振动理论在锅炉给煤机中的应用—为公司提供设计过程

1、振动理论在锅炉给煤机中的应用（初步讨论稿2009.04.15）摘要：介绍电厂煤仓新型疏松振动给煤机的设计理念、理论的计算方法、性能参数的测试；和行业中的双质体活化给煤机进行了定性比较，显示了新型疏松振动给煤机的强大优势。关键词：振动理论；锅炉给煤机；设计理念；理论的计算方法；性能参数的测试引言电厂燃煤锅炉的炉前都有一定大小的炉前煤仓，另外为了保证锅炉给煤的连续性，在煤场附近还要设置一定大小的储煤筒仓。无论是炉前煤仓还是集中的储煤筒仓，松散煤粒的仓底一般都设有称重运输皮带溜放煤粒的专用设施，例如分料斗、截门等。这些设施特别是大出口的设施，在溜放煤粒的时候有时会失控，使运输皮带承受不了过大的冲击。

2、然而对于较小出口的设施，尤其是在煤质水分大、粘度高的情况下，则会使仓内原煤出现结拱、堵塞的现象。北京派通电力设备有限公司研制的新型疏松振动给煤机，把煤仓传统的重力自溜放给煤变为强迫振动给煤，有效地疏松了煤仓底部的煤料，大大增强了煤仓内底部煤粒的流动性，彻底解决了煤仓内物料的结拱、堵塞等不正常现象，同时还能在线控制煤的流量，绝对不会出现洪流失控的局面。1新型疏松振动给煤机的结构和工作原理新型疏松振动给煤机属于单质体单轴或双轴机械式振动机构，如图1所示，主要由具有橡胶软接头的给煤机进口装置、具有人字形托板及对称的C形通道的给煤机主体、具有偏心轮的回转主轴、可紧固的两组共4个偏心块装置、轮胎式挠性联

3、轴器、电动机、具有软接头的给煤机出口装置、两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧、给煤机刚性支座等部分组成。具有软接头的进口装置，上面与煤仓的底部相密封连接，下面与给煤机主体的上端面相连接；给煤机主体的下面，通过一组耐酸碱橡胶墩弹簧支撑在给煤机刚性支座上；具有偏心轮的回转主轴通过轮胎式挠性联轴器与电动机相连接；电动机固定于给煤机的刚性支座上；给煤机的刚性支座固定于地面上的水泥混凝土基础上。其工作原理是：电动机带动具有偏心轮的回转主轴，以每秒980r/min的速度转动，使偏心轮产生的激振力促使给煤机的主体作椭圆形轨迹振动，其中竖直方向的的振动将疏松煤仓底部的煤粒，从而增加煤粒向下的流动性，水平方向的振动，

4、将煤仓内的煤粒均匀地从人字形托板分流入对称的C形通道，然后汇合从给煤机的出口溜放到称重式动态运输皮带上；调整成对偏心块的角度或变更电动机的转速，可以在线改变给煤机的给煤量；当电动机停止时，由于对称的C形通道的特殊结构，按流体力学、散体力学的有关理论，已被设计为关闭状态，使煤仓内的煤粒停止溜放，起到了常规截门的作用。试验和实践表明，新型疏松振动给煤机，兼有常规给煤机、截门、煤仓疏松机的功能，是一种结构简单、多种功能、节能可靠、检修方便、寿命超长的给煤机。和行业中刚问世不久的GK公司的所谓活化给煤机相比，在设计理念上具有明显的不同。为了便于分析、计算和比较，笔者绘出了它们的力学模型，北京派通电力设

5、备公司研制的新型疏松振动给煤机，设计比较传统，其力学模型见图2，而GK公司的所谓活化给煤机（实际并非是这个名称，而是它在中国代理申请的实用新型专利高效环保节能给煤机），属于双质体，其力学模型见图3。弹簧刚度C2弹簧刚度C1主振质量被振质量M弹簧刚度C双质体单振动电机机械式振动给煤机（GK公司北京有限公司代理，专利申请人）单质体单轴机械式振动给煤机（北京派通电力设备有限公司研制） 图2 图3因为本文主要是介绍单质体单轴机械式振动给煤机（新型疏松振动给煤机）的设计计算，所以这里只简要说一下关于图3中的几个原则性问题。笔者的以下的观点，诚邀同行研讨：被振质量M是振动给煤机的主体，弹簧刚度C2与主体被

6、振质量M构成一定固有频率（按振动理论：水平；垂直）的给煤振动系统；振动电机及其固定框架紧固后构成了激振源，其总质量为m，假设振动电机的转速为n，则激振源的激振频率就是，弹簧刚度C1与激振源质量m构成一定固有频率（按振动理论：水平；垂直）激振源系统；根据图3力学模型，笔者认为激振源的振动应当是竖直方向的平面圆形振动，其垂直分量传递给被振质量M的量是极其有限的，其水平分量显然不会使被振质量M在垂直方向上产生多大的振幅，因此，给煤振动系统的振动，是以水平振动为主的长短轴相差较大的平面椭圆形振动（在竖直方向），不能获得活化给煤机原本理想的疏松活化效果；值得主意的问题是，虽然（、）但它们决不是亚共振的条

7、件，因为它们都是固有频率，其中没有激振频率，所以，这里根本不存在什么共振、亚共振或近共振的问题。2 新型疏松振动给煤机的主要技术参数(1) 主要原始数据：1） 给煤机主体的质量，按结构尺寸计算值为。2） 给煤机进口尺寸，截面积为，其当量直径为。3） 回转主轴的质量。4） 两套轴承装置共重为。5） 一对单列圆柱滚子轴承10P744：； ；6） 两对共4个偏心块装置共重为。7） 每个偏心块的偏心距8） 耐酸碱橡胶墩弹簧的外形尺寸初步定为，要求当压强为时，单个弹簧在垂直方向上的压缩量为，即弹簧的刚性系数 (弹簧的有效横截面积为)。而且，要求允许安全垂直方向变形量为27.93mm(按照允许的压缩变形2

8、0%计算，得高度允许的压缩量为，为了使振动载体与激掁源稳定同步振动，实践证明，应使振动载体的激掁频率与系统的固有频率之比2，按2.6计算，空载初始压缩量为6.28mm，满载时垂直方向的安全允许变形量27.93mm是计算所得，是必须要保证的）。需要指出的是，弹簧初始压缩量6.28mm是设计值，是不能改变的,就是说弹簧的刚性系数必须要满足设计要求；至于满载时的压缩量，要视具体条件来计算，弹簧的垂直方向允许的安全压缩量也必须要满足。9） 电动机采用Y160M6：转速为；功率为。10） 煤仓内的煤粒特性，查结构设计中松散物料的特性参数8附录H，煤的密度，煤的内磨擦角，煤对钢板的磨擦系数；煤仓的高度按2

9、0考虑。（2）主要技术参数：1）参掁体 (振动载体) 的质量： (注意：煤仓内煤粒对振动的影响虽然不具有通常阻尼力的特征，但是笔者认为，其影响毕竟不是全方位的，在计算中将其视为众多阻尼力中的一种，这样会更趋科学；忽略给煤机的上下软连接进出口的影响；忽略给煤机轮胎式挠性联轴器的影响)。2）激掁频率3P20：（振动次数980次/分钟）。3）激振力5P123：4）最大激掁力：5）单位振动载体质量所受到的最大激振力2P310：6）空载静止时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量：7）满载静止时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量：按钢制焊接常压容器9P102标准中所采用的詹森（Janssen

10、）松散物料仓的压力理论，煤仓内任一高度处煤粒间的水平压力与垂直压力的比值，即侧压系数假定恒定为，于是，煤粒对人字形托板的压强人字形托板上煤粒的压力由于煤粒对人字形托板的压力是动态的，根据资料3，真正对振动有影响的阻尼力，有一个折算系数，按资料3推荐，这里取(计算表明，只要把煤仓内煤粒对振动的影响视为一种阻尼力，则的大小对最终的计算结果，几乎没有影响。由振动理论可知2P317，其实由Ax的计算式也不难看出，对于有阻尼的强迫振动，当激振频率与固有频率相差较大时，阻尼系数或阻尼力的大小，对最终的振幅的影响是很小的，可以忽略不计)，于是煤粒对振动载体的阻尼力为 考虑煤粒对振动载体的阻尼力影响，动态或静

11、态时，两组共18个耐酸碱橡胶墩弹簧的平均压缩量8）振动载体无阻尼时的固有频率2P3019）振动载体在有煤粒阻尼时的固有频率2P30110）煤粒对振动载体阻尼系数2P305、306、309 11)振动载体的振幅2P316计算结果表明，振动载体的质心的振动轨迹，为长、短轴半径分别为0.0036m、0.0031m的椭圆，近似为圆。不过，需要说明的是，这个振幅值是只计煤粒阻尼影响且是理论上的最大值，实际的阻尼力还有其它多种，所以实际理论上的最大振幅值要小于上述的计算值，况且可以根据工作需要对振幅可以在线调节。12）振动给煤机的消耗功率振动给煤机的功率消耗通常定性为振动消耗和轴承摩擦消耗的总和，然而到目

12、前为止，笔者还未曾发现过可以信赖的计算方法，为此笔者提出参照能量法1P182、2P307、4P103的概念，建议按下式计算：考虑到给煤机的重力在给煤机返回振动中心的振动过程中，能够起到有利的作用，笔者认为，采用的输入功率是可靠的。13）关于轴承的使用寿命按参考文献10表5-1-19得：载荷性质系数；单一轴承的最大径向当量动载荷；所选轴承的基本额定寿命是10P702 关于振动给煤机轴承的预期寿命到底应定为多少，需要在实践中总结才能确定。3 新型疏松振动给煤机的主要技术参数的理论可行性(1) 机械指数工程上把振动的加速度最大值与重力加速度的比值称为机械指数3P19，也称振动的强度机械指数值越大，说

13、明机械所受动载荷越大，通常受机械强度的限制，一般 6，应当在25范围内取用。行业中的惯性振动落砂机，采用时使用性能较好，本设计的给煤机，机械指数应当是可行的。(2) 频率比值工程上把激振频率即外界干扰频率或振动频率，与系统固有频率或自振频率的比值称作频率比这里需要说明的是：1）在设计选择支撑弹簧时，必须从这里开始。先确定频率比，然后再确定支撑弹簧的刚性系数或弹簧的初始压缩量。2）本给煤机的水平方向没有约束，可认为其弹簧刚度为零，因此，其方向的固有频率也就为零5P125，这个方向上的振幅可近似为一个不变的数值；3）是指振动载体在垂直方向上的频率比，频率比是一个特别重要的参数，它将直接影响到振动给

14、煤机的是否能实现自同步等振动性能。所谓自同步，就是给煤机的实际振动的频率与外界干扰的激振频率相同。据资料3介绍：2 是不能实现自同步的；1属共振状态，很少采用；1.051.2属于近超共振状态，也很少采用；2.58属远超共振状态，适用于惯性振动机、单质体隔振型的惯性激振器。另外，过高的振动频率会增加载体的动应力，从而影响到设备的使用寿命，一般单振幅，电动机常采用的转速为。据此可以认为，笔者对电动机的转速选取应当是比较合理的。(3) 振动弹簧的刚度振动载体与支架之间的支撑弹簧，也称隔振弹簧，其刚性系数和安全的最大允许变形量，对振动给煤机运行性能具有举足轻重的作用，也是系统设计的关键。前面已说到频率

15、比值的重要性，其实影响频率比值大小的只有电机的转速、振动载体的质量和支撑弹簧的刚度。因为由于结构、用户要求等原因，振动载体的质量不会改变或改变量很小，电动机的原始转速选定后通常也不去改变（用变频方式来改变电机的转速，用于产品配套，只是一种调节手段的储备，是为用户在特殊情况下获得最佳运行效果的一种技术储备，与原始设计应当无关），所以唯一可以改变而且也容易改变频率比的途径，只有选购合适的振动弹簧的刚度。非常重要的问题是，振动给煤机空载和满载时，支撑弹簧的压缩量必须符合设计要求，而且该压缩量必须在弹簧允许的安全压缩量之内。笔者认为选购弹簧时，除了满足设计提出的单个弹簧刚度，还要考虑耐酸碱、抗老化和足

16、够的寿命（连续运行8000小时，累计运行不少于16000小时）。设计提出的刚度，在这种弹簧刚度系数条件下，两组共18个支撑弹簧支撑的振动载体的固有频率，外界干扰的激振频率与其的比值才能达到设计指标2.6，振动载体才能达到预期的设计效果。(4) 关于振幅的数值振幅也是振动机械中的重要参数，振幅的大小，不但取决于激振力和系统弹簧总刚度的大小，而且还与振动的频率比有关。振幅的确定与机械强度有着直接的因果关系：当机械强度选定后，振幅值就会被确定；当振动频率确定后，振幅同样也就可以被计算出来。振动机械的振幅一定要合适，振幅过大容易对振动载体造成破坏和影响隔振元件的使用寿命。笔者设计的新型疏松振动给煤机，

17、其水平和垂直方向的最大单振幅分别为3.1mm和3.6mm，可以在线检测到的最大的双振幅分别为6.2mm和7.2mm，需要说明的是，这个振幅值是只计及煤粒阻尼影响理论上绝对偏大的数值，而且是可以在线调节的。(5) 关于振动给煤机的输入功率振动给煤机和常规的振动机械一样，其输入功率的分析计算，到目前为止，无论是网络还是正规出版的资料，均未发现科学且能应用于工程设计的计算方法，能够查阅到的，通常都是由研制单位大量的实验所得。为了使振动给煤机的设计更有依据而可靠，为了不必要的大量试验，更为了探求一种科学的途径，笔者不得不从理论力学中关于振动的原始机理出发，借助最原始、最具有公信力且可查证的精典理论，避

18、开建立微分方程的复杂过程，而直接根据能量守恒定律即采用能量法，由输入功等于阻尼力所做功的等式来直接求解输入功率。众所周知，在不变的外界干扰激振力的作用下，振动机械可以获得稳定的受迫振动。所谓稳定的受迫振动，就是振动中的自由振动在开始的极短时间内很快趋于零后，系统完全按外界提供的稳定功率、频率进行同步振动，笔者解读为物体离开振动中心和回到振动中心，均要依靠外部提供的能量来完成。据此，设电机及轮胎式挠性联轴器的传动效率为3P32，则本文提及的新型疏松振动给煤机，其输入的最大功率为考虑到给煤机的重力在给煤机返回振动中心的振动过程中，能够起到有利的作用，笔者认为，采用的输入功率，也应当是可靠的。另外，

19、具有借鉴作用的资料JB/T5330-2007三相异步振动电机技术条件7P3，其中对于额定激振力为的振动电机，同步转速为1000时，对应的电机功率是。据此数据，进一步确认本文涉及的新型疏松振动给煤机，其电机选择是可靠的。(6) 关于煤仓内煤粒对振动的影响关于煤仓内煤粒对振动的影响，笔者将其视为阻尼力对参振系统的一种影响,打破了行业内将煤仓内的煤粒与给煤机接触部分的重量P，按一定的折算系数Km=0.10.2，折算后列入参振载体的总质量之内3。笔者认为：因为煤粒没有和振动载体紧固在一起，没有参与全方位的振动，只是在给煤机振动时，对垂直方向上的振动有一定的阻碍作用，而且，在活化状态下，不是所有重量P都参与了阻碍；对于振动给煤机而言，构成对振动起阻尼作用的力是很多的，除了与给煤机接触的煤仓中的松散煤粒，尚还有各种库伦摩擦力、粘滞的阻力、物体内部的内摩擦力等所有阻碍振动的阻力；如果将煤仓内的煤粒重量的一定比例数值列入参振载体的总质量，将会直接严重影响系统的单位质量所具有的激振力h、所有方向的固有频率0、所有方向的振幅A，这样的计算结果显然与实际不符，要受到理论上的质疑；值得一提的是，上述的折算系数Km，很难找到合适的权威数值，然而把煤仓内煤粒与给煤机接触部分的重量