钢结构通廊振动故障诊断与治理方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种钢结构通廊振动故障诊断与治理方法，适用于工业建构筑物中钢结构通廊的振动故障分析、诊断和治理，属于工业建筑诊治技术领域。
背景技术
[0002] 钢结构通廊承担物料运输功能，是电
力、
煤炭、
冶金、石化等生产企业中重要的建构筑物。
[0003] 近几年来，工矿企业竞争日趋激烈，我国带式
输送机朝着长距离、高带速、大运量、大功率方向发展，扩容、改造的步伐加快，对建设速度的要求越来越高，而钢结构以其自重轻、施工速度快、受季节影响小的特点，被广泛采用。但是钢结构通廊
质量轻、
刚度较小，在动力荷载作用下容易发生振动故障。这些振动不仅影响舒适度，损害人体健康，严重时还会对设备及结构安全造成影响。
[0004] 然而，由于钢结构通廊振动问题的复杂性、多样性，技术人员只能就具体问题进行分析，缺少科学快捷的诊治方法，经常因分析不到位、不准确，而得出错误的诊断结论，不能有效解决振动问题。
[0005] 因此，提供一种简便、系统、快捷、经济等优点，能够快速、准确、有效的解决钢结构通廊振动故障诊断与治理方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种科学、系统、快捷、通用的钢结构通廊振动故障诊断与治理方法，提高诊断结论的准确性和振动治理的有效性。
[0007] 本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
[0008] 一种钢结构通廊振动故障诊断与治理方法，其步骤如下：
[0009] (1)振源的查找
[0010] 找出振源，引起钢结构通廊振动振源主要包括：转动的托辊、皮带上物料运动、通廊端部或转运站内部的动力设备；
[0012] 包括：1)转动托辊激振频率：托辊转动产生偏心激振力，其激振频率为托辊的转动频率；2)物料运动激振频率：物料不均匀对通廊产生周期性冲击作用；3)通廊端部或转运站内部的动力设备运行时产生的偏心激振力，其激振频率与转动频率一致；
[0013] (3)对钢结构通廊进行结构动力特性和动力响应测试
[0014] 结构动力特性测试；测试时，关闭所有振动设备，在大地脉动或
风脉动作用下，利用速度
传感器或
加速度传感器进行模态测试，测得通廊前3阶竖向弯曲振型，前2阶
水平向弯曲振型，得到各阶模态频率、模态阻尼比；
[0015] 动力响应测试；测点主要布置在振动故障部位；测试工况包括：设备开机过程、正常运行过程、停机过程、单台设备运行过程、多台设备运行过程等；得到：测点的振动加速度、振动速度或振动位移，然后进行
频谱分析，得到测点的振动频域图，分析受迫振动的频率成分；
[0016] (4)对钢结构通廊结构现状、设备现状进行调查和检查
[0017] 调查和检查内容包括：1)结构布置、结构体系、结构构件尺寸复核；2)结构
缺陷、损伤和
腐蚀检查；3)皮带、托辊等设备故障及老化程度检查；
[0018] (5)故障分类
[0019] 根据步骤(3)的结构动力特性和动力响应测试结果和步骤(4)的结构现状、设备现状调查和检查结果，对钢结构通廊进行振动故障排查和诊断，将钢结构通廊振动故障归为三类；
[0020] I类故障：通过步骤(1)和(2)，得到的所有振源的激振频率，记作fei(i＝1,2,3……)，通过步骤(3)测得的各阶模态频率(即：通过实测得到的结构自振频率)记作fj(j＝
1,2,3……)，若存在0.75＜fei/fj＜1.25的情况，则共振是导致通廊振动故障的主要原因，记作I类故障；
[0021] II类故障：通过步骤(4)，若发现钢结构通廊结构存在明显缺陷或损伤，自身动力特性改变，是导致振动故障的主要原因，记作II类故障；
[0022] III类故障：通过步骤(4)，若发现设备故障或设备老化，导致振源特性改变或动力荷载增大，成为通廊振动故障的主要原因，记作III类故障；
[0023] (6)钢结构通廊振动故障治理
[0024] 根据三类故障，提出对应的七种治理方案。
[0025] 优选地，所述步骤(1)中所述动力设备包括：如
电机、减速机、输送机、牵引滚筒或转向滚筒。
[0026] 优选地，所述步骤(2)中所述托辊的转动频率为：若托辊直径为d，皮带运行速度为v，则托辊的偏心激振力频率为
[0027] 优选地，所述步骤(2)中所述物料运动激振频率为：假设托辊间距为s，则物料不均匀引起的激振频率为
[0028] 优选地，所述步骤(2)中所述动力设备包括电机、减速机、输送机、牵引滚筒或转向滚筒。
[0029] 优选地，所述步骤(3)中所述振动故障部位包括设备台座、梁跨中、板跨中和柱顶等部位。
[0030] 优选地，所述步骤(5)中所述结构存在明显缺陷或损伤是指：节
点焊缝开裂、
节点螺栓松动或杆件严重锈蚀等。
[0031] 优选地，所述步骤(5)中所述设备故障或设备老化是指：皮带通廊托辊
支架发生明显锈蚀、螺栓松动或脱落、托辊辊轴老化或润滑作用不足、部分托辊缺失、承载托辊与皮带脱离、减速机与转动滚筒之间
传动轴老化或润滑作用不足造成运行时异响等。
[0032] 优选地，所述步骤(6)中所述七种治理方案具体如下：
[0033] 方案1：若发现钢结构通廊只存在I类故障，则采用方案1解决，方法如下：
[0034] (1)首先从振源
角度出发，改变托辊的间距或皮带运行速度，避开共振；
[0035] (2)若无法改变振源，则从结构本身考虑，根据频率响应函数公式：
[0036]
[0037] 一方面考虑增大结构刚度来减少结构振动响应；另一方面，通过提高结构阻尼比来减小结构振动；
[0038] (3)从隔振、吸振角度考虑：在动力设备台坐下设置
橡胶支座或
弹簧支座，耗能隔振；或在通廊适当
位置安装TMD(
调谐质量阻尼器)和/或TLD(调谐液体阻尼器)；
[0039] 方案2：若发现钢结构通廊只存在II类故障，则采用方案2解决，方法如下：采用结构加固与修复技术，将结构缺陷或损伤修复；
[0040] 方案3：若发现钢结构通廊只存在III类故障，则采用方案3解决，方法如下：对皮带机牵引设备、皮带进行检查、维修、保养，或者进行零部件更换；
[0041] 方案4：若发现钢结构通廊同时存在I类和II类故障，则采用方案4解决，方法如下：第一步，先执行方案2，若故障解决，则治理工作完成；第二步，若故障未解决，再执行方案1；
[0042] 方案5：若发现钢结构通廊同时存在I类和III类故障，则采用方案5解决，方法如下：第一步，先执行方案3，若故障解决，则治理工作完成；第二步，若故障未解决，再执行方案1；
[0043] 方案6：若发现钢结构通廊同时存在II类和III类故障，则采用方案6解决，方法如下：第一步，先执行方案3，若故障解决，是否需要执行方案2，应根据有资质的结构鉴定单位出具的安全性鉴定报告而定(若鉴定结论为：通廊符合国家现行标准规范的安全性要求，可不执行方案2；若鉴定结论为：通廊不符合国家现行标准规范的安全性要求，则必须执行方案2)；第二步，若故障未解决，则执行方案2；
[0044] 方案7：若发现钢结构通廊同时存在I类、II类及III类故障，则采用方案7解决，方法如下：第一步，先执行方案3，若故障解决，则无需执行方案1，是否需要执行方案2，应根据有资质的结构鉴定单位出具的安全性鉴定报告而定((若鉴定结论为：通廊符合国家现行标准规范的安全性要求，可不执行方案2；若鉴定结论为：通廊不符合国家现行标准规范的安全性要求，则必须执行方案2)；第二步，若故障未解决，则必须执行方案2，若故障解决，则治理工作完成；第三步，若故障仍未解决，则执行方案1。
[0045] 优选地，所述方案1中，所述增大结构刚度包括：增大构件截面、设置
支撑或剪力墙等。
[0046] 优选地，所述方案1中，所述通过提高结构阻尼比来减小结构振动的具体措施是：在结构相应位置设置阻尼器进行消能减振。
[0047] 优选地，所述方案3中，所述皮带机牵引设备包括：电机、减速机和输送机滚筒。
[0048] 有益效果：
[0049] 本发明钢结构通廊振动故障诊断与治理方法从振源、动力荷载、结构动力特性、结构动力响应等角度出发，给出科学、系统、快捷、通用的钢结构通廊振动故障诊治方法，提高诊断结论的准确性和振动治理的有效性。
[0050] 本发明钢结构通廊振动故障诊断与治理方法的最大优点是：考虑因素全面、故障诊断的正确率高、故障治理的成功率高，同时具有简便、系统、快捷、经济等优点，能够快速、准确、有效的解决钢结构通廊振动故障。
[0051] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合
附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明，所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
附图说明
[0052] 图1为本发明钢结构通廊振动故障诊断与治理方法的
流程图。
具体实施方式
[0053] 如图1所示，为本发明钢结构通廊振动故障诊断与治理方法的流程图；本发明钢结构通廊振动故障诊断与治理方法，包括以下步骤：
[0054] 步骤101：找出所有可能的振源；引起钢结构通廊振动振源主要包括：转动托辊、皮带上运动的物料、通廊端部或转运站内部的动力设备如电机、减速机、输送机、牵引滚筒、转向滚筒等；
[0055] 步骤102：确定所有振源的激振频率；
[0056] 转动托辊激振频率：托辊转动产生偏心激振力，其激振频率为托辊的转动频率；若托辊直径为d，皮带运行速度为v，则托辊的偏心激振力频率为
[0057] 物料运动激振频率：物料不均匀对通廊产生周期性冲击作用，假设托辊间距为s，则物料不均匀引起的激振频率为
[0058] 通廊端部或转运站内部的动力设备如电机、减速机、输送机、牵引滚筒、转向滚筒等，设备运行时产生偏心激振力，其激振频率与转动频率一致；
[0059] 步骤103：对钢结构通廊进行动力特性和动力响应测试；得到结构自振频率、阻尼比、振型；得到测点的振动加速度、振动速度或振动位移，进行频谱分析得到测点的振动频域图；
[0060] 结构动力特性测试：测试时，关闭所有振动设备，在大地脉动或风脉动作用下，利用速度传感器或加速度传感器进行模态测试，测得通廊前3阶竖向弯曲振型，前2阶水平向弯曲振型，得到各阶模态频率、模态阻尼比，得到：结构自振频率、阻尼比、振型；
[0061] 动力响应测试：测点主要布置在振动故障部位，如设备台座、梁跨中、板跨中、柱顶等部位；测试工况包括：设备开机过程、正常运行过程、停机过程、单台设备运行过程、多台设备运行过程等；得到：测点的振动加速度、振动速度或振动位移，进行频谱分析得到测点的振动频域图，分析受迫振动的频率成分；
[0062] 步骤104：对钢结构通廊结构现状、设备现状进行调查和检查；调查和检查内容包括：(1)结构布置、结构体系、结构构件尺寸复核；(2)结构缺陷、损伤和腐蚀检查；(3)皮带、托辊等设备故障及老化程度检查；
[0063] 步骤105：根据结构动力特性测试结果与结构现状检查结果(结构特性)，动力响应测试结果(输出)，振源特性及设备检查结果(输入)，对钢结构通廊进行全面、系统的振动故障诊断，找出振动故障的主要原因；并对故障进行分类；
[0064] 根据振动原因不同，可以划分为三类振动故障，具体见下表1：
[0065] 表1
[0066]振动故障类型 产生原因
I类故障 共振
II类故障 通廊结构存在缺陷或损伤
III类故障 皮带机、托辊、电机等设备故障或设备老化
[0067] 具体分析过程如下：
[0068] I类故障：通过步骤101、102得到的所有振源的激振频率，记作fei(i＝1,2,3……)，通过步骤103测得的各阶模态频率(即：通过实测得到的结构自振频率)记作fj(j＝1,2,3……)，若存在0.75＜fei/fj＜1.25的情况，则共振极有可能是导致通廊振动故障的主要原因；记作I类故障，I类故障产生的主要原因是“共振”；
[0069] II类故障：通过步骤104，若发现结构存在明显缺陷或损伤，如：节点
焊缝开裂，节点螺栓松动，杆件严重锈蚀等，则通廊结构刚度下降，自身动力特性改变，是导致振动故障的主要原因；记作II类故障，II类故障产生的主要原因是通廊结构存在缺陷或损伤；
[0070] III类故障：通过步骤104，若发现设备故障或设备老化，如：皮带通廊托辊支架发生明显锈蚀，螺栓松动或脱落；托辊辊轴老化或润滑作用不足，运行时发出异响；部分托辊缺失；承载托辊与皮带脱离，失去承载作用；减速机与转动滚筒之间传动轴老化或润滑作用不足造成运行时异响等；上述设备故障会导致振源特性改变或动力荷载增大，成为通廊振动故障的主要原因；记作III类故障，III类故障产生的主要原因是设备故障或设备老化；
[0071] 步骤106：根据三类故障组合方式的不同，提出七种治理方案，该七种治理方案见下表2，称之为钢结构通廊振动故障的“三七”诊治法；
[0072] 表2
[0073]
[0074] 具体实施过程如下：
[0075] 方案A：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊只存在I类故障，则采用方案A解决，方法如下：(1)首先从振源角度出发，改变托辊的间距或皮带运行速度，避开共振 ；(2)若无法改变振源，则从结构本身考虑，根据频响函数公式一方面考虑增大结构刚度来减少结构振动响应，比如
增大构件截面、设置支撑或是剪力墙等；另一方面，通过提高结构阻尼比来减小结构振动，如在结构相应位置设置阻尼器进行消能减振；(3)从隔振、吸振角度考虑：如在动力设备台坐下设置橡胶支座或弹簧支座，耗能隔振；或在通廊适当位置安装合适的TMD(调谐质量阻尼器)，TLD(调谐液体阻尼器)；
[0076] 方案B：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊只存在II类故障，则采用方案B解决，方法如下：采用结构加固与修复技术，将结构缺陷或损伤修复至满足国家相关标准、规范要求的状态；
[0077] 方案C：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊只存在III类故障，则采用方案C解决，方法如下：对皮带机牵引设备(如电机、减速机、输送机滚筒)、皮带进行检查、维修、保养或者零部件更换；
[0078] 方案D：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊同时存在I类及II类故障，则采用方案D解决，方法如下：第一步，先执行方案B，若故障解决，则诊治工作完成；第二步，若故障未解决，再执行方案A；
[0079] 方案E：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊同时存在I类及III类故障，则采用方案E解决，方法如下：第一步，先执行方案C，若故障解决，则诊治工作完成；第二步，若故障未解决，再执行方案A；
[0080] 方案F：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊同时存在II类及III类故障，则采用方案F解决，方法如下：第一步，先执行方案C，若故障解决，是否需要执行方案B，应根据有资质的结构鉴定单位出具的安全性鉴定报告而定(若鉴定结论为：通廊符合国家现行标准规范的安全性要求，可不执行方案2；若鉴定结论为：通廊不符合国家现行标准规范的安全性要求，则必须执行方案2)；第二步，若故障未解决，则必须执行方案B；
[0081] 方案G：通过步骤101-105的调查、测试、分析、诊断，若发现通廊同时存在I类、II类及III类故障，则采用方案G解决，方法如下：第一步，先执行方案C，若故障解决，则无需执行方案A，是否需要执行方案B，应根据有资质的结构鉴定单位出具的安全性鉴定报告而定(若鉴定结论为：通廊符合国家现行标准规范的安全性要求，可不执行方案2；若鉴定结论为：通廊不符合国家现行标准规范的安全性要求，则必须执行方案2)；第二步，若故障未解决，则执行方案B，若故障解决，则诊治工作完成；第三步，若故障仍未解决，则执行方案A。
[0082] 实施例1
[0083] 通廊甲：廊身结构形式为实腹式钢梁，钢梁与支架柱连接形式为铰接，钢梁跨度12米。竖向振动剧烈，振动最大幅值为30.2mm/s。
[0084] 按步骤101、102，找出所有振源，并确定振源激振频率。物料不均匀对通廊产生周期性冲击作用，通廊甲承载托辊间距为1m，托辊直径为194mm，物料运行速度为5.2m/s，则物料不均匀引起的激振频率fe1＝5.2/1＝5.2Hz；另一方面动力设备旋转，会对结构产生简谐激励，此通廊动力设备包括：电机(转动频率：fe2＝25Hz)，减速机(转动频率：fe3＝1.59Hz)，托辊(转动频率：fe4＝5.2/(0.194×3.14)＝8.5Hz)。
[0085] 按照步骤103，在通廊甲停止运行工况下，利用大地脉动侧得通廊甲廊身钢梁的前三阶竖向自振频率为5.12Hz、12.3Hz、18.8Hz，阻尼比为0.026；在通廊甲正常运行工况下，测得钢梁动力响应的最大振动速度为30.2mm/s，进行频谱分析得到测点的主要振动频率为5.2Hz。
[0086] 按照步骤104，对通廊甲结构现状、设备现状进行调查和检查；调查和检查内容包括：(1)结构布置、结构体系、结构构件尺寸复核；(2)结构缺陷、损伤和腐蚀检查；(3)皮带、托辊等设备故障及老化程度检查。检查结果见表3：
[0087] 表3
[0088]
[0089] 按照步骤105，对通廊甲进行全面、系统的振动故障诊断，找出振动故障的主要原因。诊断过程如下：
[0090] 物料不均匀引起的激振频率fe1＝5.2Hz，实测钢梁自振频率f1＝5.12Hz，0.75＜fe1/f1＝1.016＜1.25，而通廊甲结构现状、设备现状良好，排除II类及III类故障，通廊甲只存在I类故障。
[0091] 按照步骤106，采用“三七”诊治法，对通廊甲振动故障进行治理，通廊甲只存在I类故障，采用方案A进行治理，治理方法如下：在钢梁下部增设钢圆管支撑，通廊甲一阶竖向弯曲自振频率由5.12Hz变为11.8Hz，增加支撑后钢梁最大振动速度值由原来的30.2mm/s减小为7.6mm/s，减振率为75％，故障解决。
[0092] 实施例2
[0093] 通廊乙：廊身结构形式为实腹式钢梁，钢梁与支架柱连接形式为刚接，钢梁跨度9米。竖向振动剧烈，振动最大幅值为25.6mm/s。
[0094] 按步骤101、102，找出所有振源，并确定振源激振频率。物料不均匀对通廊产生周期性冲击作用，通廊乙承载托辊间距为0.8m，托辊直径为194mm，物料运行速度为4.8m/s，则物料不均匀引起的激振频率fe1＝4.8/0.8＝6.0Hz；另一方面动力设备旋转，会对结构产生简谐激励，此通廊动力设备包括：电机(转动频率：fe2＝25Hz)，减速机(转动频率：fe3＝1.59Hz)，托辊(转动频率：fe4＝4.8/(0.194×3.14)＝7.88Hz)。
[0095] 按照步骤103，在通廊乙停止运行工况下，利用大地脉动侧得通廊乙廊身钢梁的前三阶竖向自振频率为6.5Hz、10.2Hz、14.5Hz，阻尼比为0.029；在通廊乙正常运行工况下，测得钢梁动力响应的最大振动速度为25.6mm/s，进行频谱分析得到测点的主要振动频率为6.0Hz。
[0096] 按照步骤104，对通廊乙结构现状、设备现状进行调查和检查；调查和检查内容包括：(1)结构布置、结构体系、结构构件尺寸复核；(2)结构缺陷、损伤和腐蚀检查；(3)皮带、托辊等设备故障及老化程度检查。检查结果见下表4：
[0097] 表4
[0098]
[0099] 按照步骤105，对通廊乙进行全面、系统的振动故障诊断，找出振动故障的主要原因。诊断过程如下：
[0100] 物料不均匀引起的激振频率fe1＝6.0Hz，实测钢梁自振频率f1＝6.5Hz，0.75＜fe1/f1＝0.92＜1.25，通廊乙钢梁与支架柱连接的高强螺栓普通松动，但设备现状良好，排除III类故障，通廊乙同时存在I类、II类故障。
[0101] 按照步骤106，采用“三七”诊治法，对通廊乙振动故障进行治理，通廊乙同时存在I类、II类故障，采用方案D进行治理，治理方法如下：第一步，先执行方案B，此实施例采用的方法为更换梁柱连接处松动的高强螺栓，更换高强螺栓后，通廊乙一阶竖向弯曲自振频率由6.5Hz变为11.3Hz，最大振动速度值由原来的25.6mm/s减小为5.8mm/s，减振率为78％，故障解决。无需执行方案A。
[0102] 实施例3
[0103] 通廊丙：廊身结构形式为实腹式钢梁，钢梁与支架柱连接形式为刚接，钢梁跨度10米。竖向振动剧烈，振动最大幅值为34.5mm/s。
[0104] 按步骤101、102，找出所有振源，并确定振源激振频率。物料不均匀对通廊产生周期性冲击作用，通廊丙承载托辊间距为1.0m，托辊直径为180mm，物料运行速度为4.0m/s，则物料不均匀引起的激振频率fe1＝4.0/1.0＝4.0Hz；另一方面动力设备旋转，会对结构产生简谐激励，此通廊动力设备包括：电机(转动频率：fe2＝25Hz)，减速机(转动频率：fe3＝1.59Hz)，托辊(转动频率：fe4＝4.0/(0.18×3.14)＝7.0Hz)。
[0105] 按照步骤103，在通廊丙停止运行工况下，利用大地脉动侧得通廊丙廊身钢梁的前三阶竖向自振频率为6.2Hz、9.8Hz、12.7Hz，阻尼比为0.027；在通廊丙正常运行工况下，测得钢梁动力响应的最大振动速度为34.5mm/s，进行频谱分析得到测点的主要振动频率为4.0Hz和7.0Hz。
[0106] 按照步骤104，对通廊丙结构现状、设备现状进行调查和检查；调查和检查内容包括：(1)结构布置、结构体系、结构构件尺寸复核；(2)结构缺陷、损伤和腐蚀检查；(3)皮带、托辊等设备故障及老化程度检查。检查结果见下表5：
[0107] 表5
[0108]
[0109] 按照步骤105，对通廊丙进行全面、系统的振动故障诊断，找出振动故障的主要原因。诊断过程如下：
[0110] 托辊转动激振频率fe4＝7.0Hz，实测通廊丙一阶竖向弯曲自振频率f1＝6.2Hz，0.75＜fe4/f4＝1.13＜1.25，通廊丙钢梁与支架柱连接的高强螺栓普通松动且焊脚尺寸不足；部分承载托辊与皮带脱离，失去承载功能，皮带老化；说明通廊丙同时存在I类、II类、III类故障。
[0111] 按照步骤106，采用“三七”诊治法，对通廊丙振动故障进行治理，通廊丙同时存在I类、II类、III类故障，采用方案G进行治理，治理方法如下：第一步，先执行方案C，本实施例采用的方法为更换皮带并将失去承载功能的托辊复位，通廊最大振动速度值由原来的34.5mm/s减小为28.6mm/s，减振效果不明显，故障未解决。第二步，执行方案B，本实施例采用的方法为更换梁柱连接处松动的高强螺栓，采取补焊措施，使焊脚尺寸满足设计要求；处理之后，通廊丙一阶竖向弯曲自振频率由6.2Hz变为10.9Hz，最大振动速度值减小为6.4mm/s，故障解决。无需执行方案A。
[0112] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在阅读了本发明的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做各种改动和
修改，这些等价形式同样落于本
申请所要求保护的范围。
