侯獻(xiàn)民

(上海國際汽車城產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201806)

隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)化的速度加快，工業(yè)廠房的建設(shè)規(guī)模也在增大，但是與民用建筑不同的是，工業(yè)尤其是制造業(yè)行業(yè)很多都實現(xiàn)了自動化或半自動化，大量的企業(yè)都在建造生產(chǎn)線和流水線，這些工業(yè)設(shè)施或設(shè)備對環(huán)境振動的要求很高，尤其是IC(半導(dǎo)體)廠房，TFT(液晶顯示器)廠房，TFT-LCD(彩色濾光片)廠房和其他精密光學(xué)儀器實驗室等等。作者在上海廣電富士光電建設(shè)公司建設(shè)五代TFT-LCD(彩色濾光片)生產(chǎn)線中參加對防微震機(jī)臺設(shè)置、制作、安裝、調(diào)試工作。表1為GB 50463-2008隔振設(shè)計規(guī)范中光刻設(shè)備容許振動值，對應(yīng)為集成電路應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 光刻設(shè)備的容許振動值

對應(yīng)如此高精度的振動容許要求，在目前工業(yè)領(lǐng)域中采用較多的隔振方法為空氣彈簧隔振方法，本文所研究的內(nèi)容為微振動工程領(lǐng)域空氣彈簧減振和支座調(diào)平設(shè)計方法及施工要求。

微振動工程空氣彈簧隔振研究和應(yīng)用方面，郭榮生(1992)［1，2］對空氣彈簧懸掛的振動特性和參數(shù)進(jìn)行了大量的計算分析，得到在車輛應(yīng)用系統(tǒng)中空氣彈簧的動力分布規(guī)律;樓京俊(2000)［3］介紹了空氣彈簧的基本特性、結(jié)構(gòu)形式和基本原理，以單曲囊式空氣彈簧為例討論了空氣彈簧動、靜剛度的求解方法;李東升(2009)［4］對空氣彈簧隔振平臺調(diào)平精度影響因素分析，其(2010)［5］針對四點支撐的空氣彈簧隔振地基設(shè)計自動調(diào)平控制系統(tǒng)建立隔振地基數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)其多點耦合特性提出一種解耦調(diào)平方案。

1 空氣彈簧隔振分析理論

工業(yè)振動隔振對象在設(shè)計和分析過程中，主要的理論依據(jù)是單質(zhì)點單自由度體系動力學(xué)分析原理，實際中的工程見圖1，對應(yīng)的簡化理論模型見圖2。單自由度體系動力學(xué)分析理論建立基礎(chǔ)為牛頓第二運(yùn)動定律，其運(yùn)動方程參見式(1)。

一般情況下，因為微振動領(lǐng)域的分析均為完全線彈性響應(yīng)范疇，可以通過隔振措施將復(fù)雜的多質(zhì)點多自由度體系簡化為一個簡單的單質(zhì)點多自由度體系，所以也可以將隔振系統(tǒng)統(tǒng)一簡化為一個單自由度體系的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，然后在各個需求自由度上進(jìn)行疊加，這樣便可以獲取隔振系統(tǒng)的基本動力特性，比如基本質(zhì)量、剛度、基本振動頻率等，實現(xiàn)利用單自由度體系解決單質(zhì)點多自由度體系問題。單自由度體系具有較好的封閉性，可以得到完整的解析解，所以也可以獲取單自由度體系結(jié)構(gòu)響應(yīng)的動力放大系數(shù)。式(2)為單自由度體系結(jié)構(gòu)考慮粘滯阻尼體系時的動力響應(yīng)解析解形式，圖3為單自由度體系簡諧荷載作用瞬態(tài)響應(yīng)，對應(yīng)在不同粘滯阻尼體系下與靜力響應(yīng)解的放大系數(shù)，可以參見圖4單自由度體系位移穩(wěn)態(tài)最大反應(yīng)動力放大系數(shù)。通過得到動力放大系數(shù)，就可以根據(jù)輸入荷載輕易獲取結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

2 空氣彈簧隔振設(shè)計基本方法

上面介紹了微振動問題的基本分析理論，在實際工程中主要是利用上述原理進(jìn)行隔振設(shè)計的。微振動問題前面已經(jīng)說明屬于完全線性問題，因此從設(shè)計方法角度而言，即是按照一定的振動要求，滿足一定的使用功能，確定合理有效的傳遞參數(shù)，并最終建立符合實際的線性系統(tǒng)。

對于線性系統(tǒng)的設(shè)計方法，工程應(yīng)用上主要是利用反應(yīng)譜或者是FFT譜的分析方法，即頻域分析方法，該方法的優(yōu)點在于可以快速的建立其輸入、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、輸出之間的線性關(guān)系，通過這種關(guān)系高效的確定結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的各種振動參數(shù)。式(3)為空氣彈簧隔振線性系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)學(xué)描述。

通過變換可以將式(3)轉(zhuǎn)換為式(4):

如果按照單自由度體系振動理論進(jìn)行分析，可以快速得到對應(yīng)的傳遞函數(shù)解析解表達(dá)式(5)。

為了更加清楚的說明式(5)的意義，表2為單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應(yīng)傳遞函數(shù)最大值列表，圖5為單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應(yīng)傳遞函數(shù)最大值曲線簇。

表2 單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應(yīng)傳遞函數(shù)最大值列表

通過上面所述，可以知道只要確定的振動參數(shù)，滿足傳遞函數(shù)和輸入值的頻域求積，得到的輸出反應(yīng)在容許振動范圍之內(nèi)，則說明隔振設(shè)計有效。然而，實際隔振設(shè)計過程遠(yuǎn)沒有這么簡單，在實施的過程中需要做很多的相關(guān)準(zhǔn)備和工作，一般其設(shè)計和分析流程包括九個步驟:

1)工程設(shè)計和施工概況;2)微振動一般工業(yè)設(shè)計分析;3)微振動測試分析;4)確定微振動設(shè)計目標(biāo);5)進(jìn)行常規(guī)和FE數(shù)值分析，并選擇合適的隔振原件、設(shè)備或裝置;6)判斷基本隔振設(shè)計是否滿足要求，如果不滿足，進(jìn)入5)，如果滿足進(jìn)入7);7)進(jìn)行工藝燈輔助工業(yè)設(shè)計;8)組織現(xiàn)場施工;9)項目驗收及各項指標(biāo)測試。

這些設(shè)計和施工步驟詳情可參見圖6，圖7。

3 橡膠空氣彈簧特點

目前，應(yīng)用較多的空氣彈簧為橡膠空氣彈簧，一般按照氣囊種類可分為膜式、囊式和混合式三大類?？諝鈴椈墒怯上鹉z和簾布所組成的柔性部分與上下連接部件所密封成的總成。高強(qiáng)度纖維硫化于高質(zhì)量的膠層之間，形成空氣彈簧的骨架，特別柔軟且具有高度的防破損能力，這取決于纖維簾線的結(jié)構(gòu)角度，簾線密度和強(qiáng)度。兩端鋼絲圈經(jīng)過硫化嵌入橡膠中。底座多為鋼板或輕質(zhì)鑄鋼，并且表面鍍鉻處理，以減小氣囊與底座之間的摩擦。

橡膠空氣彈簧主要是通過送氣泵控制氣壓來實現(xiàn)隔振的。這種空氣彈簧在承受荷載過程中，位移不隨載荷的增加而變化，具有不變壓縮量的特性，這也是空氣彈簧在微振動隔振領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的重要原因之一。工作時，可通過充氣泵進(jìn)行充氣，一般隔振充氣氣壓范圍在0.1MPa～0.6MPa，氣壓的大小會直接影響空氣彈簧的剛度，隨著承載量的增加，彈簧的高度減少，內(nèi)腔容積減小，彈簧的剛度增加，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積加大，當(dāng)承載量減小時，彈簧的高度增加，內(nèi)腔容積增大，彈簧的剛度減小，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積減小，此時彈簧的承載能力減小。

橡膠空氣彈簧具有較好的隔振特性，其單個的自振頻率在1.1Hz～1.6Hz，而上層隔振臺座為了保證有效隔振一般會按照剛體進(jìn)行設(shè)計和施工，其單體自振頻率會在100Hz以上，因此橡膠空氣彈簧和隔振臺座組成的體系可以構(gòu)成一個較為完整的單質(zhì)點體系，該質(zhì)點體系對應(yīng)有6個自由度，通過振型分解法進(jìn)行解耦，可以將單質(zhì)點多自由度體系轉(zhuǎn)化為求解單自由度體系，進(jìn)而可以進(jìn)行計算每個分量自由度對應(yīng)的振動頻率和振型。

該橡膠隔振系統(tǒng)具備的基本隔振性能是對于中高頻的荷載，則降低至設(shè)計目標(biāo)值下;對于低頻振動荷載，則可以通過阻尼的使用和出場調(diào)試試驗，將阻尼調(diào)至可滿足低頻設(shè)計目標(biāo)下。但是其自身也具有一定的缺點，如對于低頻或者超低頻荷載無法降低很多，這個主要是空氣彈簧的固有特性所決定的，如果隔振要求更高，或者低頻段有較多較大振動源存在，那么需要采用主動控制隔振裝置或者混合隔振裝置(可參看中國電子工程設(shè)計院防微振動工程設(shè)計研究所工程成功案例)。

在橡膠式空氣彈簧相關(guān)研究和應(yīng)用過程中，莫榮利(2005)［6］對空氣彈簧隔振性能進(jìn)行了試驗研究，研究了其剛度和阻尼特性;鄭明軍(2008)［7］對利用工程熱力學(xué)理論，建立了有、無附加氣室空氣彈簧的力學(xué)模型，推導(dǎo)出空氣彈簧剛度與頻率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并對影響空氣彈簧特性的主要因素進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:空氣彈簧具有明顯的非線性特性，在外載荷變化大時，自振頻率基本保持不變;空氣彈簧的工作氣壓、有效面積變化率、工作容積、工作狀態(tài)及節(jié)流孔直徑是影響空氣彈簧性能的主要因素。圖8為空氣彈簧簾線層模型示意圖，圖9為空氣彈簧實物圖。

4 空氣彈簧隔振系統(tǒng)施工基本要求

傳統(tǒng)的空氣彈簧隔振系統(tǒng)從隔振方式角度講屬于被動隔振裝置，其自下而上包括地基基礎(chǔ)、隔振裝置承載基礎(chǔ)、隔振裝置連接固定裝置、空氣彈簧隔振裝置、隔振臺座五個部分。本文主要從實際工程角度簡單列舉空氣彈簧隔振系統(tǒng)施工基本要求。

首先，嚴(yán)格按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范中要求，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，根據(jù)場地類別、抗震等級、烈度分屬等信息進(jìn)行地基承載力、抗震、抗傾覆等設(shè)計和驗算，尤其是在沿海地區(qū)等4類場地條件下，一定要采用筏基或者樁筏混合基礎(chǔ)設(shè)計方法，確保地基穩(wěn)定性，提高地基的抗傾覆能力，同時提高地基的整體剛度。

在建立隔振裝置承載基礎(chǔ)前，要事先在地基基礎(chǔ)澆筑時預(yù)留搭接鋼筋接頭，承載基礎(chǔ)的選取位置，應(yīng)確保和隔振臺座平面內(nèi)形心位置一致或者偏差不大，因為有可能上部承載較大，而且空氣彈簧隔振裝置水平面內(nèi)具有平整度要求，所以可采用型鋼混凝土或者配筋率較高的普通混凝土基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)澆筑完畢后，必須進(jìn)行各個基礎(chǔ)頂面標(biāo)高找平工作，確保每個基礎(chǔ)頂面標(biāo)高誤差不超過設(shè)計容許值，一般可建議在2mm/m以內(nèi)?；A(chǔ)頂面需安裝連接空氣彈簧底座的連接板，板上設(shè)預(yù)留孔。

隔振裝置連接固定裝置以及調(diào)平裝置，可以同時通過兩階段進(jìn)行控制施工，第一階段為工廠內(nèi)進(jìn)行機(jī)械加工，通過機(jī)械控制保證空氣彈簧本身滿足土建或隔振設(shè)備要求，第二階段為體內(nèi)通過土建現(xiàn)場施工手段進(jìn)行控制，如現(xiàn)場測試、調(diào)平、灌漿等等措施。

空氣彈簧隔振裝置本身需要通過機(jī)械加工的方式確保其水平面平整度達(dá)標(biāo)，出廠前需要對單個和組合后的空氣彈簧隔振體系進(jìn)行擬加載配重測試，檢驗其隔振性能。

隔振臺座的設(shè)計和施工主要原則為要確保隔振臺座重心、幾何形心、剛度中心重合，同時要確保隔振臺座的基本頻率越高越好，而且其承載中心要盡量和重心重合，施工時可采用型鋼混凝土方式，盡量不要采用普通的鋼筋混凝土方式，主要原因是為了確保臺座的整體剛度較好，其局部振型對應(yīng)頻率要比普通鋼筋混凝土高，與空氣彈簧組合起來，抗震性能更好。

5 結(jié)語

本文根據(jù)空氣彈簧隔振體系在工業(yè)微振動領(lǐng)域中的應(yīng)用情況、現(xiàn)有研究成果，通過基于單質(zhì)點單自由度體系動力學(xué)理論，簡要說明微振動隔振原理和方法，并說明了空氣彈簧隔振設(shè)計基本方法，對橡膠式空氣彈簧基本特性進(jìn)行了說明，并對空氣彈簧隔振體系現(xiàn)場施工注意事項進(jìn)行了簡單介紹。

［1］郭榮生.空氣彈簧懸掛的振動特性和參數(shù)計算(上)［J］.鐵道車輛，1992(5):1-6.

［2］郭榮生.空氣彈簧懸掛的振動特性和參數(shù)計算(下)［J］.鐵道車輛，1992(5):1-6，18.

［3］樓京俊.空氣彈簧特性研究［J］.噪聲與振動控制，2000(5):6.

［4］滿 楠，禹 靜，李東升.空氣彈簧隔振平臺調(diào)平精度影響因素分析［J］.計量學(xué)報，2009，30(Z1):32-33.

［5］滿 楠，李東升.空氣彈簧隔振地基自動調(diào)平系統(tǒng)研究［J］.液壓氣動與密封，2010(1):28-29.

［6］莫榮利，謝建藩，楊 軍.空氣彈簧隔振性能和試驗研究［J］.噪聲與振動控制，2005，12(6):11-12.

［7］鄭明軍，陳瀟凱，林 逸.空氣彈簧力學(xué)模型與特性影響因素分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39(5):3-4.