电机一启动，平台就开始晃？——一个钢结构设备平台振动分析案例

前言

在工业建筑设计中，钢结构设备平台几乎随处可见。

平台上安装风机、压缩机、水泵等设备后，结构不仅要承受设备重量，还要面对设备运行过程中持续产生的振动。

很多项目在设计阶段看起来一切正常，但设备安装完成后却出现了各种问题：

l 平台振感明显；

l 设备底座持续抖动；

l 螺栓频繁松动；

l 现场人员反映“站着不舒服”；

l 甚至出现局部共振现象。

这些问题往往不是强度不足造成的，而是振动设计没有提前考虑。

今天通过一个实际工程案例，看看如何利用PKPM设备振动模块，对设备平台进行一次全面的振动检查。

1、项目简介

某工业项目采用三层钢结构设备平台。

平台主要由钢柱、钢梁及支撑体系组成，上部布置有高功率电机（900KW）设备。

项目设计过程中提出了几个关键问题：

l 设备运行后平台会不会共振？

l 振动会不会超过规范要求？

l 振动对结构安全有没有影响？

l 振动会不会影响人员舒适度及设备正常运行？

为了获得更准确的结果，项目采用PKPM设备振动模块建立整体模型进行分析。

图1 设备平台整体模型

2、振动荷载从哪里来？

设备振动荷载属于典型周期荷载。对于旋转设备，其扰力可表示为：

F(t)=Psin(ωt+φ)

其中：

· P 为扰力幅值；

· ω 为圆频率；

· φ 为初始相位。

在PKPM中，通过节点动力荷载功能输入，程序自动生成设备振动工况并参与后续分析。

图2 节点动力荷载输入

图3 节点动力荷载加载位置

3、结构模态分析

振动分析有一个非常重要的步骤——模态分析。

简单理解，就是先看看结构最容易以什么频率振动。

每个结构都有自己的“节奏”。

如果设备运行频率刚好踩中了这个节奏，共振风险就会大幅增加。

计算结果显示：

结构前几阶自振频率主要分布在6～8Hz范围内。

而设备工作频率为25Hz。

两者之间存在较大频率间隔。

这说明结构和设备并没有“对上节拍”，正常运行时发生共振的可能性较低。

振动工况的周期和频率 表1

图4 第一振型

4、工作频率振动响应分析

1）速度响应

计算结果显示：

平台最大振动速度为0.898 mm/s

规范限值为5 mm/s。

也就是说，实际响应仅为限值的不到20%。

整体振动水平较低。

图5 振动速度云图

2）位移响应

最大振动位移为：0.006 mm

振动主要集中在设备附近区域。

随着距离设备越来越远，振动迅速衰减。

从结果来看，平台整体刚度能够满足设备运行要求。

图6 振动位移云图

3）加速度响应

最大振动加速度约为：141 mm/s²

对于设备运行和日常使用均不会产生明显影响。

整体表现较为平稳。

图7 振动加速度云图

4）构件内力响应

除了位移和速度，振动分析还可以查看构件内力变化。

结果显示：

振动产生的附加内力相对较小。

结构设计仍然主要由静力工况控制。

振动不会成为本工程的控制因素。

图8 振动弯矩结果

5、扫频分析

很多人会有疑问：

既然设备工作频率已经确定，为什么还要扫频？

原因很简单。

设备启动、停机、调速过程中，转速并不是瞬间达到额定值。

在这个过程中，设备频率会经过很多不同区间。

而危险往往就藏在这些过渡阶段。

因此，本工程进一步进行了扫频分析。

扫频结果显示：

在20Hz附近，结构响应出现明显峰值。

无论是位移、速度还是加速度曲线，都在这里出现了较大的放大现象。

这意味着：

如果设备运行频率长期接近20Hz，结构振动会明显增大。

好在本项目设备正常工作频率为25Hz，与该敏感区间保持了一定距离，因此不会产生较大影响。

不过这一结果也为后续设备调速和运行管理提供了重要参考。

图9 位移频响曲线

图10 速度频响曲线

图11 加速度频响曲线

6、工程启示

很多工程项目中，结构强度验算全部通过，但设备运行后依然出现振动问题。

原因就在于：

强度满足要求，并不代表振动一定满足要求。

振动问题往往具有隐蔽性。

在图纸阶段很难发现，一旦设备安装完成再进行整改，成本通常会成倍增加。

通过PKPM设备振动模块，可以在设计阶段提前完成：

l 模态分析；

l 工作频率分析；

l 扫频分析；

l 位移、速度、加速度计算；

l 振动内力评估。

从而提前识别风险，避免后期返工。

7、总结

本案例分析结果表明：

l 设备工作频率与结构自振频率相差较大，平台不存在明显共振风险；振动速度、位移和加速度均满足要求；

l 扫频分析发现20Hz附近存在敏感频率区间，后续运行应尽量避开；

l 查看振动工况的内力结果，振动附加内力较小，对结构设计影响有限，不会成为结构设计控制因素；

利用PKPM设备振动模块，可以快速完成模态分析、振动响应分析以及扫频分析，并在应力比计算中考虑振动工况内力，大幅提高设备平台设计效率。

供稿：刘勇¹ 洪嘉伟²

（1 北京构力科技有限公司；2中冶长天国际工程有限责任公司）