破碎机是矿山、煤炭、冶炼、建材等行业原料破碎加工工艺的主要机器。常用的破碎机形式有鄂式、旋回式、圆锥式、锤式和反击式。其基础形式结合工艺需求, 一般采用大块式、墙式和框架式3种。工程实例中动力机器基组振动异常情况时有发生。王锡康^[1]总结了动力机器基础振动学科在我国发展的历程, 并指出改学科发展中仍需进一步研究的课题。侯兴民等^[2]对GB 50040—1996《动力机器基础设计规范》中的若干问题进行讨论。朱彤等^[3]对动力机器框架基础的振动检测进行分析与数值验证。张应之等^[4]对多台机器作用下基础振动合成计算进行分析研究并给出建议。朱丽华等^[5]对某破碎筛分车间破碎机不同开启工况下的原结构和改造后结构的振动特性进行实测和有限元模拟验证并评估了厂房振动的安全性。黎益仁等^[6]对动力机器基础容许振动标准的取值进行探讨, 得出隔振基础的容许振动值可取普通基础的2～3倍。盛吉鼎等^[7]对动力机器基础静荷载的分类做了调整, 并对基组的振动控制标准进行了讨论, 提出用振动速度作为控制标准。

本文对某矿场细碎车间圆锥破碎机基组振动异常的问题进行研究。首先测试基组振动特性, 评价其振动是否超出规范^[8]限值;并结合测试结果进行有限元建模仿真分析, 对测试结果和有限元分析互相验证。在此基础上, 分析基组振动异常的直接原因, 并剖析导致基组振动异常的客观因素。探讨动力机器基组前期设计振动控制的重要节点及后期加固的针对性办法, 为合理可行地解决基组振动异常问题提供技术依据。

某矿场中细碎车间为钢筋混凝土框排架结构, 于2015年建成投入使用。车间内设有4台圆锥式破碎机, 分别独立支承于4个混凝土墙式基础上, 混凝土设计强度等级为C30, 基础高6.8m, 埋深2.0m, 自北向南水平排列, 基础与厂房主体结构互相独立, 平面如图1所示。其中, 2台破碎机为进口的TC84-XH型, 支承在SJ1-3, SJ1-4基础上;另2台为国产PYH多缸液压型, 支承在SJ2-5, SJ3-2基础上, 设备剖面如图2所示。破碎机在启动工作时, 基组振动明显异常, 设备晃动剧烈, 基础与厂房地坪交接处出现裂缝。根据地质勘察资料, 该车间地基采用换土垫层法处理, 垫层材料采用圆砾土。垫层厚度为2.5m, 局部3.0m。经重型 (2) 触探检测, 圆砾垫层承载力特征值满足设计要求380kPa。但垫层表面普遍松散, 需用平板振动器普遍振密。

采用混凝土回弹仪、游标卡尺、1%浓度的酚酞试液、激光测距仪、钢筋定位仪等对破碎机基础尺寸、混凝土强度、钢筋配置等参数进行检测。根据检测结果, 4台破碎机基础外形尺寸符合设计要求, 混凝土满足设计强度等级C30要求, 钢筋配置与设计相符。现场对基础埋深进行开挖检查, 经测量4个设备基础西侧埋深 (至室内地坪标高) 最大值为1.7m, 不满足设计基础埋深2.0m的要求。

采用941B型拾振器、INV Dasp11数据采集和信号处理系统对基础结构各测点的动力特性和动力响应进行测试与分析处理。分别在4个设备基础结构顶面不同测点处布置竖向和水平向拾振器, 如图1所示。

测试工况分为: (1) 从启动至空载运行; (2) 负载运行; (3) 设备停机至完全静止。测试内容包括振动频率、振动速度。通过对不同工况的测试数据进行处理分析, 得到设备基组的振动频率、振动速度幅值等。测试结果如图3所示, 汇总结果如表1和图4所示。

由测试结果可知, 2台进口破碎机在工况1所测得的基础顶面南北向速度峰值大于东西向, 各测点水平向振动频率为3.86～4.00Hz;在工况2所测得的基础顶面南北向速度峰值大于东西向, 各测点水平向振动频率为3.84～4.01Hz, 且在工况2各测点速度峰值均小于工况1;在工况3时, 各测点水平向振动频率为3.03, 2.90Hz。

2台国产破碎机在工况1所测得的基础顶面南北向速度峰值大于东西向, 各测点水平向振动频率为3.16, 3.9, 7.8Hz;在工况2, 南北向速度峰值小于东西向, 各测点水平向振动频率为3.4, 7.8Hz, 且在工况2各测点速度峰值大于工况1, 但均小于进口破碎机在同样工况下的测试值;在工况3, 各测点水平向振动频率为3.90, 7.80Hz。

垫层承载力特征值取380kPa。地基土的抗压刚度系数C_z取64 000kN/m³, 抗弯、抗剪、抗扭刚度系数按规范^[8]推荐公式计算。

采用MIDAS软件建立有限元计算模型, 设备基础采用实体单元模型模拟, 破碎机等效为质量点, 与混凝土顶面刚性连接, 电动机自重等效为均布荷载, 施加于混凝土实体上 (国产基组总重约921.5t, 进口基组总重约534.2t) 。结构有限元模型如图5所示。动力计算时, 采用质量-弹簧-阻尼器计算体系, 将地基土视为无质量的弹性垫层, 相关参数的取值按规范^[8]、现场实测基础尺寸及埋深、现场振动测试的加速度时程曲线和结构设计、地质勘察、设备等相关资料选取。

4台破碎机基组的自振频率及振型结果如表2所示。根据模态计算结果, 进口和国产基组自振频率分别为3.11, 3.97Hz。

4台破碎机基组的时程分析结果如图6所示。根据时程分析结果, 进口和国产基础顶面水平向最大速度分别为13.63, 1.34cm/s, 最大基础顶面最大水平线位移 (峰峰值) 分别为10.36, 0.988mm。计算结果与现场实测结果相当, 基础顶面最大水平线位移均超过规范^[9]规定的破碎机基础顶面的水平向振动线位移允许值0.25mm (当机器转速n≤300r/min时) 。

1) 根据结构动力学原理, 当扰力频率与基组的自振频率一致时便会发生共振。事实上, 当二者接近时, 基组的振幅便会迅速增大。因此, 有规定^[10]二者比值为0.75～1.25时, 为基组的共振区。由现场振动测试与模型计算结果看, 国产破碎机扰力频率约为3.16Hz、基组自振频率约为3.97Hz, 基组自振频率与扰力频率相比约为126%。进口破碎机扰力频率为3.86～4.0Hz, 其基组自振频率约为3.11Hz, 基组自振频率与扰力频率相比为81%～78%。两种基组基本处于“共振区”边缘或内部工作, 从而导致基础发生过大振动, 所有基组顶面最大水平振动线位移均超过规范允许值。

2) 根据现场振动测试与模型计算结果, 国产破碎机扰力频率低于其基组的自振频率, 基组处于“共振前”工作;进口破碎机扰力频率高于其基组的自振频率, 基组处于“共振后”工作。处于共振后工作的基组, 当机器在启动和停车过程中, 扰力的频率不可避免地要穿过共振区, 若该过程中设备转速在共振区内逗留, 则共振效应将会突显。

3) 根据进口破碎机扰力频率测试结果计算, 其机器转速为230～240r/min, 低于设备资料中约270r/min的参数值;根据国产破碎机扰力频率测试结果计算, 其机器转速为190～200r/min, 而设备资料中未查到相关转速值。破碎机设备转速异常将会对基组正常状态造成很大影响。

4) 根据规范^[8]规定, 基础设计时应取得:建筑场地的地质勘察资料及地基动力试验资料。若无地基动力试验资料, 参考规范相关规定确定地基基本动力特性参数时, 须力求准确;否则, 在规范给定的基本动力特性参数范围内取值, 计算结果将差别很大, 很可能使设计结果偏于不安全。

5) 根据现场检测结果, 4个设备基础结构基础西侧埋深最大值为1.70m, 不满足设计基础埋深2.0m的要求。基础埋深减小将削弱地基土对基础振动的约束作用, 使得基组自振频率变小, 降低基组刚度, 导致振动效应放大约20%。

6) 根据规范^[8]规定, 基组的总重心与基础底面形心宜位于同一竖线上。当基组自振频率与扰力频率处于共振区时, 若基组的总重心与基础底面形心有偏心情况, 则该偏心效应将被明显放大, 也会使基组振动出现异常。该4台设备基组均存在不同程度偏心情况, 尤其国产破碎机基组, 基组相对于底面形心沿长边方向偏心0.415m, 相对偏心5.25%, 超出规范要求。

1) 圆锥破碎机设备的实际运行状况至关重要, 若存在机器异常引起的扰力过大或实际性能与铭牌参数值不符, 将极大可能导致基础振动超限, 应及时调校机器使其正常运行。

2) 完善的岩土工程勘察报告和地基动力试验资料是基组结构静动力计算的重要技术依据, 必须真实、准确。

3) 设备基础结构设计时, 宜使基组的自振频率和机器正常工作时的扰力频率相差25%以上, 避免基组在其共振区内工作。一般对于n<750r/min的低频机器的基础, 可使其自振频率高于机器的扰力频率, 使基组处于“共振前”工作。

4) 设备基础结构设计时, 应合理地选择基础形式和几何尺寸, 对于低转速机器的大块式或墙式基础均应在可能条件下降低基础高度 (不增加其高度) , 同时采用较大的基础底板面积, 并减小基础质量以提高基组的自振频率。

5) 设备基础结构设计时, 宜与邻近厂房柱基础及其他建 (构) 筑物脱开。机器的垂直扰力应力求作用在通过基组的重心线上, 机器水平扰力也应力求作用在通过基组重心的平面内, 以避免产生过大回转或扭转力矩。