旋轉(zhuǎn)式機器基礎(chǔ)的現(xiàn)場模態(tài)試驗與健康診斷

劉建軍，管 軍，周景深，李 龍，賈瑞晨

(1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省衡洲建設(shè)有限公司，湖南 衡陽 421001)

1 切石機基礎(chǔ)概況和振害

研究對象為湖南省某礦山石材廠內(nèi)的液壓鎖緊柱式切石機，切石機的基礎(chǔ)是大塊式鋼混結(jié)構(gòu)，臺車基礎(chǔ)、機座、機座承臺的長寬高依次為8 m×3.2 m×0.6 m、2 m×2 m×3.5 m、3.5 m×3.5 m×1.2 m，機座承臺、臺車的基礎(chǔ)埋深依次為2.0、0.8 m。切石機在切割石材過程中，基礎(chǔ)振動幅值超過國家規(guī)范0.02 mm，整個基礎(chǔ)體系異常振動[1-2]；當(dāng)鋸片向下切割深度7 mm時，電流不穩(wěn)，結(jié)構(gòu)體系異常振動，不利正常石材生產(chǎn)。切石機的工作原理為導(dǎo)軌臺車上放置毛石大石塊，在主電機驅(qū)動下，半徑0.8 m的金剛石圓鋸片在導(dǎo)軌上來回加工毛石荒料，機器參數(shù)見表1和圖1[3-4]。

表1 液壓鎖緊柱式切石機DZQ-1600-D18技術(shù)參數(shù)

圖1 礦山切石機基礎(chǔ)立面及測點布置圖

2 礦山切石機基礎(chǔ)模態(tài)試驗

由于柱式切石機基礎(chǔ)是鋼混大塊式，可簡化為單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，可以僅測試切石機的豎向方向振幅與豎向固有頻率，因為在鋸片旋轉(zhuǎn)激振能量作用下，基礎(chǔ)振動的特性主要由豎向方向的振動所控制[5]。現(xiàn)場模態(tài)測試信號采集設(shè)2個對比測試點，信號傳感器設(shè)置如圖1，在臺車導(dǎo)軌和機座立柱頂端共布置4個測試點，現(xiàn)場模態(tài)測試進(jìn)程如圖2所示[6]。

圖2 試驗系統(tǒng)流程圖

試驗測試的儀器設(shè)備見表2，另還需要筆記本電腦、電纜線、膠水、水準(zhǔn)儀等工具。

表2 測試儀器表

3 測試結(jié)果與分析

前期多次對切石機機進(jìn)行全面檢查維護(hù)，排除了由機器本身故障引發(fā)的振害事故；在現(xiàn)場模態(tài)試驗前，用氣泡水準(zhǔn)儀對臺車、切石機機座基礎(chǔ)進(jìn)行檢查，也沒有產(chǎn)生地基不均勻沉降現(xiàn)象。對振動信號和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，進(jìn)行圖表繪制，測點的振動加速度圖，如圖3所示，測點的振動自功率譜圖，如圖4所示。

切石機基礎(chǔ)現(xiàn)場模態(tài)測試結(jié)果及分析如下。

1)從圖3的振動時域圖可看出，測點出現(xiàn)振動不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，機器各部件出現(xiàn)“錯臺振動”，以上表明切石機-基礎(chǔ)體系的整體性較差，抵抗振動的動剛度不足。

2)從圖4知，切石機依次進(jìn)行啟動、空轉(zhuǎn)、向下切割石材，當(dāng)向下切割到7 mm時，鋸片與石材接觸面積在逐漸加大，與之形成的激振動荷載也在增大，致使結(jié)構(gòu)體系的振幅、自功率譜值異常。表3為測點1和測點3振動信號最大自功率譜對應(yīng)的頻率及動力響應(yīng)情況。

3)采用Peak-Picking法識別大塊式鋼筋混凝土基礎(chǔ)的一階固有頻率是47.3 Hz，見圖4，與機械設(shè)備運轉(zhuǎn)工作頻率49.5 Hz基本接近，從而引發(fā)機器與基礎(chǔ)體系產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)動剛度下降到最小，基礎(chǔ)豎向振幅急劇變大而超過國家規(guī)范[7-9]。

圖3 切石機切割深度7 mm時測點加速度時程圖

圖4 切石機切割深度7 mm時測點自功率譜圖

表3 測點的最大自功率譜對應(yīng)的頻率及動力響應(yīng)

綜上所述，經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)查分析，該公司為了擴大生產(chǎn)規(guī)模，把新購置不到一年的切石機安設(shè)在原來機器的舊基礎(chǔ)上，在新機器高轉(zhuǎn)速、大功率、大噸位的動荷載環(huán)境下，舊基礎(chǔ)的構(gòu)件被振松、彼此連接變?nèi)?，結(jié)構(gòu)的整體性和動剛度降低；從而改變了動力機器-基礎(chǔ)-地基體系的固有頻率，切石機運轉(zhuǎn)工作頻率與切石機基礎(chǔ)固有頻率接近而產(chǎn)生共振，使得體系振幅異常變大，振幅大于規(guī)范規(guī)定的0.02 mm，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[10]。

4 結(jié) 論

1)前期對動力設(shè)備機器基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)把基礎(chǔ)的固有頻率與機器工作頻率合理避開，一般兩者應(yīng)相差0.75～1.5倍，避免共振。

2)后期應(yīng)從加強基礎(chǔ)的承載力(加大截面面積、植筋、外包鋼板、加鋼支撐等)、加強各部件結(jié)構(gòu)的連接(承臺與樁基、設(shè)備基座與基礎(chǔ))、增加阻尼減振的方向去進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，提高基礎(chǔ)的動剛度。

3)在礦山切石機結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與故障診斷中，在噪聲環(huán)境激振下，可通過輸出信號的自功率譜曲線來識別體系的固有頻率。

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