设备基础隔振设计探讨
摘要：本文对设计中常用的几种设备基础隔振方式进行了简要探讨，指出其优劣，以便在以后的设计中合理的选择隔振方式
关键词：隔振 排桩 设备基础
Abstract: in this paper, the design of the equipment used in several basic way of vibration isolation are discussed briefly, points out the advantages and disadvantages, so that the design of the later in the choice of reasonable way of vibration isolation
Keywords: isolation row pile foundation equipment
1、引言
随着社会的进步和发展，机械加工行业已经进入精密和超精密时代。精密仪器是现代工业生产、检测和科学实验的关键设备，然而当环境中振动的影响过大时，会造成设备加工质量达不到规定要求，或者仪器检测和实验数据不准，这都将导致严重的后果。设备隔振主要分为两种，一种是对振动敏感的机器和设备，这类设备隔振的主要目的是保证在给定外部激励时，设备或其它关键区域（如精密制造设备中工件和工具之间、或设备哥元件之间）的相对振动不超过允许的极限值。典型代表如精密机床、坐标测量仪等；另外一种是本身为振源的机器和设备，这类设备隔振的主要目的是将传递到基础的动态作用力减低到允许值以下。典型代表如锻锤、水压机等产生冲击力的设备或激振器等振动频谱成分复杂的机器。[1]
这些动力设备虽经过静、动平衡，但仍有不平衡力存在，它们通过设备基础传递到地基上去，不仅会影响周围工作人员的工作和情绪，还会影响周围机器的正常运行。因此，解决设备基础的振动控制问题具有重要意义。
2、隔振沟
隔振沟是针对沿地基浅表水平传播的振动隔离的一种通用方法，当振动波在传播过程中遇到该屏障时，根据波的衍射作用，会在隔振沟后出现一个地面振动幅度相对降低的屏蔽区，从而达到屏蔽区削振的目的。影响隔振沟隔振效果的因素主要包括隔振沟的宽度、深度以及隔振沟距离动力设备之间的距离。
2.1 根据李建波等研究报告，0.5m与1.2m隔振沟宽度的对比显示，宽度对于隔振效果影响不大，太宽的隔振沟会缩小车间空间对与工艺设备的布置产生不利影响。因此在设备基础设计时，一般可选择隔振沟宽度为100-200mm。
2.2 隔振沟深度，一般可取地基浅表波长的1/4左右。随着沟深得增加，对竖向振动有明显的减振效果，但对于水平振动的减振效果并不明显。沟深很大时，实际施工会很难达到，尤其是软土地基和高地下水位场地，而且土压力对隔振沟壁的影响会使成本成倍增加。应用连续空沟隔振时，对中高频振动是防止地面振动危害的有效措施；对低频扰动，要汪意其对振动的放大作用。
2.3 在达到稳态振动后，随隔振沟与动力设备之间距离的增加，水平向振动先增大后减小，竖向振动几乎没有大的变化，在相同深度时隔振沟对水平向振动的影响要大于竖向振动。不管是位移幅值还是速度幅值，相对于无隔振沟时，距基础1.5m时的隔振效果较好，故宜在动力设备附近处设置隔振沟。
隔振沟中宜填充弹性材料，以往工程中常用沥青、麻丝等材料，但两种材料混合在一起，时间长了会结成硬块，减低防振作用。现在实际工程中多采用在基础四周外挂硬质泡沫塑料或聚苯乙烯板；当设备基础特别深时，隔振沟壁和设备基础整浇到一起，弹性材料还可以作为基础浇注混凝土的模板，如图1所示。
图1 隔振沟大样
3、增大基础重量
该种方式是采用大于设备质量3-5倍的基础质量作为辅助质量，随振动体共同振动，消除振动能量以达到减振的目的，这种大质量的减振基础在实际工程中被广泛采用，多用于通用动力、轻工、化工等行业当中，特别适用于设备高度很高的情况。作者曾在大型立式车床基础设计中采用，该立车高15m，根据《动力机器基础设计规范》，基础的混凝土厚度就需要3m厚，这样在不须采用其他隔振措施的情况下满足了工艺的精度要求，取得较好的经济效益。
4、设备基础下采用隔振器
这种方式需要专业的减震器设计生产厂家，一般应用在小型高精度设备基础上，并且需要空间富裕，便于下到基础下面调试减振弹簧等，成本较高。其基本原理如下图2所示：
图2 单自由度隔振系统的动力学模型
假设被隔振的的设备或机器和隔振器相比，可认为前者是只有质量而无弹性的刚体，后者只有弹性和阻尼而无质量。其振动方程为
最大基底力与作用力幅值的比定义为隔振系数即绝对传递率
,激振频率与隔振系统固有频率；。
图3 传递率与频率比图
如图3所示，实际隔振体系仅仅在频率比大于当频率比大于以后，系统进入隔振区，隔振系数开始小于1，基底力动载振幅小于激振力振幅，激振力被惯性力平衡掉；当频率比远大于以后，则质量快m的惯性力与激振力相位相反，而数值接近，作用力与反作用力相互平衡掉，振幅小于静变位，仅有静载荷和小部分残余动载荷通过弹簧阻尼元件传递到基础上。
实际工程中多采用弹簧隔振器和橡胶隔振器，应具有较好的耐久性，弹性好，承载力大，阻尼适当，易于安装和更换的特点。
5、排桩隔振
相对于空沟、填充沟等连续屏障，桩作为非连续屏障具有施工速度快、造价低、能满足低频振动污染治理中对屏障深度的要求等优点，已在工程中取得了良好的隔振效果。[3]
研究表明，只有当桩径大于被屏蔽的波长的1/6或1/4 时，单排桩才能取得良好的隔振效果，这在实际工程中是很难实现的。此时，可通过密布多排小截面桩来实现隔振效果是理想的选择，如图4所示。
图4 多排桩隔振
非连续屏障远场被动隔振相当于多个成排的异质体引起的瑞利波散射问题。基于瑞利波散射的积分方程法，李志毅等[4]分析了单排和多排桩屏障的隔振效果，主要结论如下：
(1) 非连续屏障隔振起到的是一个整体屏蔽作用，单根桩不可能形成有效隔振的屏蔽区，只强调桩径而忽略桩间距对隔振效果的影响是片面的。
(2) 多排桩隔振屏障体系的厚度主要取决于桩的排数，与单桩的截面尺寸关系不大。桩的排数越多，屏障体系的厚度越大，隔振效果越好。
(3) 多排桩隔振对桩的截面尺寸无限制要求，采用小桩密布可达好的隔振效果。为了形成非连续屏障的整体隔振效果，桩与桩的间距不能太大。
(4) 多排桩的排距对隔振效果影响小。
多排桩隔振理论分析属于多个异质体的三维散射问题，在数值计算时，需要采用专业的有限元软件进行计算，对设计人员的要求较高。并且最好和现场检测数据进行校验，以获得准确的计算结果。
6、结束语
本文对实际工程中常用的设备基础隔振设计进行了介绍，并对各个方法的优劣和使用进行了简要探讨，对于以后工程项目中设备基础的隔振设计有重要的现实意义。
参考文献
[1]朱石坚,楼京俊等.振动理论与隔振技术. 北京,国防工业出版社,2006.6.
[2]陈新钰,朱上.核电汽轮机隔振装置的应用与论证[J]. 江苏电机工程，2007，26(3)：58–61.
[3]高广运,杨先健等. 排桩隔振的理论与应用[J]. 建筑结构学报，1997，18(4)：58–69.
[4]李志毅等. 多排桩屏障远场被动隔振分析[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(21)：3990-3995.
设备基础隔振设计探讨
摘要：本文对设计中常用的几种设备基础隔振方式进行了简要探讨，指出其优劣，以便在以后的设计中合理的选择隔振方式
关键词：隔振 排桩 设备基础
Abstract: in this paper, the design of the equipment used in several basic way of vibration isolation are discussed briefly, points out the advantages and disadvantages, so that the design of the later in the choice of reasonable way of vibration isolation
Keywords: isolation row pile foundation equipment
1、引言
随着社会的进步和发展，机械加工行业已经进入精密和超精密时代。精密仪器是现代工业生产、检测和科学实验的关键设备，然而当环境中振动的影响过大时，会造成设备加工质量达不到规定要求，或者仪器检测和实验数据不准，这都将导致严重的后果。设备隔振主要分为两种，一种是对振动敏感的机器和设备，这类设备隔振的主要目的是保证在给定外部激励时，设备或其它关键区域（如精密制造设备中工件和工具之间、或设备哥元件之间）的相对振动不超过允许的极限值。典型代表如精密机床、坐标测量仪等；另外一种是本身为振源的机器和设备，这类设备隔振的主要目的是将传递到基础的动态作用力减低到允许值以下。典型代表如锻锤、水压机等产生冲击力的设备或激振器等振动频谱成分复杂的机器。[1]
这些动力设备虽经过静、动平衡，但仍有不平衡力存在，它们通过设备基础传递到地基上去，不仅会影响周围工作人员的工作和情绪，还会影响周围机器的正常运行。因此，解决设备基础的振动控制问题具有重要意义。
2、隔振沟
隔振沟是针对沿地基浅表水平传播的振动隔离的一种通用方法，当振动波在传播过程中遇到该屏障时，根据波的衍射作用，会在隔振沟后出现一个地面振动幅度相对降低的屏蔽区，从而达到屏蔽区削振的目的。影响隔振沟隔振效果的因素主要包括隔振沟的宽度、深度以及隔振沟距离动力设备之间的距离。
2.1 根据李建波等研究报告，0.5m与1.2m隔振沟宽度的对比显示，宽度对于隔振效果影响不大，太宽的隔振沟会缩小车间空间对与工艺设备的布置产生不利影响。因此在设备基础设计时，一般可选择隔振沟宽度为100-200mm。
2.2 隔振沟深度，一般可取地基浅表波长的1/4左右。随着沟深得增加，对竖向振动有明显的减振效果，但对于水平振动的减振效果并不明显。沟深很大时，实际施工会很难达到，尤其是软土地基和高地下水位场地，而且土压力对隔振沟壁的影响会使成本成倍增加。应用连续空沟隔振时，对中高频振动是防止地面振动危害的有效措施；对低频扰动，要汪意其对振动的放大作用。
2.3 在达到稳态振动后，随隔振沟与动力设备之间距离的增加，水平向振动先增大后减小，竖向振动几乎没有大的变化，在相同深度时隔振沟对水平向振动的影响要大于竖向振动。不管是位移幅值还是速度幅值，相对于无隔振沟时，距基础1.5m时的隔振效果较好，故宜在动力设备附近处设置隔振沟。
隔振沟中宜填充弹性材料，以往工程中常用沥青、麻丝等材料，但两种材料混合在一起，时间长了会结成硬块，减低防振作用。现在实际工程中多采用在基础四周外挂硬质泡沫塑料或聚苯乙烯板；当设备基础特别深时，隔振沟壁和设备基础整浇到一起，弹性材料还可以作为基础浇注混凝土的模板，如图1所示。
图1 隔振沟大样
3、增大基础重量
该种方式是采用大于设备质量3-5倍的基础质量作为辅助质量，随振动体共同振动，消除振动能量以达到减振的目的，这种大质量的减振基础在实际工程中被广泛采用，多用于通用动力、轻工、化工等行业当中，特别适用于设备高度很高的情况。作者曾在大型立式车床基础设计中采用，该立车高15m，根据《动力机器基础设计规范》，基础的混凝土厚度就需要3m厚，这样在不须采用其他隔振措施的情况下满足了工艺的精度要求，取得较好的经济效益。
4、设备基础下采用隔振器
这种方式需要专业的减震器设计生产厂家，一般应用在小型高精度设备基础上，并且需要空间富裕，便于下到基础下面调试减振弹簧等，成本较高。其基本原理如下图2所示：
图2 单自由度隔振系统的动力学模型
假设被隔振的的设备或机器和隔振器相比，可认为前者是只有质量而无弹性的刚体，后者只有弹性和阻尼而无质量。其振动方程为
最大基底力与作用力幅值的比定义为隔振系数即绝对传递率
,激振频率与隔振系统固有频率；。
图3 传递率与频率比图
如图3所示，实际隔振体系仅仅在频率比大于当频率比大于以后，系统进入隔振区，隔振系数开始小于1，基底力动载振幅小于激振力振幅，激振力被惯性力平衡掉；当频率比远大于以后，则质量快m的惯性力与激振力相位相反，而数值接近，作用力与反作用力相互平衡掉，振幅小于静变位，仅有静载荷和小部分残余动载荷通过弹簧阻尼元件传递到基础上。
实际工程中多采用弹簧隔振器和橡胶隔振器，应具有较好的耐久性，弹性好，承载力大，阻尼适当，易于安装和更换的特点。
5、排桩隔振
相对于空沟、填充沟等连续屏障，桩作为非连续屏障具有施工速度快、造价低、能满足低频振动污染治理中对屏障深度的要求等优点，已在工程中取得了良好的隔振效果。[3]
研究表明，只有当桩径大于被屏蔽的波长的1/6或1/4 时，单排桩才能取得良好的隔振效果，这在实际工程中是很难实现的。此时，可通过密布多排小截面桩来实现隔振效果是理想的选择，如图4所示。
图4 多排桩隔振
非连续屏障远场被动隔振相当于多个成排的异质体引起的瑞利波散射问题。基于瑞利波散射的积分方程法，李志毅等[4]分析了单排和多排桩屏障的隔振效果，主要结论如下：
(1) 非连续屏障隔振起到的是一个整体屏蔽作用，单根桩不可能形成有效隔振的屏蔽区，只强调桩径而忽略桩间距对隔振效果的影响是片面的。
(2) 多排桩隔振屏障体系的厚度主要取决于桩的排数，与单桩的截面尺寸关系不大。桩的排数越多，屏障体系的厚度越大，隔振效果越好。
(3) 多排桩隔振对桩的截面尺寸无限制要求，采用小桩密布可达好的隔振效果。为了形成非连续屏障的整体隔振效果，桩与桩的间距不能太大。
(4) 多排桩的排距对隔振效果影响小。
多排桩隔振理论分析属于多个异质体的三维散射问题，在数值计算时，需要采用专业的有限元软件进行计算，对设计人员的要求较高。并且最好和现场检测数据进行校验，以获得准确的计算结果。
6、结束语
本文对实际工程中常用的设备基础隔振设计进行了介绍，并对各个方法的优劣和使用进行了简要探讨，对于以后工程项目中设备基础的隔振设计有重要的现实意义。
参考文献
[1]朱石坚,楼京俊等.振动理论与隔振技术. 北京,国防工业出版社,2006.6.
[2]陈新钰,朱上.核电汽轮机隔振装置的应用与论证[J]. 江苏电机工程，2007，26(3)：58–61.
[3]高广运,杨先健等. 排桩隔振的理论与应用[J]. 建筑结构学报，1997，18(4)：58–69.
[4]李志毅等. 多排桩屏障远场被动隔振分析[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(21)：3990-3995.