侯獻(xiàn)民

(上海國(guó)際汽車(chē)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)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(duì)環(huán)境振動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(duì)防微震機(jī)臺(tái)設(shè)置、制作、安裝、調(diào)試工作。表1為GB 50463-2008隔振設(shè)計(jì)規(guī)范中光刻設(shè)備容許振動(dòng)值，對(duì)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(dòng)值

對(duì)應(yīng)如此高精度的振動(dòng)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(dòng)工程領(lǐng)域空氣彈簧減振和支座調(diào)平設(shè)計(jì)方法及施工要求。

微振動(dòng)工程空氣彈簧隔振研究和應(yīng)用方面，郭榮生(1992)［1，2］對(duì)空氣彈簧懸掛的振動(dòng)特性和參數(shù)進(jìn)行了大量的計(jì)算分析，得到在車(chē)輛應(yīng)用系統(tǒng)中空氣彈簧的動(dòng)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(dòng)、靜剛度的求解方法;李東升(2009)［4］對(duì)空氣彈簧隔振平臺(tái)調(diào)平精度影響因素分析，其(2010)［5］針對(duì)四點(diǎn)支撐的空氣彈簧隔振地基設(shè)計(jì)自動(dòng)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(diǎn)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(dòng)隔振對(duì)象在設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，主要的理論依據(jù)是單質(zhì)點(diǎn)單自由度體系動(dòng)力學(xué)分析原理，實(shí)際中的工程見(jiàn)圖1，對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化理論模型見(jiàn)圖2。單自由度體系動(dòng)力學(xué)分析理論建立基礎(chǔ)為牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，其運(yùn)動(dòng)方程參見(jiàn)式(1)。

一般情況下，因?yàn)槲⒄駝?dòng)領(lǐng)域的分析均為完全線彈性響應(yīng)范疇，可以通過(guò)隔振措施將復(fù)雜的多質(zhì)點(diǎn)多自由度體系簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的單質(zhì)點(diǎn)多自由度體系，所以也可以將隔振系統(tǒng)統(tǒng)一簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度體系的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，然后在各個(gè)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(dòng)力特性，比如基本質(zhì)量、剛度、基本振動(dòng)頻率等，實(shí)現(xiàn)利用單自由度體系解決單質(zhì)點(diǎn)多自由度體系問(wèn)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(dòng)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(shí)的動(dòng)力響應(yīng)解析解形式，圖3為單自由度體系簡(jiǎn)諧荷載作用瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)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(jiàn)圖4單自由度體系位移穩(wěn)態(tài)最大反應(yīng)動(dòng)力放大系數(shù)。通過(guò)得到動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)。

2 空氣彈簧隔振設(shè)計(jì)基本方法

上面介紹了微振動(dòng)問(wèn)題的基本分析理論，在實(shí)際工程中主要是利用上述原理進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)的。微振動(dòng)問(wèn)題前面已經(jīng)說(shuō)明屬于完全線性問(wèn)題，因此從設(shè)計(jì)方法角度而言，即是按照一定的振動(dòng)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(shí)際的線性系統(tǒng)。

對(duì)于線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(guò)這種關(guān)系高效的確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要的各種振動(dòng)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(guò)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(dòng)理論進(jìn)行分析，可以快速得到對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)解析解表達(dá)式(5)。

為了更加清楚的說(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)最大值列表

通過(guò)上面所述，可以知道只要確定的振動(dòng)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(dòng)范圍之內(nèi)，則說(shuō)明隔振設(shè)計(jì)有效。然而，實(shí)際隔振設(shè)計(jì)過(guò)程遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，在實(shí)施的過(guò)程中需要做很多的相關(guān)準(zhǔn)備和工作，一般其設(shè)計(jì)和分析流程包括九個(gè)步驟:

1)工程設(shè)計(jì)和施工概況;2)微振動(dòng)一般工業(yè)設(shè)計(jì)分析;3)微振動(dòng)測(cè)試分析;4)確定微振動(dòng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì);8)組織現(xiàn)場(chǎng)施工;9)項(xiàng)目驗(yàn)收及各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

這些設(shè)計(jì)和施工步驟詳情可參見(jiàn)圖6，圖7。

3 橡膠空氣彈簧特點(diǎn)

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(lèi)可分為膜式、囊式和混合式三大類(lèi)?？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(guò)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(guò)送氣泵控制氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)隔振的。這種空氣彈簧在承受荷載過(guò)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(dòng)隔振領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的重要原因之一。工作時(shí)，可通過(guò)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(huì)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(shí)，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(shí)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(gè)的自振頻率在1.1Hz～1.6Hz，而上層隔振臺(tái)座為了保證有效隔振一般會(huì)按照剛體進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其單體自振頻率會(huì)在100Hz以上，因此橡膠空氣彈簧和隔振臺(tái)座組成的體系可以構(gòu)成一個(gè)較為完整的單質(zhì)點(diǎn)體系，該質(zhì)點(diǎn)體系對(duì)應(yīng)有6個(gè)自由度，通過(guò)振型分解法進(jìn)行解耦，可以將單質(zhì)點(diǎn)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(jì)算每個(gè)分量自由度對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率和振型。

該橡膠隔振系統(tǒng)具備的基本隔振性能是對(duì)于中高頻的荷載，則降低至設(shè)計(jì)目標(biāo)值下;對(duì)于低頻振動(dòng)荷載，則可以通過(guò)阻尼的使用和出場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)，將阻尼調(diào)至可滿足低頻設(shè)計(jì)目標(biāo)下。但是其自身也具有一定的缺點(diǎn)，如對(duì)于低頻或者超低頻荷載無(wú)法降低很多，這個(gè)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(dòng)源存在，那么需要采用主動(dòng)控制隔振裝置或者混合隔振裝置(可參看中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院防微振動(dòng)工程設(shè)計(jì)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(guò)程中，莫榮利(2005)［6］對(duì)空氣彈簧隔振性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了其剛度和阻尼特性;鄭明軍(2008)［7］對(duì)利用工程熱力學(xué)理論，建立了有、無(wú)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(duì)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(tái)座五個(gè)部分。本文主要從實(shí)際工程角度簡(jiǎn)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(jì)規(guī)范中要求，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別、抗震等級(jí)、烈度分屬等信息進(jìn)行地基承載力、抗震、抗傾覆等設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，尤其是在沿海地區(qū)等4類(lèi)場(chǎng)地條件下，一定要采用筏基或者樁筏混合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，確保地基穩(wěn)定性，提高地基的抗傾覆能力，同時(shí)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(shí)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(tái)座平面內(nèi)形心位置一致或者偏差不大，因?yàn)橛锌赡苌喜砍休d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(gè)基礎(chǔ)頂面標(biāo)高找平工作，確保每個(gè)基礎(chǔ)頂面標(biāo)高誤差不超過(guò)設(shè)計(jì)容許值，一般可建議在2mm/m以?xún)?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(shí)通過(guò)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(guò)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(guò)土建現(xiàn)場(chǎng)施工手段進(jìn)行控制，如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、調(diào)平、灌漿等等措施。

空氣彈簧隔振裝置本身需要通過(guò)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(duì)單個(gè)和組合后的空氣彈簧隔振體系進(jìn)行擬加載配重測(cè)試，檢驗(yàn)其隔振性能。

隔振臺(tái)座的設(shè)計(jì)和施工主要原則為要確保隔振臺(tái)座重心、幾何形心、剛度中心重合，同時(shí)要確保隔振臺(tái)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(shí)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(tái)座的整體剛度較好，其局部振型對(duì)應(yīng)頻率要比普通鋼筋混凝土高，與空氣彈簧組合起來(lái)，抗震性能更好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)空氣彈簧隔振體系在工業(yè)微振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況、現(xiàn)有研究成果，通過(guò)基于單質(zhì)點(diǎn)單自由度體系動(dòng)力學(xué)理論，簡(jiǎn)要說(shuō)明微振動(dòng)隔振原理和方法，并說(shuō)明了空氣彈簧隔振設(shè)計(jì)基本方法，對(duì)橡膠式空氣彈簧基本特性進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)空氣彈簧隔振體系現(xiàn)場(chǎng)施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

［1］郭榮生.空氣彈簧懸掛的振動(dòng)特性和參數(shù)計(jì)算(上)［J］.鐵道車(chē)輛，1992(5):1-6.

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