彈簧隔振技術在廢鋼破碎機設計中的應用

崔崗，劉世萱，柴輝

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

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彈簧隔振技術在廢鋼破碎機設計中的應用

崔崗，劉世萱，柴輝

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001)

摘要：針對廢鋼破碎機存在的振動過大的問題，本文應用彈簧阻尼隔振技術進行隔振。根據隔振理論，采用彈簧阻尼隔振器，設計調諧比為3.74，阻尼比約為0.1，使破碎機傳到主控室以及地基的振動速度的最大值由4.83 mm/s降至1.82 mm/s。兩年的實際運轉表明，該設計保證了操作工人的身體健康，提高了設備以及附屬建筑結構的安全性，隔振效率比原設計提高30%以上，具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：機械振動；共振； 隔振； 固有頻率

廢鋼破碎機是一種用來生產廢鋼破碎料的破碎機器，主要用于報廢小汽車、報廢家電及輕薄廢鋼等廢金屬資源的有效回收利用，可大大減少對自然礦物資源的開采耗用，達到減少土地占用、降低社會總能耗、節約投資和保護生態環境的目的。我國在2012年的廢鋼循環利用率為19．9%，遠低于世界平均水平的48．3%。廢鋼破碎機在廢鋼資源循環利用工程中起著至關重要的作用，具有很好的應用發展前景[1]。

但是，廢鋼破碎機在生產中存在振動太大的問題。目前，國外已有德國美卓林德曼公司以及美國紐維爾等公司將彈簧隔振技術應用于廢鋼破碎機，國內未見過相關文獻。在廢鋼破碎機行業，國內該技術仍處于空白。本文將彈簧隔振技術成功應用于廢鋼破碎機的設計。

某公司一臺電機功率900 kW額定轉速約595 r/min(10極電機)的廢鋼破碎機在進行試車時，發現設備振動很大。操作工人在控制室操作設備，無法堅持1 h正常工作，對操作工人的身心健康造成很大的影響，對破碎機設備以及附屬建筑結構的安全性也構成了威脅。該設備的隔振原設計為橡膠隔振器系統，為此，我們對該廢鋼破碎機重新進行了隔振系統的設計，采用彈簧阻尼隔振器，設計了合理的調諧比以及阻尼比，大大降低了廢鋼破碎機傳到主控室以及地基的振動速度。

1設計原理

在回轉機械一類設備中，當存在一個干擾力時，若其主干擾力F的圓頻率為ω(ω=2πf；f：主干擾力頻率)，則其穩態振動運動方程可以表示為[2]：

m(dx/dt)2+c(dx/dt)+kx=Fsin(ωt)，

(1)

式中，m為系統質量；x為系統位移響應；c為系統結構阻尼；k為系統結構剛度。

當系統阻尼比較小時，其隔振效率計算式可以簡化為：

(2)

式中，η為隔振效率；λ為調諧比(λ=f/f0)(f0:隔振系統固有頻率)；ζ為系統阻尼比(ζ=C/C0)(C0:系統臨界阻尼系數)。

由振動理論推出的隔振效率計算式與隔振工程實際經驗可知：一方面，隔振系統的固有頻率f0必須滿足f/f0≥2.5；另一方面，阻尼的設計必須選得合理。阻尼系數過小，易引起較大的共振振幅；阻尼系數過大，則使得隔振效率大幅下降，影響隔振效果。按工程實際經驗，對于回轉類機械，阻尼比一般取值范圍為0.08～0.15。

2關鍵技術及主要技術參數

2.1關鍵技術

由上述理論分析得知，由于橡膠隔振器的固有頻率f0較高[3-4](一般在5 Hz以上)，因此若在該設備中使用橡膠隔振器，其電機干擾頻率(主干擾力的頻率；約為9.92 Hz)與系統固有頻率的比值λ小于2.5，達不到隔振理論以及隔振工程實際經驗的要求，故其隔振系統的隔振效率很低，達不到國家標準GB11347-89[5]的B級要求。

為此，重新設計了隔振系統并考慮了兩種方案。一種是采用空氣彈簧隔振器；另一種是采用彈簧阻尼隔振器。經過論證認為，采用空氣彈簧隔振器，技術上是可行的，但是成本太高；而彈簧阻尼隔振器成本較低并能滿足技術要求。按照論證的方案，重新進行了隔振系統的設計。將隔振器改為彈簧阻尼隔振器，并利用軟件分析重新進行了隔振器的布置設計[6]。再經過制定嚴格的施工方案(該設備重80多噸)，將新設計的隔振系統安裝于設備的底部，替換出原有的隔振系統，并經過了嚴格的檢測與實際運轉考驗。

2.2主要技術參數設計

根據振動理論以及振動工程實際經驗，確定按以下參數設計隔振系統[7]：

(1)系統固有頻率：約為2.65 Hz；

(2)調諧比：2.5≤λ<5；

(3)阻尼比：ζ約為0.1；

(4)垂向隔振效率：η≥90%；

(5)設備正常工作時，聯軸器與破碎機主機的相對位移峰-峰值A1≤1.5 mm；破碎機整體振動位移峰-峰值A2≤2 mm；

(6)隔振系統的豎向剛度中心與隔振體系的質心在同一個垂面上，以避免產生耦合振動。

調諧比λ取值要合理，太大會造成隔振系統成本太高，工程上絕大多數取值不超過5[8-9]，本設計取值為λ=3.74。阻尼比取值也應在合理范圍內，按照理論以及工程實際經驗，本設計阻尼比ζ取值為0.1[10]。

3改進前后實測數據對比

圖1為破碎機系統及振動測試點位置示意圖。測試點所測物理量為豎直方向的振動速度，測試采用德國西門子公司的ZEBVM-7D振動測試儀。每個測試點根據振動烈度現場測量與評定國家標準GB11347-89進行處理后得出，并且每個測試點測量3次。

圖1　破碎機系統及測試點示意圖Fig.1　Illustration of the crusher system and test points

安裝完成后，開始試車破碎廢鋼板，會同青島市質量監督局委托的振動測試有關部門進行了前后兩次不同時間嚴格的測試(系統改進前測量了1次，3次測量結果見表1～3)。表1為系統改進后各測試點的測量值(前后3次測試點位置基本相同)。

表1　隔振系統改進后的測試數據

表2為原系統改進前測得的振動速度。從表2數據不難看出，其振動速度值太大，達不到國家標準GB11347-89 B級的要求(最大值為4.83 mm/s)；而原系統改進后，表1中測試數據有了很大的改善(最大值僅為1.82 mm/s)，其振動速度值符合國家標準GB11347-89的A級要求。

表2　隔振系統改進前的測試數據

經過測試合格后，即投入正常使用。在使用三個多月后，會同有關部門又進行了嚴格的測試。測試數據詳見表3。

表3　隔振系統改進后運行3個月的測試數據

從表1和表3中不難看出，所有測試點均符合國家標準GB11347-89 A級的要求，保證了設備的正常使用。

重新設計并安裝新的隔振系統后，操作工人反應很好。在控制室一天操作8 h沒有任何問題。因此，工人的身心健康得到切實的保障，也確保了破碎機設備以及附屬建筑結構的安全性。該設備到目前為止已經運行兩年多，運行情況良好，一直未出現問題。

4結論

設計廢鋼破碎機隔振系統時，一定要注意針對不同隔振對象的技術參數，采取不同的隔振設備。由于本破碎機的主干擾力頻率較低，采用橡膠隔振器是不合適的;采用空氣彈簧隔振器雖能達到技術性能的要求，但是成本太高，既能達到技術要求又節約成本的方案就是采用彈簧阻尼隔振器。采用新的隔振系統后，其隔振效率完全達到設計要求，符合國家標準GB11347-89 A級的要求，隔振效率達到90%以上，其效率比原來的隔振設計提高30%以上。該設計還有待于進一步地完善，目前阻尼的設計不盡合理(主要靠經驗設計阻尼比)，今后應建立數學模型，進行阻尼比的優化設計。

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Application of vibration isolation technology in a steel scrap crusher

CUI Gang, LIU Shi-xuan, CHAI Hui

(Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Abstract∶We apply spring-damper vibration isolation technology to a steel scrap crusher for the issue of its excessive vibration. Based on vibration isolation theory, we design a spring-damper isolator with tuning ratio of 3.74 and damping ratio of 0.1. It reduces the maximum vibration velocity to control cabin and foundation from 4.83 mm/s to 1.82 mm/s. Two-year practical operation demonstrates that the design can guarantee the health of workers and enhance the safety of a crusher and outbuildings. Vibration isolation efficiency increases by 30%, as compared with the original design. The vibration isolation design therefore has broad market prospect.

Key words∶mechanical vibration; resonance; vibration isolation; natural frequency

中圖分類號：TH17

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)02-0106-05

作者簡介：崔崗(1956-)，男，副研究員，研究方向為機械設計及其自動化。

收稿日期：2016-02-01

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.020