析理论、动力设备扰力、动力设备仪表振动容许值等方面做了大量研究，对工程振动荷载、楼板微振动设计方面取得了不少成果，形成了《多层厂房楼盖抗微振设计规范》《建筑工程振动容许标准》《工业建筑振动荷载规范》等标准。对于设置有振动筛等振动荷载较大的工程结构振动控制设计标准涉及较少，本文通过对工程振动控制标准的研究，结合近年来在钢铁企业原料系统建设中工程实践，给出了此类工程结构振动控制技术措施。

1 筛分设施振动控制的标准

对筛分设施工程振动的控制标准主要从其对环境产生的影响来着手，如：建(构)筑物的安全、设备正常运行和人员职业健康三方面。

1.1 建(构)筑物的安全性

经调查大型振动筛引起的建(构)筑物振动在原料系统建设中较为突出，目前原料系统的大型振动筛振动频率在11.8 Hz～15 Hz，振幅在4 mm～6 mm，散料处理能力在180 t/h～1 900 t/h[1-3]。建(构)筑物受迫振动影响大小主要与振源的幅频特性、振源至建筑物的距离和振动传播介质的特性、建(构)筑物的结构特性等多种因素有关。大量的研究表明，在一定的振动频率下，建(构)筑物的损伤与结构的质点峰值速度有密切的关系，主要以控制振动速度和线位移为主。文献[4]提到国际标准化组织ISO对于建筑物结构的振动速度为10 mm/s有可能主体结构受到损坏。日本烟中元弘[4]归纳的建筑物振动允许限值:设备和设备基础振动位移小于0.406 mm，轻微损坏振动速度10 mm/s，安全振动的加速度1 m/s2。文献[5]中交通振动对建筑结构影响容许值[5]：顶层楼面处容许振动速度峰值在时域1 Hz～100 Hz时为10 mm/s。

1.2 设备运行对振动控制的要求

设备运行过程中，如果振动过大会导致设备无法正常工作，降低设备的使用寿命。随着我国科技人员对工业厂房振动控制技术的研究，结合工程实践对工程振动控制设计理论不断深入。文献[5][6]中给出不同类型振动筛对基础的水平及竖向容许振动速度限值：在其时域范围内的水平及竖向容许振动速度峰值取10 mm/s。文献[6]给出不同设备对应不同容许竖向振幅，对于支撑振动筛的结构允许振幅在108.5 μm～136.7 μm；同时指出计算结构振幅和动内力时，应使机器的频率从其基频的70%～130%范围内变动，以寻求最大振幅和内力[6]。

1.3 人员职业健康对振动控制的要求

振动影响人们的工作和生活，长期工作和生活在严重振动环境的人易患振动职业病。振动对人体影响的主要因素：振动频率、振动强度、振动方向、暴露时间等。人体能感知的振动频率范围一般为1 Hz～1 000 Hz，由于人体各种器官的共振频率多在1 Hz～80 Hz，故人体对于此频段特别敏感，文献[7]研究表明：人体对竖向振动的敏感频段是4 Hz～8 Hz，水平振动的敏感频段是1 Hz～2 Hz[7]。国内外对于人在振动环境中的舒适度做了大量的研究，目前主要基于振动速度峰值、峰值加速度和暴露时间。按照文献[5][6]考虑到操作区人员职业健康要求，结合目前原料系统以自动化控制为主的现状，在设备操作区域的工作人员较少，生产区操作人员的活动主要以站姿为主，受到振动影响时是通过楼面传递给人体的，故操作人员对竖向振动一般比较敏感。按人员暴露时间1 h～2 h考虑，竖向容许振动速度峰值9.6 mm/s，竖向振动舒适性降低的界限容许加速度值0.41 m/s2～0.52 m/s2。水平振动容许振动速度峰值和加速度值较大，设备振动频率远离人体敏感频段故不做讨论。

通过上述从建(构)筑物的安全、设备运行和人员的职业健康等方面对工程振动控制的要求讨论，结合原料筛分系统设备特点和人员工作习惯，可以得到此类工程振动控制的关键因素主要是：结构自振频率与机器频率比值、竖向振动速度、竖向振动加速度和竖向振幅(位移)。为避免工程共振产生，建议对于低频振动的筛分设备其支撑结构的基频高于设备振动频率的25%。从工程结构安全、设备运行和人员职业健康等方面考虑，控制竖向振动速度小于10 mm/s,竖向振动加速度一般在0.41 m/s2～0.52 m/s2。从设备正常运行的要求方面水平构件的竖向振幅(位移)一般在108.5 μm～136.7 μm以内。

2 工程实例

某钢厂破碎筛分系统整合改造工程矿石筛分室振动筛设备平台采用混凝土框架结构，为了避免设备振动对厂房结构的影响，将振动筛设备平台与筛分室脱开设计。振动筛设备平台为5个柱间4个跨距，振动筛所处柱网尺寸6 m×7.15 m，5 m×8.5 m，7.5 m×5.5 m，6.9 m×5.5 m，主要楼层标高为3.65 m，4.35 m，4.65 m，8.9 m，9.4 m。标高8.9 m处设置K181SC，K108SC，K168SC三台圆振动筛，标高9.4 m处设置K121SC一台圆振动筛(见图1)。K108SC，K168SC圆振动筛处理能力为1 200 t/h，K181SC，K121SC圆振动筛处理能力为12 000 t/h。振动筛均为双振幅11 mm，振动频率均为12.33 Hz。

单台振动筛位4点支撑，每个支点设置4组弹簧，振动荷载见设备厂家提供的表1。

表1 振动荷载一览表 kN

采用Midas三维有限元分析软件对矿石筛分室设备平台进行整体分析。因混凝土平台已经建成，研究不同结构改造方案对振动控制的效果。整体分析在设备平台上施加设备扰力时程荷载(见图2)，不考虑不同振动筛运行的相位差。本例中振动控制标准：楼面梁的基频高于振动筛设备频率的25%，控制竖向振动速度小于9.9 mm/s,竖向振动加速度小于0.43 m/s2，梁的竖向振幅(位移)在128 μm以内。选择接近梁跨中，水平和竖向刚度相对较小的节点，因其响应较大，选用397计算点，通过调整梁、柱截面、楼板厚度和增加钢支撑等结构方案对振动控制的效果的影响。计算模型及计算点见图3。

2.1 柱截面确定不同板厚对工程振动的影响

从图4～图6中可以看出，楼板厚度从110 mm～150 mm 变化对于结构受迫振动影响：振动速度最小为3.69 mm/s，变化率1.41%～13.18%；振动加速度最小0.27 m/s2，变化率2.01%～8.39%；位移最小0.20 mm，变化率2.59%～15.52%。振动速度和振动加速度可以得到有效控制，位移偏大。

2.2 板厚确定不同柱截面对振动的影响

从图7～图9中可以看出，柱截面从400 mm～800 mm 变化对于结构受迫振动影响：振动速度最小为3.56 mm/s，变化率3.83%～8.95%；振动加速度最小0.26 m/s2，变化率4.67%～13.3%；位移最小为0.232 mm，变化率25.29%～69.59%。振动速度和振动加速度可以满足要求，但位移偏大。柱截面大于600 mm以后，位移变化率不大。

2.3 板厚和柱截面确定加钢支撑对结构的影响

从图10～图12中可以看出，在支撑梁下增设钢支撑对于结构受迫振动影响：振动速度最小0.60 mm/s，变化率55%～286%；振动加速度最小0.05 m/s2，变化率58%～295%；位移最小仅为0.01 mm，变化率36.67%～74%。振动速度、振动加速度和位移很小可以满足要求。

由2.1节～2.3节的讨论可以得出以下结论：

1)改变板厚和柱截面尺寸对于结构受迫振动的振动速度变化率8.95%～13.18%，振动加速度变化率8.39%～13.3%，而在设备支撑梁下增加钢支撑上述参数的变化率286%～295%。在设备支撑梁下增设钢支撑对于改变结构受迫振动影响明显；

2)尽管在设备支撑梁下增设钢支撑对于位移的变化率影响与另外两种方法相当，但其绝对位移较小可以满足要求。

2.4 结构自振频率的控制

本项目振动筛均为双振幅11 mm，振动筛自振频率均为12.33 Hz，振动筛下支撑梁的跨高比在1/7.2～1/9.4，结构自振频率在7.93 Hz～14.9 Hz，结构自振频率低于或接近振动筛自振频率。采用SAP2000对设备支撑梁进行单独分析，改变楼板厚度和改变框架柱截面对于改变设备支撑梁的自振频率不明显。在设备支撑梁下增设钢支撑可以明显提高结构的自振频率22.1 Hz～28.7 Hz，远避开了振动筛的自振周期25%以上。

2.5 加固改造方案

因本工程混凝土设备平台大部分已经建成，采用在设备支撑梁下增加钢支撑和在设备区域局部加厚楼板实施比较容易。为避免加固改造方案对原有结构造成影响，对框架柱采用外包型钢法进行加固(见图13)。为保证节点充分受力采用节点板进行过渡，埋件与原有混凝土构件间二次灌浆(见图14)。建成投产后设备运行正常，效果良好。

3 结语

近年来在原料系统的工程实践来看，振动筛振动对生产区操作人员身心健康的影响主要以竖向振动为主，对于设置有大型振动筛的转运站或平台的振动控制可从动力计算、结构构造等方面入手。

1)控制结构自振频率较为重要，振动筛等属于低频振动建议结构要有足够的刚度其自振频率大于设备振动频率的25%；

2)通过动力分析，控制竖向振动速度、竖向振动加速度和竖向位移(振幅)满足规范要求，新建工程支撑梁应有一定刚度，改造工程可采用在设备支撑梁下增设钢斜撑的方式，以提高设备支撑梁的自振频率；

3)设有振动筛的结构单元柱网不宜过大，一般控制在5 m～6 m；

4)楼板厚度不宜小于板跨度的1/18～1/12。采用了上述方法在部分钢铁企业筛分设施建设中已经实施，此类振动问题显著降低。