篩分設施工程振動控制措施研究

王 強 閆 俊 羅福盛

(1.中冶賽迪上海工程技術有限公司，上海 200490； 2.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，鋼鐵冶金領域的大規模建設，工程振動問題愈來愈引起工程人員的關注。在大型鋼鐵企業原料系統中，篩分設施承擔著全廠原(燃)料加工功能，主要有破碎機、振動篩等大型工藝設備，若工程振動控制措施不當，設備振動會引起局部樓板振動或整體房屋有明顯變形，影響設備的正常運轉，對此種環境中長期工作的人員身心健康造成影響。近年來我國各行業工程技術人員對多層廠振動控制進行了樓蓋振動、多層廠房整體振動分析理論、動力設備擾力、動力設備儀表振動容許值等方面做了大量研究，對工程振動荷載、樓板微振動設計方面取得了不少成果，形成了《多層廠房樓蓋抗微振設計規范》《建筑工程振動容許標準》《工業建筑振動荷載規范》等標準。對于設置有振動篩等振動荷載較大的工程結構振動控制設計標準涉及較少，本文通過對工程振動控制標準的研究，結合近年來在鋼鐵企業原料系統建設中工程實踐，給出了此類工程結構振動控制技術措施。

1 篩分設施振動控制的標準

對篩分設施工程振動的控制標準主要從其對環境產生的影響來著手，如：建(構)筑物的安全、設備正常運行和人員職業健康三方面。

1.1 建(構)筑物的安全性

經調查大型振動篩引起的建(構)筑物振動在原料系統建設中較為突出，目前原料系統的大型振動篩振動頻率在11.8 Hz～15 Hz，振幅在4 mm～6 mm，散料處理能力在180 t/h～1 900 t/h[1-3]。建(構)筑物受迫振動影響大小主要與振源的幅頻特性、振源至建筑物的距離和振動傳播介質的特性、建(構)筑物的結構特性等多種因素有關。大量的研究表明，在一定的振動頻率下，建(構)筑物的損傷與結構的質點峰值速度有密切的關系，主要以控制振動速度和線位移為主。文獻[4]提到國際標準化組織ISO對于建筑物結構的振動速度為10 mm/s有可能主體結構受到損壞。日本煙中元弘[4]歸納的建筑物振動允許限值:設備和設備基礎振動位移小于0.406 mm，輕微損壞振動速度10 mm/s，安全振動的加速度1 m/s2。文獻[5]中交通振動對建筑結構影響容許值[5]：頂層樓面處容許振動速度峰值在時域1 Hz～100 Hz時為10 mm/s。

1.2 設備運行對振動控制的要求

設備運行過程中，如果振動過大會導致設備無法正常工作，降低設備的使用壽命。隨著我國科技人員對工業廠房振動控制技術的研究，結合工程實踐對工程振動控制設計理論不斷深入。文獻[5][6]中給出不同類型振動篩對基礎的水平及豎向容許振動速度限值：在其時域范圍內的水平及豎向容許振動速度峰值取10 mm/s。文獻[6]給出不同設備對應不同容許豎向振幅，對于支撐振動篩的結構允許振幅在108.5 μm～136.7 μm；同時指出計算結構振幅和動內力時，應使機器的頻率從其基頻的70%～130%范圍內變動，以尋求最大振幅和內力[6]。

1.3 人員職業健康對振動控制的要求

振動影響人們的工作和生活，長期工作和生活在嚴重振動環境的人易患振動職業病。振動對人體影響的主要因素：振動頻率、振動強度、振動方向、暴露時間等。人體能感知的振動頻率范圍一般為1 Hz～1 000 Hz，由于人體各種器官的共振頻率多在1 Hz～80 Hz，故人體對于此頻段特別敏感，文獻[7]研究表明：人體對豎向振動的敏感頻段是4 Hz～8 Hz，水平振動的敏感頻段是1 Hz～2 Hz[7]。國內外對于人在振動環境中的舒適度做了大量的研究，目前主要基于振動速度峰值、峰值加速度和暴露時間。按照文獻[5][6]考慮到操作區人員職業健康要求，結合目前原料系統以自動化控制為主的現狀，在設備操作區域的工作人員較少，生產區操作人員的活動主要以站姿為主，受到振動影響時是通過樓面傳遞給人體的，故操作人員對豎向振動一般比較敏感。按人員暴露時間1 h～2 h考慮，豎向容許振動速度峰值9.6 mm/s，豎向振動舒適性降低的界限容許加速度值0.41 m/s2～0.52 m/s2。水平振動容許振動速度峰值和加速度值較大，設備振動頻率遠離人體敏感頻段故不做討論。

通過上述從建(構)筑物的安全、設備運行和人員的職業健康等方面對工程振動控制的要求討論，結合原料篩分系統設備特點和人員工作習慣，可以得到此類工程振動控制的關鍵因素主要是：結構自振頻率與機器頻率比值、豎向振動速度、豎向振動加速度和豎向振幅(位移)。為避免工程共振產生，建議對于低頻振動的篩分設備其支撐結構的基頻高于設備振動頻率的25%。從工程結構安全、設備運行和人員職業健康等方面考慮，控制豎向振動速度小于10 mm/s,豎向振動加速度一般在0.41 m/s2～0.52 m/s2。從設備正常運行的要求方面水平構件的豎向振幅(位移)一般在108.5 μm～136.7 μm以內。

2 工程實例

某鋼廠破碎篩分系統整合改造工程礦石篩分室振動篩設備平臺采用混凝土框架結構，為了避免設備振動對廠房結構的影響，將振動篩設備平臺與篩分室脫開設計。振動篩設備平臺為5個柱間4個跨距，振動篩所處柱網尺寸6 m×7.15 m，5 m×8.5 m，7.5 m×5.5 m，6.9 m×5.5 m，主要樓層標高為3.65 m，4.35 m，4.65 m，8.9 m，9.4 m。標高8.9 m處設置K181SC，K108SC，K168SC三臺圓振動篩，標高9.4 m處設置K121SC一臺圓振動篩(見圖1)。K108SC，K168SC圓振動篩處理能力為1 200 t/h，K181SC，K121SC圓振動篩處理能力為12 000 t/h。振動篩均為雙振幅11 mm，振動頻率均為12.33 Hz。

單臺振動篩位4點支撐，每個支點設置4組彈簧，振動荷載見設備廠家提供的表1。

表1 振動荷載一覽表 kN

采用Midas三維有限元分析軟件對礦石篩分室設備平臺進行整體分析。因混凝土平臺已經建成，研究不同結構改造方案對振動控制的效果。整體分析在設備平臺上施加設備擾力時程荷載(見圖2)，不考慮不同振動篩運行的相位差。本例中振動控制標準：樓面梁的基頻高于振動篩設備頻率的25%，控制豎向振動速度小于9.9 mm/s,豎向振動加速度小于0.43 m/s2，梁的豎向振幅(位移)在128 μm以內。選擇接近梁跨中，水平和豎向剛度相對較小的節點，因其響應較大，選用397計算點，通過調整梁、柱截面、樓板厚度和增加鋼支撐等結構方案對振動控制的效果的影響。計算模型及計算點見圖3。

2.1 柱截面確定不同板厚對工程振動的影響

從圖4～圖6中可以看出，樓板厚度從110 mm～150 mm 變化對于結構受迫振動影響：振動速度最小為3.69 mm/s，變化率1.41%～13.18%；振動加速度最小0.27 m/s2，變化率2.01%～8.39%；位移最小0.20 mm，變化率2.59%～15.52%。振動速度和振動加速度可以得到有效控制，位移偏大。

2.2 板厚確定不同柱截面對振動的影響

從圖7～圖9中可以看出，柱截面從400 mm～800 mm 變化對于結構受迫振動影響：振動速度最小為3.56 mm/s，變化率3.83%～8.95%；振動加速度最小0.26 m/s2，變化率4.67%～13.3%；位移最小為0.232 mm，變化率25.29%～69.59%。振動速度和振動加速度可以滿足要求，但位移偏大。柱截面大于600 mm以后，位移變化率不大。

2.3 板厚和柱截面確定加鋼支撐對結構的影響

從圖10～圖12中可以看出，在支撐梁下增設鋼支撐對于結構受迫振動影響：振動速度最小0.60 mm/s，變化率55%～286%；振動加速度最小0.05 m/s2，變化率58%～295%；位移最小僅為0.01 mm，變化率36.67%～74%。振動速度、振動加速度和位移很小可以滿足要求。

由2.1節～2.3節的討論可以得出以下結論：

1)改變板厚和柱截面尺寸對于結構受迫振動的振動速度變化率8.95%～13.18%，振動加速度變化率8.39%～13.3%，而在設備支撐梁下增加鋼支撐上述參數的變化率286%～295%。在設備支撐梁下增設鋼支撐對于改變結構受迫振動影響明顯；

2)盡管在設備支撐梁下增設鋼支撐對于位移的變化率影響與另外兩種方法相當，但其絕對位移較小可以滿足要求。

2.4 結構自振頻率的控制

本項目振動篩均為雙振幅11 mm，振動篩自振頻率均為12.33 Hz，振動篩下支撐梁的跨高比在1/7.2～1/9.4，結構自振頻率在7.93 Hz～14.9 Hz，結構自振頻率低于或接近振動篩自振頻率。采用SAP2000對設備支撐梁進行單獨分析，改變樓板厚度和改變框架柱截面對于改變設備支撐梁的自振頻率不明顯。在設備支撐梁下增設鋼支撐可以明顯提高結構的自振頻率22.1 Hz～28.7 Hz，遠避開了振動篩的自振周期25%以上。

2.5 加固改造方案

因本工程混凝土設備平臺大部分已經建成，采用在設備支撐梁下增加鋼支撐和在設備區域局部加厚樓板實施比較容易。為避免加固改造方案對原有結構造成影響，對框架柱采用外包型鋼法進行加固(見圖13)。為保證節點充分受力采用節點板進行過渡，埋件與原有混凝土構件間二次灌漿(見圖14)。建成投產后設備運行正常，效果良好。

3 結語

近年來在原料系統的工程實踐來看，振動篩振動對生產區操作人員身心健康的影響主要以豎向振動為主，對于設置有大型振動篩的轉運站或平臺的振動控制可從動力計算、結構構造等方面入手。

1)控制結構自振頻率較為重要，振動篩等屬于低頻振動建議結構要有足夠的剛度其自振頻率大于設備振動頻率的25%；

2)通過動力分析，控制豎向振動速度、豎向振動加速度和豎向位移(振幅)滿足規范要求，新建工程支撐梁應有一定剛度，改造工程可采用在設備支撐梁下增設鋼斜撐的方式，以提高設備支撐梁的自振頻率；

3)設有振動篩的結構單元柱網不宜過大，一般控制在5 m～6 m；

4)樓板厚度不宜小于板跨度的1/18～1/12。采用了上述方法在部分鋼鐵企業篩分設施建設中已經實施，此類振動問題顯著降低。