1 颚式破碎机的振动

文章编号: 1006- 1355( 2007) 03- 0039- 04

机器引起的振动问题及对策

王道宏

, 王柏生

( 1. 嘉兴职业技术学院, 浙江嘉兴 314001; 2. 浙江大学 建筑工程系, 杭州 310027)

摘 要: 通过几个实例分析讨论由于机器引起的振动问题及对策。首先介绍 实例为颚式 破碎机引 起周围民房

产生振动, 然后是一宾馆冷却水泵引起的振动, 最后为纺织机械引起的多层织造厂房的结构振动的实例。

关键词: 振动与波; 机器引起 的振动; 破碎机; 水泵; 多层织造厂房 中图分类号: TB123 文献标 识码: A

Case Study of M achine Induced V ibration

WAN G D ao hong¹, WANG B ai sheng²

( 1. Jiax ing V ocation T echnical Co llege, Jiax ing Zhe jiang 314001, China;

2. C iv il Eng ineering D epartm en,t Zhe jiang U niversity, H angzhou 310027, Ch ina)

Abstract: In th is paper, the prob lem s about m ach ine induced v ibration are discussed w ith study o f three cases. T he f irst is about the v ibration o f a cit izen s' house near a cem ent plan,t wh ich is induced by the crushing m ill in the plan.t T he second is discusses the problem s about v ibra tion induced by coo ling w ater pum ps in a hote.l T he last case about the structura l v ibration of m u ltiple story w eav ing building in duced by w eav ing m ach ines.

K ey w ords: v ibrat ion and w ave; m achine induced v ibration; crushing m il;l w ater pum p; m ultip le sto ry w eav ing bu ilding

收稿日期: 2006 09 07

作者简介: 王道宏 ( 1962 - ) , 男, 浙江浦 江人, 副 教授, 高级工 程师, 从事振动控制研究。

随着中国经济的快速发展, 浙江省各种工业企 业迅速增加, 包括电力、建材、纺织等等, 许多轻工业 厂房为多层, 机器要上楼层。众所周知, 各种机器的 运转都会产生振动, 如果设计不当, 其振动往往会影 响到周围居民, 造成振动公害, 严重时会影响结构安 全。本文将就几个典型的机器引起的振动问题实例 进行分析讨论。

1 颚式破碎机的振动

颚式破碎机广泛 应用于选矿、建筑材料 (如水 泥厂 )、发电厂 (碎煤操作 )、硅酸盐及化学等工业, 这些设备的运行将引起很强烈的振动, 因此这些机 器基础乃致厂房的设计必须慎重, 处理不当有可能 产生很麻烦的问题, 下面要介绍的是一水泥厂的碎 石机产生的振动问题。

1. 1 简况

海盐某水泥厂碎石机采用上海建设路桥机械设 备有限公司生产的 PE 750 1060型颚式破碎机, 在 破碎机安装后的使用时, 发现周围民居、学校等建筑 物内存在明显的振感, 并对有关人员的舒适性产生 影响, 尤其是夜间周围居民的睡眠受到影响。厂方 曾采用增补桩基、加强碎石机房基础的方式来抑制

振动, 但效果甚微。

1. 2 测试与分析

为了了解破碎机引起的振动情况, 在破碎机工 作时对有关位置进行了振动测试, 分别在破碎机底 座、旁边地面、地下地面、破碎房外地面、厂门前道路 对面一民居房地面和楼面、附近一小学地面、以及河 对面加油站地面布置测点进行了测试, 从实测响应 的频谱看, 机器机座和旁边地面上测到的振动, 没有 明显占优的频率成分, 可以说接近白噪声, 而在其它 测点测到的振动响应频谱, 则有明显的优势频率, 主 要的前三个频率为: 4. 313- 4. 375 H z、8. 75- 8. 875 H z、12. 25- 12. 56 H z。破 碎机飞轮 的额定转 速为 250 r/m in, 换算成 频率为 4. 167 H z, 基本与测到的 第一个频率相 吻合 (实际 转速可能 会高一些 ), 因 此, 可以认为, 周围民居、学校等房屋的振动主要由 于破碎机的偏心转动引起的。

表 1为各 测点的振动响应情况, 其中民房、小 学、加油站测点的加速度有效值, 均已高于人体可接 受的振动加速度允许值, 即竖向 0. 005 m /s²、水平

0. 0034 m / s²( 4- 5 H z时 ) ^{[ 1]}。 1. 3 隔振处理

要减小破碎机产生的振动对周围的影响, 必须 减小破碎机产生的振动通过地基土体向四周传播的 能量, 根据破碎机说明书中的要求, 机器基础的最佳 重量在 8~ 10倍的破碎机重量, 机器重约 32吨, 但 机器引起的振动问题及对策 39

表 1

测 点

水平加速度 /m s^{- 2}

竖向加速度 /m s^{- 2}

峰值 有效值 峰值 有效值

破碎机底座 388. 1 15. 7 295. 3 11. 6 破碎机旁边地面 7. 579 0. 745 6. 251 0. 669 地下地面 1. 882 0. 303 2. 602 0. 299 破碎房外地面 0. 425 0. 047 0. 365 0. 058 民居地面 0. 062 0. 0035 0. 069 0. 0096 民居房楼面 0. 02 0. 0078 0. 019 0. 0058 小学地面 0. 0072 0. 0022 0. 014 0. 0059 加油站地面 0. 097 0. 0062 0. 053 0. 005

基础实际重量比机器还轻。鉴于现场实际情况, 增 加基础重量已不可能, 只能采用主动隔振的方案, 在 原基础之上专门制作一隔振用机器台座, 台座最佳 重量为机器重的约 3倍, 在台座与原基础间设置阻 尼减振装置, 破碎机设备安装在台座之上, 形成一个 由破碎机设备、机器台座、隔振器组成的隔振系统, 如图 1所示。本例的最大困难在于空间受限制, 破 碎机设备最多只能抬高 50 cm, 也就是说, 台座和隔 振器只能安排在高不到 50 cm、平面尺寸 7 m 6. 5 m 的范围内, 还要 留出下料孔, 台座重量只 能做到

20多吨, 宜采用钢结构承重, 用混凝土做配 重。根 据破碎机重量、台 座重量和振动 频率等, 选 择采用

16只弹簧阻尼隔振器的隔振方案^{[ 2] [ 5]}。

图 1 隔振系统 示意图 隔振处理后再次进行振动测试, 结果列于表 2,

可以看出, 民房、小学、加油站测点的加速度比隔振 前明显降低, 均在人体可接受的范围内。

表 2 隔振前后振动加速度有效值对比

测点 方向 振动加速度有效值 /m s^{- 2}

隔振处理前 隔振处理后

民居地面

居民房楼面

小学地面

加油站地面

水平 0. 0035 0. 0021 竖向 0. 0096 0. 0040 水平 0. 0078 0. 0030 竖向 0. 0058 0. 0043 水平 0. 0022 0. 0016 竖向 0. 0059 0. 0029 水平 0. 0062 0. 0033 竖向 0. 0050 0. 0021 1. 3 启示

对于象破碎机这样会产生强烈振动的设备, 其 基础设计很重要, 增加基础重量是减小振动能量向 周围传播的有效途径, 采用主动隔振的措施也可以 有效地隔离振动能量的传播, 但隔振方案必须经过 周密的设计, 且在设计阶段就予以考虑, 否则, 等投 入使用出现问题后再来处理, 将很困难。

2 冷却水泵的振动

冷却设备不管设在屋顶还是设在地下, 都会引 起结构振动, 如处理不当, 振动会比较大, 能使楼内

的人员不适, 本文下面将介绍一个因冷却水泵引起 的振动问题。

2. 1 简况

杭州某酒店大楼为高层框架 剪力墙结构, 大 楼冷却设备设置在地下二层, 在起用冷却空调时, 发 现位于一层的雪茄吧振感强烈, 其内的人员感到很 不适。经多次试验发现, 只要启动、运行冷却水泵, 一层的雪茄吧就有明显振感, 但在冷却水泵上方、同 在一层的商场区却未发现有明显振感。另外, 冷却 水泵共有四台, 水泵运行台数不同, 雪茄吧感觉到的 振动程度也不同。与冷却水泵相连的输水管固定在 地下一层楼板下的支撑钢梁上, 支撑钢梁两端分别 固定在剪力墙和柱子上。

2. 2 测试与分析

为了解雪茄吧地面振动确切的振动量、确定振 源及传播路径, 对有关位置进行了振动测试, 结果列 于表 3。一台水泵正常运转下测得的雪茄吧位置楼 板竖向振动加速度有效值为: 0. 08 m /s², 已超过办 公室内 人体 的振 动允 许值 0. 063 m / s² ( 约 25 H z

时 )^{[ 1 ]}, 随着运转水泵数量的增加 ( 从 1台到 4台 )

测到的振动加速度也随之增加, 四台水泵正常运转 下测得的雪茄吧位置楼板 竖向振动加速度 有效值 为: 0. 26 m /s², 已远远超过办公室内人体的振动允 许值。在水泵运转时雪茄吧测到的振动加速度比商

2007年 6月 噪 声 与 振 动 控 制 第 3期

场位置测到的要大得多, 雪茄吧测到的振动优势频 率为 24. 75 H z, 与水泵的额定转速 ( 1 480 r /m in)相 吻合, 这进一步证实雪茄吧的振动与水泵运转密切 相关。在输水管及支撑钢梁上, 水泵运行时测到的 振动加速度优势频率亦为 24. 75 H z, 与雪茄吧的振

动一致, 说明雪茄吧的振动与输水管及其支撑钢梁 有关, 再根据振动的加速度幅值的大小顺序: 水泵、

输水管、支撑钢梁、雪茄吧楼板, 可以证实振动的传 播途径为: 水泵 !输水管 ! 支撑钢梁 ! 柱子和剪力 墙! 雪茄吧楼板。

表 3 竖向振动测试结果

工况 项目 雪茄吧 商场 雪茄 吧对应

位置钢梁

钢梁 上水管

水泵上

进水管 水泵上

开一 台水 泵 开二 台水 泵 开三 台水 泵 开四 台水 泵

加速度 m / s²

峰值 有效值 优势频率 H z 加速度

m / s²

峰值 有效值 优势频率 H z 加速度

m / s²

峰值 有效值 优势频率 H z 加速度

m / s²

峰值 有效值 优势频率 H z

0. 14 0. 06 1. 42 1. 98 15. 82 35. 98

0. 08 0. 01 0. 24 0. 37 1. 8 10. 11

25 25 24. 75 24. 75 83. 0 27. 13

0. 24 0. 11 1. 38 1. 98 0. 12 0. 02 0. 46 0. 76

25 25 24. 75 24. 75

0. 35 0. 07 1. 41 2. 36 0. 22 0. 02 0. 48 0. 82 24. 75 24. 75 24. 75 24. 75

0. 44 0. 24 1. 82 2. 15 7. 24 35. 57

0. 26 0. 02 0. 55 0. 83 1. 46 10. 7

24. 75 24. 75 24. 75 24. 75 82. 6 25. 5 2. 3 处理建议

根据以上测试分析, 建议采用隔断或改变振动 传播路径的减振处理方案, 即将所有支撑输水管的 钢梁从原来固定在剪力墙、柱子上改由固定在基础 底板上的钢立柱上, 由于基础底板质量巨大, 将吸收 大部分的振动能量, 这样传到一层楼板的振动能量 将大大下降。

3 纺织机械的结构振动

多层织造厂房由于机器上楼层, 正常生产运行 引起厂房结构振动的问题还是比较多的, 这里介绍 一个比较典型的例子。

3. 1 简况

萧山某厂丝织车间为二层钢筋混凝土框架结构 厂房, 建筑面积约 8 000 m², 于 1997 年建成交付使 用。厂房底层布置 80台 P401 型剑杆织机, 二层布 置络丝车 6台、倍捻机 24台。在运行两年后发现二 层楼板面沿主、次梁方向出现裂缝, 许多屋面梁也有 不同程度的裂缝出现, 最严重的是有两根主梁上出 现约 45∀的斜裂缝, 最大宽度已达 0. 7 mm, 而且裂 缝存在扩展的趋势。另外, 在出现严重裂缝的位置 附近二层楼面振感强烈, 且也有增强的趋势。

3. 2 检测与分析

通过强度检测了解到, 该结构许多构件混凝土 强度未能达到设计强度等级 C20, 不少构件强度低 于 C15, 显然混凝土强度不足是产生裂缝的原因之 一。根据梁、板上出现的裂缝形态, 可知是竖向荷载

引起, 因此, 还有可能与竖向振动有关, 通过在振感 强烈区域 (也是裂缝严重区 )的振动测试, 得到了在 正常运行时结构的振动响应情况, 测试结果也证实 结构的竖向振动响应比水平振动响应大的多, 表 4 为测试得到的竖向振动响应情况。可以看出, 最大 位移幅值达到 70. 6 m, 接近 #多层织造厂房结构动 力设计规范∃ ( FZJ 116 - 93)^{[ 3]}的位移限值 80 m, 这一限值是从产品质量角度出发的, 对结构安全没 有参考意义。实测的最大加速度幅值为 2. 21m /s², 由于没有合适的规范可判定这一加速度是否对结构 产生危害, 本文参照 #建筑结构抗震设计规范 ∃GBJ

50011 2001^{[ 4 ]}, 抗震设防烈度为 8度时的设计基本 地震加速度为 0. 2 g, 即 1. 96 m /s², 实测的最大加速 度幅值已超出不少, 可以说振动已达到严重的程度。

表 4 竖向振动响应情况

测点 二层楼面 屋面

1 2 3 4 5

位移

( m ) 34. 5 70. 6 19. 1 43. 0 18. 2 速度

( mm / s) 3. 5 4. 413 1. 73 3. 91 1. 1 加速度

( m / s²) 1. 37 2. 21 2. 043 0. 606 0. 275 结构的振动响应与其固有频率是有关的, 通过 测试还得到楼面梁板体系和屋面梁板体系的固有频 率基本接近, 测得的固有频 率有: 3~ 4, 6~ 7, 9 ~

11, 12~ 14, 16, 22~ 24, 30~ 35, 42~ 45, 47~ 51, 70~ 71, 88 ~ 92, 120 ~ 122, 190 ~ 204, 220, 250 机器引起的振动问题及对策 41

H z, 与车间内的机器振动频率 ( 表 5) 进行比较可以 发现, 五个机器振动频率都分别与某阶楼面体系与 屋面体系的固有频率很接近。因此, 车间的正常运

行会引起有关楼面梁板体系和屋面梁板体系产生一 定的共振。

表 5 机器及其部件的转速和振动频率

机器 ( 或部件 )转速 ( r /m in) 1460 500~ 750 430 2900 13000

振动频率 (H z) 24 8. 33~ 12. 5 7. 17 48. 33 216. 67

机器名称 络丝车 络丝车 剑杆织机 倍捻机 倍捻机

位置 二层 二层 底层 二层 二层

根据前述测试分析, 考虑到屋面梁裂缝、楼面开 裂最严重的区域与振感强烈的区域相对应, 可以判 定, 厂房结构的振动也是引起屋面梁出现裂缝、楼面 开裂的主要原因之一。

根据设计资料, 该结构柱网为 6 m 8 m, 柱截 面为 400 400, 楼面设计活载为 7 kN /m², 现浇楼盖 厚 120, 主梁截面 250 800, 次梁截面 250 550, 次 梁间距 2666, 现浇屋盖厚 100, 主梁截面 250 750, 次梁截面 250 500, 次梁间距 2 666。按照 #多层织 造厂房结构动力设计规范∃ ( FZJ 116- 1993), 主梁 高应在跨度的 1 /9~ 1 /6, 次梁高应在跨度的 1 /12~

1 / 8, 楼板厚应在 1 /18 ~ 1 / 12板跨, 本例中主梁高、

板厚均未满足要求, 尤其板厚 120还不到跨度的 1/

22, 差距很大。

综合以上分析可以认为, 该结构由于主梁截面 偏小、楼板偏薄使得楼盖体系竖向刚度偏低, 机器运 转时引起楼板较大竖向振动, 加上混凝土强度又不 够, 在长年振动疲劳作用下, 楼面板、主梁很快出现 裂缝, 而裂缝的出现又使楼盖体系的竖向刚度进一 步降低, 振动继续增大, 形成恶性循环。

3. 3 加固处理

关于加固处理方案设计, 考虑到不少构件的混 凝土强度低于 C15, 不能采用粘贴钢板、或粘贴碳纤 维布等加固方式, 因此采用体外预应力对楼面、屋面 主梁进行加固, 以满足结构竖向承载力的要求。为 了增加了楼盖体系的竖向刚度, 以达到抑制竖向振 动的目的, 在原楼板顶迭铺一层 50厚的钢筋混凝土 层, 使楼板厚达到跨度的 1 /15. 7。

为了了解加固效果, 加固后再次进行振动测试。

表 6为加固前后的振动响应对比, 可以看出, 加固处 理后, 楼面竖向振动响应得到显著降低, 最大位移幅 值从 70. 6 m 降 为 24. 9 m, 最大 加速度 幅值从 2. 21 m / s²降为 0. 619 m /s², 屋面振动响应也有明显 下降。因此, 可以认为该加固处理基本上是成功的。

表 6 加固前后的振动响应对比

测点 二层楼面 屋面

1 2 4

位移 ( m ) 15. 7 /34. 5 24. 9 /70. 6 38. 0 /43. 0 速度 ( mm / s) 3. 2 /3. 5 2. 565 /4. 413 2. 72 /3. 91 加速度 (m /s²) 0. 551 /1. 37 0. 619 /2. 21 0. 488 /0. 606

注: % /&后为 加固前的数据 3. 4 启示

从本例的分析可以得到, 对于多层厂房的结构 设计, 刚度的要求与强度一样是至关重要的, 不能忽 视。通过动力设计使结构固有频率避开机器振动频 率, 对水平振动是可能的, 但由于楼盖为分布质量的 连续体系, 其竖向振动固有频率很密, 很难与机器频 率错开, 因此, 楼盖体系必须具备足够的竖向刚度, 或采取其它减振措施, 才能将振动控制在允许的范 围内。

4 结语

本文通过三个典型实例分析了各种机器引起的 振动问题, 具有一定的代表性, 希望对相关人员能有 一定的参考意义, 本文的研究还比较粗浅, 如有不足 之处, 谨请批评指正。

参考文献:

[ 1] ISO 2361 - 2: Eva luation ofH um an Expo sure to W ho le body V ibra tion Continuous and Shock induced V ibra tion in Bu ild ings, 1989.

[ 2] 杨英武, 王 柏 生, 林峰. 破 碎机 基础 隔振 设 计 [ C ]. 南 昌: 第四届全国建 筑振动学术会议论文集, 2004.

[ 3] FZ J 116- 1993, 多层织造厂房结构动力设计规范 [ S].

中华人民共和国纺织部, 1993.

[ 4] GB 50011- 2001, 建筑抗震设计规 范 [ S]. 中华 人民共 和国建设部, 2001.

[ 5] 王道宏. 一种新型 的隔振方式 钢丝绳隔 振 [ J] . 机 械技术, 1988( 4).

2007年 6月 噪 声 与 振 动 控 制 第 3期