曹國巍，周 磊，魏 乾，陳煒寧，石小虎

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065001；3.北京建筑機(jī)械化研究院有限公司，北京 100007）

預(yù)制混凝土構(gòu)件振動臺隔振系統(tǒng)主要用來將振動臺所產(chǎn)生的振動與安裝基座或者地面進(jìn)行隔離，阻斷振動的傳遞，減少振動對基座、地面、地基及其他裝置造成危害，其在整個振動系統(tǒng)中有著重要的作用，既保證了振動臺自身結(jié)構(gòu)，又保護(hù)了周圍物體不受振動危害。

預(yù)制混凝土構(gòu)件振動臺隔振系統(tǒng)一般由多組橡膠彈簧組成，本文針對振動臺隔振系統(tǒng)多組橡膠彈簧剛度的選用進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過計(jì)算可取得最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而確定橡膠彈簧的參數(shù)。

1 隔振特性分析

所謂隔振，就是在振源與設(shè)備之間，安裝若干具有一定彈性和阻尼性能的隔振裝置，將振源與基礎(chǔ)之間或者基礎(chǔ)與防振設(shè)備之間的剛性連接改成柔性連接，以阻隔并減弱振動能量的傳遞。根據(jù)隔振目的的不同，一般可將其分積極隔振與消極隔振兩種性質(zhì)不同的隔振。

振動臺作為振動源，工作時產(chǎn)生的振動波對車間其他設(shè)備造成一定程度的影響，因此需設(shè)置隔振系統(tǒng)以減小振動對其他設(shè)備影響，此為積極隔振。

隔振系統(tǒng)的隔振效果通常用傳遞比來表示，對于積極隔振，傳遞比定義為傳遞到基礎(chǔ)上的力幅與振源激振力幅之比。

根據(jù)定義，振動臺工作時，隔振傳遞比表達(dá)式如式（1）

式中λ——頻率比，λ=ω/ωn；

ωn——系統(tǒng)固有頻率，

ω——激振頻率；

ζ——阻尼比，ζ=

C——系統(tǒng)阻尼系數(shù)；

M——參振質(zhì)量。

以頻率比λ、傳遞比TR及阻尼比ζ為變量，可做成圖1 所示隔振特性曲線圖。

圖1 隔振特性曲線

由圖1 可以得出結(jié)論如下。

1）當(dāng)λ>的區(qū)域內(nèi)，TR<1，這個屬于隔振區(qū)，才有隔振效果，當(dāng)λ>時，隨著振動頻率的增加，傳遞比減小，隔振效果越好。當(dāng)λ>5后TR值變化不是很大，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般取值為2.5～5 之間效果最佳，既保證了隔振效果也保證了隔振彈簧的工藝性。

根據(jù)對系統(tǒng)隔振特性曲線圖的分析可知，振動臺隔振系統(tǒng)的隔振效果與系統(tǒng)的剛度、阻尼系數(shù)密切相關(guān)。除此之外，對振動臺隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需考慮振源、參振質(zhì)量等因素，以便獲得最佳的隔振效果。

2 隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以本研究課題為例，預(yù)制混凝土構(gòu)件振動臺隔振系統(tǒng)選用10 組橡膠彈簧，每組4 個，共計(jì)40 個橡膠彈簧，分布在振動臺底部兩側(cè)，作為振動臺的隔振系統(tǒng)與支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3 所示。

圖2 隔振系統(tǒng)布置平面圖

圖3 隔振系統(tǒng)布置圖

天然橡膠因其阻尼系數(shù)高，剛度由自身尺寸決定。彈性模量比金屬小，變形量較大，具有很好的各向同性，能夠承受多向載荷，耐磨性好，可有效減小振動。故本振動臺選用天然橡膠作為彈性元件，其截面為方形結(jié)構(gòu)，上部連接板與下部底座板采用鋼板作為安裝結(jié)構(gòu)，天然橡膠與上連接板及下部底座板的采用專用材料膠結(jié)，且與橡膠結(jié)合的鋼板面均經(jīng)過特殊處理，增加連接強(qiáng)度，保證振動過程中不開裂，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 橡膠彈簧結(jié)構(gòu)圖

對于該預(yù)制混凝土構(gòu)件振動臺，其具有水平低頻及垂直高頻振動功能，隔振系統(tǒng)應(yīng)能同時滿足水平低頻及垂直高頻振動的要求，現(xiàn)分別進(jìn)行分析。

2.1 垂直高頻振動隔振計(jì)算

對于垂直高頻振動系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)振動頻率為ωv，滿載混凝土?xí)r的參振質(zhì)量為Mm，根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，對滿載時的隔振系統(tǒng)垂直剛度進(jìn)行計(jì)算，如式（2）

式中Mm——系統(tǒng)滿載混凝土?xí)r的參振質(zhì)量；

ωv——垂直高頻振動頻率，rad/s，常用30～80Hz；

λ——頻率比，按隔振特性曲線圖取2.5～5。

由以上可計(jì)算得出振動臺隔振系統(tǒng)垂直方向總剛度，除以支撐橡膠彈簧數(shù)量即可得單個橡膠彈簧的設(shè)計(jì)剛度。

隔振器選擇橡膠隔振器，取阻尼比ζ=0.08，從可得

即可得系統(tǒng)的總阻尼系數(shù)。

在振動臺滿載未工作時，橡膠彈簧有一定的壓縮量，稱為彈簧的靜變形f0。

為保證振動臺在啟動或停車過程中，隔振器與振動臺始終保持接觸，其工作過程中可能產(chǎn)生的最大動變形fd應(yīng)小于靜變形f0，即

橡膠彈簧的動應(yīng)變fd在振動臺啟動、停車時通過共振區(qū)時為最大，其值一般為設(shè)備垂直方向振幅A的3～7 倍，即

將式（4）、式（6）帶入式（5）可得

計(jì)算所得的彈簧剛度系數(shù)還應(yīng)滿足式（7）的要求。

2.2 水平低頻振動剛度計(jì)算

對于水平低頻振動系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)振動頻率為ωh，滿載混凝土?xí)r的參振質(zhì)量為Mm，根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，對滿載時的隔振系統(tǒng)水平剛度進(jìn)行計(jì)算，如式（8）

式中Mm——系統(tǒng)滿載混凝土?xí)r的參振質(zhì)量；

ωh——水平低頻振動頻率，rad/s，設(shè)計(jì)最大值為5Hz；

λ——頻率比，按隔振特性曲線圖取2.5～5。

由以上可計(jì)算得出振動臺隔振系統(tǒng)水平方向總剛度，除以支撐橡膠彈簧數(shù)量即可得單個橡膠彈簧的設(shè)計(jì)剛度。

另外，對于該振動臺，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其水平低頻系統(tǒng)的振動實(shí)際為X或Y方向的低頻線性搖擺運(yùn)動，橡膠彈簧同時充當(dāng)了低頻搖擺運(yùn)動的彈性元件，以此計(jì)算彈性元件系統(tǒng)的剛度kx，計(jì)算如式（9）

式中F——水平最大激振力；

Δx——1/2 滿載最大振幅。

該振動臺的水平振動激振力的大小為

式中m——水平偏心塊的質(zhì)量；

E——偏心塊的偏心量。

由式（9）和式（10）計(jì)算可得

綜上所述，結(jié)合垂直與水平振動的計(jì)算，選取最優(yōu)的剛度，設(shè)計(jì)橡膠彈簧的截面尺寸、高度尺寸及橡膠的硬度，以保證其剛度滿足使用要求。

3 結(jié)語

對于具有垂直高頻與水平低頻振動的預(yù)制混凝土構(gòu)件振動臺，計(jì)算隔振系統(tǒng)剛度時，應(yīng)同時考慮垂直與水平的剛度，既保證橡膠彈簧能滿足隔振要求，又要滿足振動臺的承載要求，還要滿足水平振動時作為彈性元件的剛度要求，分別計(jì)算，對比選取最優(yōu)的參數(shù)。同時，振動臺為取得較好的振搗效果，一般需要較大的振幅，而振幅增大彈簧的剛度系數(shù)就要減小，也要使激振力降低，故需要在各參數(shù)中做好權(quán)衡。