吸振方法在选煤厂生产厂房振动控制中的理论与实践

王现成，张锋剑，张益民，龚耀清

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

以振动筛为主要生产设备的工业厂房结构损伤或破坏均源于其上的动力作用[1-3]，动力作用效果依赖于结构自身的动力特性，而结构的动力特性又与自身材料、结构形式、使用环境等多种因素有关。因此，要从根本上解决厂房结构因动力作用产生的损伤问题，必须从两方面着手：(1)消除作用在厂房结构上的振动；(2)改变受损厂房结构的自振频率。

现有结构振动控制方法主要是阻尼调节，最常用的方法有质量调谐阻尼器(TMD)方法[3-8]。这种方法有2个缺陷：(1)将数个TMD安装在需要控制振动的结构上(原结构与TMD重新组成了一个新的振动系统)，遇到振源后，结构和阻尼器一起振动，导致原结构的自振频率发生改变；(2)通常情况下，TMD的自振周期比原结构的自振周期长，当振源的振动频率比较低时，TMD先振动，并将振动反传回原结构，加剧原结构振动，不能起到有效控制原结构振动的效果。

《结构动力学》[9]中提及阻尼力起作用的时刻是结构共振的时刻。因此，TMD真正起作用的时刻是结构遇到破坏性的振动(或共振)时刻。即正常运转情况下，选煤厂厂房结构和振动筛构成的动力系统不会产生共振，因此，为选煤厂厂房结构安装TMD并不能控制厂房结构由于振动筛引起的振动。

近年来，用吸振器吸收结构振动的方法备受青睐[10-15]。吸振器主要由分为磁流变吸振器[10]和机械装置吸振器[11-15]。磁流变吸振器是新型吸振器，主要应用于机械工程中，但在土木工程中的实际应用还不成熟。实践研究表明，单纯使用吸振器并不能有效控制厂房结构的振动。

基于此，本文讨论了采用由吸振器和其支撑结构组成的吸振结构吸收选煤厂主生产厂房结构由振动筛引起的振动。

1 吸振结构的组成与工作原理

吸振结构由两部分组成：(1)吸振器，主要吸收振动筛传递给厂房结构的振动；(2)支撑结构，安装吸振器并为受振结构增加支撑，从而改变受振结构的动力特性。

将这种吸振结构应用于实际工程，需进行可行性分析[16]，还要根据实际工程的具体情况重新进行理论与模型试验、工业性试验研究。

图1为平煤八矿选煤厂生产主厂房中307号振动筛-支撑框架-吸振结构构成的动力系统。由于307号振动筛比最初设计的振动筛生产能力大，所以平煤设计院在振动筛下面增加了大H型钢梁，从而增加了原来钢筋混凝土梁的刚度。支撑振动筛的横梁由钢筋混凝土和钢梁叠合组成，简化为两端弹簧、中间段采用吸振结构支撑的Timoshenko梁，在振动筛的动力q(x，t)作用下，梁在y方向的运动规律w(x，t)、绕中性轴转动方向的转动规律φ(x，t)可表示为

图1 振动筛-支撑框架-吸振结构动力系统示意图

式中：θ为梁振动的圆频率；t为时间；w1(x)，w2(x)，w3(x)和φ1(x)，φ2(x)，φ3(x)分别为AB段梁、BC段梁、CD段梁、吸振器的未知竖向位移和横截面绕中性轴的转角；l为梁长。

吸振弹簧和质量块在振动筛作用下的运动规律为

yas(x，t)=[w2(x)+y(x)]sinθt，

(2)

式中，y(x)为吸振器的竖向振幅。

利用Hamilton原理

对上式求变分后，可得动力系统在振动筛作用下的动力学方程，即

[kas-θ2mas(x)]y(x)=θ2mas(x)w2(x)，

(3)

式中：m(x)=msteel(x)+mconcrete(x)，其中msteel(x)为钢梁单位长度的分布质量，mconcrete(x)为钢筋混凝土梁单位长度的分布质量；ms(x)为振动筛单位长度的分布质量；GA=(GA)s+(GA)c，(GA)s为钢梁横截面的抗剪刚度，(GA)c为钢筋混凝土梁横截面的抗剪刚度；Jz=Jzs+Jzc，Jzs为钢梁横截面的转动惯量，Jzc为钢筋混凝土梁横截面的转动惯量；EI=(EI)s+(EI)c，(EI)s为钢梁横截面对其自身形心主轴的抗弯刚度，(EI)c为钢筋混凝土梁横截面对其自身形心主轴的抗弯刚度。

方程两端的自然边界条件(或力的边界条件)为

(4)

连接处的相容性条件为

(5)

式中：kw和kθ分别为支撑振动筛的左、右框架柱的竖向和转动约束。

式(3)～(5)构成了完整的常微分方程组的边值问题。如果

kas=θ2mas(x)，

(6)

则

w2(x)=0，

即框架梁上振动筛所在位置的振幅为0，其中kas为吸振结构中弹簧的刚度系数，mas(x)为沿长度的分布质量。

由式(6)可知，吸振器的设计主要取决于：(1)主结构上振源的振动圆频率θ；(2)吸振器中从结构的刚度kas；(3)安装在从结构上的振动体的分布质量mas(x)。

吸振器的支撑结构可以是任何一种能安装吸振器并能给受振梁增加支撑的结构，然而在实际工程应用中，还应考虑生产厂房的具体生产环境。应在不影响生产的前提下寻找能够安装吸振器支撑结构的位置，位置确定后再考虑支撑结构的形式；设计支撑结构的原则是刚度越大越好，必须满足主结构与从结构的振动应为单向传递。

2 吸振模型试验研究

2.1 模型试验的目的与功能

模型试验可合理设计吸振结构，检验式(6)能否在实际中实现。

试验装置如图2所示，试验中所需的主要部件及其功能如下：

(1)生产厂房的模拟结构，模拟结构上安装振动电机，振动电机模拟结构产生的受迫振动。

(2)振动电机，由异步电机与偏心块组成，转速由调频装置控制。

(3)调频装置，由频率调节装置等组成。

(4)吸振器，实际上是一个从动力系统，主要由振动体与恢复力系统组成，振动体与恢复力系统必须满足式(6)，保证吸振结构的第1阶固有频率与主振动体(振动筛)的振动频率一致。

图2 框架结构吸振试验装置

2.2 工业性试验过程与结果

2.2.1 框架梁原始固有频率测试

用调频装置连续调整振动电机的振动频率，使框架梁产生振动，框架梁振动最为剧烈时，调频装置显示的频率即为第1阶固有频率。

2.2.2 改变框架梁固有频率的测试

在框架梁下增加2个刚性支撑，改变原有框架梁的刚度。连续改变振动电机的振动频率，当振动频率到达第1阶固有频率时，框架梁的振幅明显减小，但框架梁的振动不会消失。

再次连续改变振动电机的振动频率，使框架梁再次达到共振状态，此时振动频率即为框架梁刚度改变后的新固有频率。可以看出，增加刚度后，框架梁的固有频率提高了。

2.2.3 吸振测试

将满足式(6)的吸振器安装后，开机试验，并使振动电机的频率与共振时的频率相同，此时框架梁保持静止，吸振器产生共振，说明框架梁的振动完全“转嫁”给了吸振器。

在梁上布置5个测点，测点1和5对称，测点2和4对称，测点3在梁中部。

表1给出了模型试验梁(长1 m，横截面宽为150 mm，厚20 mm的矩形)在试验过程中的振幅变化，表1中数据均为模型梁在共振时的最大振幅。

表1 吸振模型梁振幅测试结果

从表1可以看出：(1)用吸振方法吸收结构的振动，不仅理论上可行，而且实际应用中也是可行的；(2)盲目增大结构的刚性(例如八矿选煤厂前期的补强加固措施)，并不能控制振动，甚至可能使结构加固后的固有频率与振动筛对结构的激振频率更加接近而加剧振动；(3)振幅最大位置实际上是吸振器的最佳安装位置。

3 工程应用与实践

图3为平煤八矿选煤厂生产厂房内某处安装了吸振结构后的状态(立柱为吸振结构)，该结构由吸振器和吸振器的支撑结构组成，吸振器安装在支撑结构顶部。

图3 实际吸振结构安装图

考虑到生产厂房内部机械设备与操作空间以及各设备之间运行条件的限制，吸振器支撑结构最终选择便于安装的钢结构阶段立柱，立柱下面两节采用带法兰盘的圆钢管，上面一节为带法兰盘的圆形框架，用于安装吸振器。整个立柱既能固定吸振器，又能增强主厂房框架横梁的刚度。

钢结构的每个圆形框架内安装3个吸振器(吸振器的数量由式(6)确定)；圆形框架顶板与横梁安装成一体；立柱底部有底板、调整器、紧固螺栓，这些附件保证整个吸振结构能牢固地安装在生产厂房的横梁之间[17]。

2017年5月27日对未安装吸振结构的307号振动筛进行振动测试，2017年12月3日对加装吸振结构后的307振动筛进行振动测试。

测点布置(图4)：梁南北分布，测点从南至北布置。1号、6号传感器位于同一个测点，布置在梁的最南端；2号、7号传感器位于梁南侧四分点处；3号、8号测点位于梁中点；4号、9号测点位于梁北四分点处；5号、10号测点位于梁北端。1～5号为压电传感器，6～10号为速度位移传感器。

图4 测点布置

由振动测试结果分析，梁振动均由振动筛的强迫振动导致，5个测点的最大幅值见表2。从表2可以看出，安装吸振结构后，测点2～4的振幅均有所减小，这是因为测点2～4安装吸振结构前振动就较小，安装吸振结构后振动减小效果不明显；测点1和5安装吸振结构前振动幅值较大，安装吸振结构后振动幅值减小的程度超过了90%，吸振效果明显，且小于国家规范YBJ55-1990《机器动荷作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振动设计规程(试行)》规定的竖向振幅限制值(0.125 mm)。

表2 307号振动筛测试结果

目前，安装有吸振结构的振动筛已经连续工作2年多，从平煤八矿选煤厂反馈的信息看，生产主厂房安装吸振结构后，已经损伤的厂房结构没有继续损伤，厂房内原有的噪声有所减少，这说明吸振结构吸振效果好，可有效控制结构振动。

4 结 语

(1)用吸振方法吸收选煤厂生产厂房结构由生产设备振动引起的振动是完全可行和可靠的，是结构振动控制的有效方法。

(2)用吸振方法控制结构振动的核心技术是主结构和从结构的振动分离问题，或振动的单向传递问题，即主结构的振动必须准确地传递到从结构上，而从结构的振动(吸振时从结构会产生共振)不能再传回到主结构上。