图1 振动测试系统
谢明军1， 关伟2， 曾德军3
(1.榆林职业技术学院 矿业工程系， 陕西 榆林 719000； 2.中煤能源股份有限公司 鄂尔多斯分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000； 3.西安交通大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710049)
摘要：母杜柴登矿立井井塔在68.37 m楼层上安装有一套提升系统，当提升机组以13 m/s全速运转时，井塔第7层西区楼板的中部及第6层南区、北区楼板的中部楼板体系产生了较大的振动。针对上述问题，采用振动动态测试方法对提升机组、井塔不同位置的时域和频域信号进行了测量和分析，结果表明，井塔第6层、第7层楼板的自振频率非常接近提升机组电动机的固有振动频率(22.1 Hz)，需调整提升设备的动力系统或井塔的第6层、第7层楼板体系的刚度，避免提升机-井塔结构耦合体系发生共振；随着提升速度的增加，第6层、第7层楼板的振动烈度逐渐变大，需提高提升设备机座与基梁间的装配精度，降低楼板振动位移。
关键词：立井井塔； 提升机组； 提升机-井塔结构； 振动测试； 振动频率； 振动位移； 固有频率
伊化矿业资源有限责任公司母杜柴登矿立井井塔塔高为81 m，主立井井塔断面为20 m×28 m，设计楼层为10层，为方形框架式钢筋混凝土结构。立井井塔在68.37 m楼层上安装有1套提升系统，提升系统在运行过程中的振动通过梁、柱或墙体传播，使其支撑结构发生二次振动和噪声。当振动超过容许值时，会引起支撑结构产生裂缝、混凝土保护层剥落，甚至被损坏。提升机组的振动所产生的不平衡干扰力，也会引起其支撑结构的疲劳、应力集中，影响支撑结构的安全性和耐久性[1-2]。提升机组在提升速度为13 m/s(加速度为±0.7 m/s2)下全速(满载、半载、空载)运转过程中，井塔楼板第7层西区楼板的中部及第6层南区、北区楼板的中部楼板体系产生了较大的振动。为了控制振动的幅值，采用减速措施将导致矿井产量降低，经济效益下降。鉴此，本文采用振动测试方法对提升机-井塔结构耦合体系进行振动分析，为提升机-井塔结构耦合体系的减振改进提供数值依据。
提升机-井塔结构耦合体系大多存在振动过大问题，振源较多且难以确定。现通过振动动态测试手段采集时域和频域信号来测量提升设备和支撑结构的振动状况，并依据试验结果指导提升机-井塔结构耦合体系的减振改进[3-6]。
立井井塔提升系统及井塔振动测试系统由加速度传感器、电荷放大器、8通道信号采集箱DH5922、DASP-16信号采集箱和动态信号处理软件组成。加速度传感器拾取被测对象(提升机、井塔结构等)的振动信号，该信号经过电荷放大器滤波、放大和变换(速度、位移)后送入信号采集箱，然后再将该数字化振动信号传输到计算机，计算机利用动态信号软件进行示波、存储、分析与处理。振动测试系统框图如图1所示[7]。
图1 振动测试系统
为了研究提升系统在不同运转工况下的振动及井塔结构的振动响应,需对测试数据进行频谱分析，了解振动的频谱特性，掌握测试信号中所包含的频率成分，从而为查找振源提供依据[8-9]。根据实地勘察井塔的振动情况，制定如下测试方案：
(1) 分别测试提升主、副箕斗在满载、半载和空载情况下，提升速度为13 m/s时，电动机基座及轴承基座的振动情况。
(2) 分别测试提升主、副箕斗在满载、半载和空载情况下，提升速度为 13 m/s时，第6层、第7层楼板的振动情况。
2.1 电动机及轴承基座振动测试
电动机及轴承基座测点布置如图2所示，振动测试情况如图3所示。电动机及轴承基座在满载最危险工况下，振动测试及分析结果见表1。
图2 电动机及轴承基座测点布置
图3 轴承基座振动位移与频率的关系曲线
表1 电动机及轴承基座振动测试及分析结果(满载40 t)
从表1和图3可知，电动机基座及轴承基座各测点的振动频率均与电动机的固有振动频率接近，当其各测点的频率越接近电动机的固有振动频率(22.1 Hz)时，其测点处的振动位移就越大，引起其耦合结构体系发生共振。
2.2 楼板振动测试
第6层、第7层楼板的测点布置如图4所示，振动测试情况如图5所示。第6层、第7层楼板在满载最危险工况下，其振动测试及分析结果见表2。
图4 第6层、第7层楼板测点布置
图5 第6层南区楼板振动加速度功率谱密度曲线
表2 第6层、第7层楼板振动测试及分析结果(满载40 t)
从表2和图5可知，第6层、第7层楼板大部分测点的振动频率与电动机的固有振动频率接近，当其测点的频率越接近电动机的固有振动频率22.1 Hz时，其测点处的振动位移就越大，从而引起
其耦合结构发生共振。
(1) 从井塔振动的测量数值来看，2号电动机(井塔东侧电动机)的振动强度是1号电动机(井塔西侧电动机)振动强度的1.2倍。异常振动来自电动机的可能性最大。
(2) 从波形图来看，有振动幅值的波动，即时大时小，且大幅值的振动周期就是电动机的振动频率22.1 Hz接近该井塔第6层楼板、第7层楼板的振动频率(第6层南区为23 Hz，北区为24 Hz，第7层西区为24 Hz)。说明主要振动的能量均叠加在了电动机上，即电动机的振动引起了楼板体系更大幅度的振动(产生共振)[10-11]。
(3) 从频率数值来看，第6层楼板(南区、北区)、第7层楼板(西区)测点均有电动机振频的振动分量，且在振动总值中占有较大比例。说明由振源产生的振动被明显地传递到了第6层楼板(南区、北区)、第7层楼板(西区)各个测点上[12-13]。
采用振动测试方法对母杜柴登矿立井提升机-井塔结构耦合体系进行振动测试，分析得出如下结论：
(1) 目前母杜柴登矿立井提升机组的电动机固有振动频率与轴承基座振动频率及第6层、第7层楼板振动频率非常接近，甚至相同，需调整提升设备的动力系统，使其频率远离各楼板的固有频率，从而避免提升设备运行时，立井提升机-井塔结构耦合体系共振的发生。若不调整提升动力系统，则应对立井井塔的第6层、第7层楼板体系的刚度进行调整，从而使其振动频率远离电动机的固有振动频率，同样可以避免电动机运转时立井提升机-井塔结构耦合体系发生共振。
(2) 在整个测试过程中发现，随着提升运行速度的增加，第6层楼板(南区、北区)、第7层楼板(西区)的振动烈度逐渐变大，说明设备(电动机、轴承)机座与基梁间的装配精度存在偏差，若要降低楼板振动位移，还需考虑提高设备(电动机、轴承)机座与基梁间的装配精度。
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Vibration analysis of vertical shaft tower structures of Muduchaideng Coal Mine
XIE Mingjun1， GUAN Wei2， ZENG Dejun3
(1.Department of Mining Engineering， Yulin Vocational and Technical College， Yulin 719000, China；2.Erdos Branch, China Coal Energy Co., Ltd., Erdos 017000, China；3.School of Materials Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049, China)
Abstract：There is a hoisting system in 68.37 m floor of vertical shaft tower of Muduchaideng Coal Mine. When vertical shaft hoisters were in full speed of 13 m/s ,the middle floor structure of the seventh floor's west side and the sixth floor's north side and south side would occur an enormous vibration. In view of above problems, a vibration dynamic test method was used to measure and analyze time domain signal and frequency domain signal of different location of the hoister and the vertical shaft tower, the results show that the natural vibration frequency of the sixth and the seventh floor are close to the natural vibration frequency of the motor of hoisters which is 22.1 Hz，it should adjust power system of the hoister equipments or the stiffness of the sixth and the seventh floor system to avoid resonance of coupling system of hoister-tower strectures; with increasing of hoisting speed, vibration intensity of the sixth and the seventh floor are gradueully becoming bigger, it should improve assembly accuracy between base and base beam of the hoister equipments to reduce vibration displacement of the floors.
Key words：vertical shaft tower； hoisters； hoister-tower structures; vibration testing; vibration frequency； vibration displacement； natural frequency
文章编号：1671-251X(2017)06-0022-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.06.006
收稿日期：2016-11-25；
修回日期：2017-02-17；责任编辑：张强。
作者简介：谢明军(1982-)，男，陕西神木人，讲师，硕士，主要研究方向为机械故障诊断，E-mail：514425318@qq.com。
中图分类号：TD534
文献标志码：A 网络出版时间：2017-05-26 09:33
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170526.0933.006.html
谢明军，关伟，曾德军.母杜柴登矿立井井塔结构振动分析[J].工矿自动化，2017,43(6)：22-25.