弹簧隔振技术在废钢破碎机设计中的应用

崔岗，刘世萱，柴辉

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266001)



弹簧隔振技术在废钢破碎机设计中的应用

崔岗，刘世萱，柴辉

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266001)

摘要：针对废钢破碎机存在的振动过大的问题，本文应用弹簧阻尼隔振技术进行隔振。根据隔振理论，采用弹簧阻尼隔振器，设计调谐比为3.74，阻尼比约为0.1，使破碎机传到主控室以及地基的振动速度的最大值由4.83 mm/s降至1.82 mm/s。两年的实际运转表明，该设计保证了操作工人的身体健康，提高了设备以及附属建筑结构的安全性，隔振效率比原设计提高30%以上，具有广阔的市场前景。

关键词：机械振动；共振； 隔振； 固有频率

废钢破碎机是一种用来生产废钢破碎料的破碎机器，主要用于报废小汽车、报废家电及轻薄废钢等废金属资源的有效回收利用，可大大减少对自然矿物资源的开采耗用，达到减少土地占用、降低社会总能耗、节约投资和保护生态环境的目的。我国在2012年的废钢循环利用率为19．9%，远低于世界平均水平的48．3%。废钢破碎机在废钢资源循环利用工程中起着至关重要的作用，具有很好的应用发展前景[1]。

但是，废钢破碎机在生产中存在振动太大的问题。目前，国外已有德国美卓林德曼公司以及美国纽维尔等公司将弹簧隔振技术应用于废钢破碎机，国内未见过相关文献。在废钢破碎机行业，国内该技术仍处于空白。本文将弹簧隔振技术成功应用于废钢破碎机的设计。

某公司一台电机功率900 kW额定转速约595 r/min(10极电机)的废钢破碎机在进行试车时，发现设备振动很大。操作工人在控制室操作设备，无法坚持1 h正常工作，对操作工人的身心健康造成很大的影响，对破碎机设备以及附属建筑结构的安全性也构成了威胁。该设备的隔振原设计为橡胶隔振器系统，为此，我们对该废钢破碎机重新进行了隔振系统的设计，采用弹簧阻尼隔振器，设计了合理的调谐比以及阻尼比，大大降低了废钢破碎机传到主控室以及地基的振动速度。

1设计原理

在回转机械一类设备中，当存在一个干扰力时，若其主干扰力F的圆频率为ω(ω=2πf；f：主干扰力频率)，则其稳态振动运动方程可以表示为[2]：

m(dx/dt)2+c(dx/dt)+kx=Fsin(ωt)，

(1)

式中，m为系统质量；x为系统位移响应；c为系统结构阻尼；k为系统结构刚度。

当系统阻尼比较小时，其隔振效率计算式可以简化为：

(2)

式中，η为隔振效率；λ为调谐比(λ=f/f0)(f0:隔振系统固有频率)；ζ为系统阻尼比(ζ=C/C0)(C0:系统临界阻尼系数)。

由振动理论推出的隔振效率计算式与隔振工程实际经验可知：一方面，隔振系统的固有频率f0必须满足f/f0≥2.5；另一方面，阻尼的设计必须选得合理。阻尼系数过小，易引起较大的共振振幅；阻尼系数过大，则使得隔振效率大幅下降，影响隔振效果。按工程实际经验，对于回转类机械，阻尼比一般取值范围为0.08～0.15。

2关键技术及主要技术参数

2.1关键技术

由上述理论分析得知，由于橡胶隔振器的固有频率f0较高[3-4](一般在5 Hz以上)，因此若在该设备中使用橡胶隔振器，其电机干扰频率(主干扰力的频率；约为9.92 Hz)与系统固有频率的比值λ小于2.5，达不到隔振理论以及隔振工程实际经验的要求，故其隔振系统的隔振效率很低，达不到国家标准GB11347-89[5]的B级要求。

为此，重新设计了隔振系统并考虑了两种方案。一种是采用空气弹簧隔振器；另一种是采用弹簧阻尼隔振器。经过论证认为，采用空气弹簧隔振器，技术上是可行的，但是成本太高；而弹簧阻尼隔振器成本较低并能满足技术要求。按照论证的方案，重新进行了隔振系统的设计。将隔振器改为弹簧阻尼隔振器，并利用软件分析重新进行了隔振器的布置设计[6]。再经过制定严格的施工方案(该设备重80多吨)，将新设计的隔振系统安装于设备的底部，替换出原有的隔振系统，并经过了严格的检测与实际运转考验。

2.2主要技术参数设计

根据振动理论以及振动工程实际经验，确定按以下参数设计隔振系统[7]：

(1)系统固有频率：约为2.65 Hz；

(2)调谐比：2.5≤λ<5；

(3)阻尼比：ζ约为0.1；

(4)垂向隔振效率：η≥90%；

(5)设备正常工作时，联轴器与破碎机主机的相对位移峰-峰值A1≤1.5 mm；破碎机整体振动位移峰-峰值A2≤2 mm；

(6)隔振系统的竖向刚度中心与隔振体系的质心在同一个垂面上，以避免产生耦合振动。

调谐比λ取值要合理，太大会造成隔振系统成本太高，工程上绝大多数取值不超过5[8-9]，本设计取值为λ=3.74。阻尼比取值也应在合理范围内，按照理论以及工程实际经验，本设计阻尼比ζ取值为0.1[10]。

3改进前后实测数据对比

图1为破碎机系统及振动测试点位置示意图。测试点所测物理量为竖直方向的振动速度，测试采用德国西门子公司的ZEBVM-7D振动测试仪。每个测试点根据振动烈度现场测量与评定国家标准GB11347-89进行处理后得出，并且每个测试点测量3次。

图1　破碎机系统及测试点示意图Fig.1　Illustration of the crusher system and test points

安装完成后，开始试车破碎废钢板，会同青岛市质量监督局委托的振动测试有关部门进行了前后两次不同时间严格的测试(系统改进前测量了1次，3次测量结果见表1～3)。表1为系统改进后各测试点的测量值(前后3次测试点位置基本相同)。

表1　隔振系统改进后的测试数据

表2为原系统改进前测得的振动速度。从表2数据不难看出，其振动速度值太大，达不到国家标准GB11347-89 B级的要求(最大值为4.83 mm/s)；而原系统改进后，表1中测试数据有了很大的改善(最大值仅为1.82 mm/s)，其振动速度值符合国家标准GB11347-89的A级要求。

表2　隔振系统改进前的测试数据

经过测试合格后，即投入正常使用。在使用三个多月后，会同有关部门又进行了严格的测试。测试数据详见表3。

表3　隔振系统改进后运行3个月的测试数据

从表1和表3中不难看出，所有测试点均符合国家标准GB11347-89 A级的要求，保证了设备的正常使用。

重新设计并安装新的隔振系统后，操作工人反应很好。在控制室一天操作8 h没有任何问题。因此，工人的身心健康得到切实的保障，也确保了破碎机设备以及附属建筑结构的安全性。该设备到目前为止已经运行两年多，运行情况良好，一直未出现问题。

4结论

设计废钢破碎机隔振系统时，一定要注意针对不同隔振对象的技术参数，采取不同的隔振设备。由于本破碎机的主干扰力频率较低，采用橡胶隔振器是不合适的;采用空气弹簧隔振器虽能达到技术性能的要求，但是成本太高，既能达到技术要求又节约成本的方案就是采用弹簧阻尼隔振器。采用新的隔振系统后，其隔振效率完全达到设计要求，符合国家标准GB11347-89 A级的要求，隔振效率达到90%以上，其效率比原来的隔振设计提高30%以上。该设计还有待于进一步地完善，目前阻尼的设计不尽合理(主要靠经验设计阻尼比)，今后应建立数学模型，进行阻尼比的优化设计。

参考文献:

[1]林加冲. 我国大型废钢加工设备生产使用概况[J].资源再生,2011,4(1):24-28.

[2]成大先.机械设计手册 [M]. 5版.北京:化学工业出版社,2008.

[3]陈荣,李屹. 橡胶弹簧减震器在破碎机隔振中的特性分析[J].装备制造技术,2011 (8):23-25

[4]魏松,徐明会，黄承. 一种橡胶隔振器的研制方法[J].材料开发与应用,2014 (2):11-16.

[5]机械电子工业部，全国机械振动与冲击标准化技术委员会.GB11347-89大型旋转机械振动烈度现场测量与评定[S].1989.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国质量监督检验检疫总局. GB50463-2008 隔振设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社,2009.

[7]张世勇. 破碎机基础隔振设计与分析[J/OL].城市建设理论研究(电子版),2013(31).http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%28bc02256412fe0a88742a2a37cccc4629%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fwenku.baidu.com%2Fview%2F869a32c2daef5ef7ba0d3cbf&ie=utf-8.

[8]胡晓龙,吕丹. 废钢破碎机振动分析与解决[J].机械工程师，2014 (2): 242.

[9]王欣,章方军，王玥. 多层工业厂房中如何避免共振危害简述[J].中国科技信息,2011 (16):64-65.

[10]杨军.液压阻尼型隔振平台在碎煤机隔振中的应用[J].机械,2011 (3):31-34.

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

中图分类号：TH17

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)02-0106-05

作者简介：崔岗(1956-)，男，副研究员，研究方向为机械设计及其自动化。

收稿日期：2016-02-01

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.020