電液自由鍛錘設(shè)備的砧座隔振方法

文/楊云·中船第九設(shè)計研究院工程有限公司

電液自由鍛錘設(shè)備的砧座隔振方法

文/楊云·中船第九設(shè)計研究院工程有限公司

自由鍛錘在工作過程中，錘頭所積蓄的動能在打擊工件時瞬間釋放，錘頭的速度由原來的下行速度突然停止并產(chǎn)生一定的向上反彈的速度，使錘頭的動量突然改變。由于打擊過程中，錘頭對砧座的作用力并不封閉于機身。因此，砧座瞬間獲得一個向下的動量，動量的值等于錘頭動量的改變量，砧座以一定的速度下行，進(jìn)而將所獲得的動量傳遞給設(shè)備基礎(chǔ)和地基，激起設(shè)備基礎(chǔ)和地基的振動，從而形成振動波向外傳播，影響和干擾周圍環(huán)境。

我國鍛錘隔振從最初的砧座下放置木材和運輸帶，到橡膠彈簧、金屬彈簧（兼有彈性和阻尼特性的疊板彈簧和蝶形彈簧），以及螺旋彈簧與阻尼器組合，經(jīng)歷了幾十年的過程。目前，鍛錘隔振分為砧座下隔振和基礎(chǔ)下隔振兩種方式。砧座下隔振是將隔振器置于砧座和基礎(chǔ)之間，而基礎(chǔ)下隔振是將隔振器置于內(nèi)基礎(chǔ)和外基礎(chǔ)之間。由于基礎(chǔ)隔振時內(nèi)基礎(chǔ)與砧座一起運動發(fā)揮慣性塊作用，通常把內(nèi)基礎(chǔ)稱為慣性塊式，而把外基礎(chǔ)即基礎(chǔ)箱稱為基礎(chǔ)。本文通過對上海某廠鍛造車間幾臺電液自由鍛錘設(shè)備的隔振設(shè)計和實施效果的總結(jié)和分析，介紹自由鍛錘設(shè)備的砧座隔振方法，并與自由鍛錘其他隔振方法的特點進(jìn)行比較。

自由鍛錘設(shè)備參數(shù)

上海某廠鍛造車間共設(shè)6臺自由鍛錘設(shè)備，打擊能量在175～5600J之間，自由鍛錘設(shè)備詳細(xì)參數(shù)見表1和表2。鍛錘的沖擊振動影響較大，特別是3t和5t鍛錘，基礎(chǔ)振幅為0.08～0.56mm，振動速度在8～12mm/s之間，振動能量較大，低頻成分較多，振動衰減較慢，傳播較遠(yuǎn)。因此，必須采取隔振措施。因該廠周邊環(huán)境屬工業(yè)區(qū)，該鍛造車間距最近的北側(cè)廠界約60m。鍛錘設(shè)備經(jīng)隔振后，因振動引起的廠界外環(huán)境振動影響將符合《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070－1988）中工業(yè)集中區(qū)限制值，即鉛垂向振級晝間VLz≤75dB。

表1 電液自由鍛錘的技術(shù)參數(shù)

表2 空氣錘主要技術(shù)參數(shù)

自由鍛錘設(shè)備砧座隔振

基本原則

⑴隔振后，砧座的最大豎向振動位移應(yīng)小于允許振動值。砧座振動位移太大，則會影響工人操作。根據(jù)《隔振設(shè)計規(guī)范》（GB 50463-2008）的規(guī)定，當(dāng)砧座下設(shè)有隔振裝置時，砧座豎向允許振動線位移應(yīng)不大于20mm。本設(shè)計取值為8mm。為控制隔振后砧座的豎向振幅，必須加大砧座的質(zhì)量。本設(shè)計方案在砧座下設(shè)置配重塊（鑄鐵塊），并與砧座剛性連接，組成一體。根據(jù)《隔振設(shè)計規(guī)范》（GB 50463-2008），可以得知砧座豎向最大振幅的計算公式。

圖1 減振墊內(nèi)力傳播和時間的關(guān)系圖

圖2 減振墊的位移波形和時間的關(guān)系圖

砧座豎向最大振幅的計算公式：

式中 ωn=（k1/m1）1/2；

AZ1——砧座最大豎向振動位移，m；

m0——鍛錘落下部分質(zhì)量，kg；

m1——隔振器上部的總質(zhì)量，kg；

V0——落下部分的最大沖擊速度，m/s；

e1——回彈系數(shù)，取0.25；

k1——隔振器的豎向剛度，N/m；

ξz——隔振體系的阻尼比。

將5t鍛錘的設(shè)備參數(shù)和隔振參數(shù)代入該公式，計算出5t鍛錘隔振后砧座的豎向最大振幅AZ1為4.10mm（其他鍛錘數(shù)據(jù)均不大于8mm，具體數(shù)據(jù)省略）。

⑵鍛錘在下一次打擊之時，砧座應(yīng)停止振動。若砧座在打擊的間隔時間內(nèi)沒能停止振動，則在鍛錘進(jìn)行連續(xù)打擊時，會使砧座振幅越來越大，從而影響工人操作，甚至?xí)l(fā)設(shè)備事故。對隔振系統(tǒng)而言，要滿足這個要求，就是要考慮隔振系統(tǒng)的阻尼配備。對于沖擊設(shè)備，阻尼可以吸收沖擊能量，使設(shè)備受到?jīng)_擊干擾后迅速趨于穩(wěn)定。根據(jù)《隔振設(shè)計規(guī)范》（GB 50463－2008）的規(guī)定，鍛錘隔振系統(tǒng)的阻尼比不應(yīng)小于0.25。

⑶鍛錘打擊后，隔振器上部質(zhì)量不應(yīng)與隔振器分離。這就要求隔振系統(tǒng)固有頻率f＞g/（2πV）（其中g(shù)為重力加速度，V為打擊結(jié)束時的砧座速度。根據(jù)動量守恒定律，本案例中的5t鍛錘打擊結(jié)束時的砧座速度V=0.29m/s。則f應(yīng)大于5.4Hz。

砧座隔振方法

⑴針對本次設(shè)計中的自由鍛錘設(shè)備，經(jīng)過設(shè)計前的多次調(diào)研和對隔振方案分析對比，本次鍛錘隔振選用砧座隔振方法，并選用了一種稱為MRM彈性體阻尼模塊作為砧座的隔振系統(tǒng)。MRM彈性體阻尼模塊是在彈簧阻尼液隔振系統(tǒng)之后開發(fā)出的又一種適合鍛錘隔振的隔振系統(tǒng)。MRM彈性體阻尼模塊由特殊高分子材料模制而成，具有結(jié)構(gòu)簡單，防水和防油污，使用壽命長和極強的抗蠕變性。垂直動態(tài)固有頻率低至8Hz，本案例中，固有頻率f為8.3～10Hz，阻尼比為0.13～0.25，隔振效率為75％～80％。

⑵以本次設(shè)計5t鍛錘砧座隔振為例，圖1和圖2為砧座隔振后減振墊位移和力傳播隨時間的變化曲線。從圖1可以看出，5t鍛錘打擊頻次為50次/min，即0.83次/s，當(dāng)經(jīng)過0.8s時，砧座已經(jīng)復(fù)位停止振動，滿足隔振基本原則。

⑶圖3為5t鍛錘砧座采用MRM隔振系統(tǒng)的剖面示意圖。從圖中可以看到，砧座和配重剛性連接在一起，放置在MRM隔振模塊上，四周設(shè)置硬木為防偏擺的限位裝置。

圖3 5t鍛錘砧座MRM隔振系統(tǒng)的剖面圖

⑷表3為本次設(shè)計中，全部鍛錘砧座隔振設(shè)計的主要參數(shù)。

⑸鍛錘砧座隔振設(shè)計中有以下幾個不可忽視的要點：

①隔振鍛錘的錘擊中心（豎向）、砧座-慣性質(zhì)量塊的重心和隔振元件的剛度中心應(yīng)布置在一條鉛錘線上，以避免打擊時造成回轉(zhuǎn)運動。

②由于自由鍛錘的工作環(huán)境惡劣，工作時產(chǎn)生油、水和大量氧化皮。而上述這些污染因素，對砧座下的隔振元件會產(chǎn)生較大影響，從而將極大地影響隔振系統(tǒng)的隔振效果。因此，必須在隔振設(shè)計中引起足夠的重視。本設(shè)計案例中，在砧座坑的底部設(shè)有油、水的集中溝及配套的油水抽離系統(tǒng)，定時排出累積的油水。在防氧化皮的措施上，采用了三道屏障，MRM隔振模塊本身在其四周設(shè)置保護(hù)泡沫材料的密封以防止任何小顆粒和氧化皮進(jìn)入隔振系統(tǒng)而降低隔振效果；在砧座配重底部和MRM隔振模塊之間設(shè)置一層薄橡膠，防止通過砧座與硬木之間的縫隙進(jìn)入隔振模塊；在砧座底部再設(shè)一層屏障，防止氧化皮的墜落。并定時清理砧座坑積累的氧化皮，從而保障隔振系統(tǒng)的正常運行。

表3 鍛錘設(shè)備砧座隔振設(shè)計基本數(shù)據(jù)

③在鍛錘設(shè)備隔振的設(shè)計中，在滿足必須的隔振效率前提下，除應(yīng)考慮盡可能降低一次性投資成本外，最重要的因素是，應(yīng)考慮極大地減少隔振系統(tǒng)的日常運行維護(hù)成本，增大隔振系統(tǒng)的使用壽命。因為在實際生產(chǎn)中，由于隔振系統(tǒng)的損壞（如隔振器的損壞、粘滯阻尼液的泄漏和氧化皮的堵塞等），造成隔振系統(tǒng)的維修和更換，不僅帶來生產(chǎn)成本的上升，也勢必將影響整個生產(chǎn)進(jìn)度，嚴(yán)重者將影響產(chǎn)品的交貨及合同的履行，給生產(chǎn)企業(yè)帶來較大的損失。如果隔振系統(tǒng)的使用壽命難以保證，將使隔振成本大幅上升。

⑹隔振效果測試：為檢測本案例中的上海某廠鍛造車間自由鍛錘設(shè)備砧座隔振裝置的隔振效果，在該廠鍛造車間設(shè)備投入正常運行后，于2010年7月，對其中的5t鍛錘進(jìn)行了跟蹤測試。測量時，5t鍛錘正常生產(chǎn)，鍛打工件為直徑600mm的圓柱，鍛打成軸類的產(chǎn)品。測試參考《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB/T 10071-1988）和相關(guān)振動測試規(guī)范。測試點選兩點，一點為距鍛錘10m處，另一點為廠界邊界。測試表明：在距鍛錘10m處，加速度平均峰值為0.09m/s2，速度平均峰值為2.32m/s。而未隔振時的速度平均峰值參考值為9.8m/s，采用MRM隔振后，隔振效率為76.3％。在廠界處（臨近廠界）的測點，加速度平均峰值為0.007m/s2，速度平均峰值為0.22m/s，按加速度有效值換算相當(dāng)于小于75dB，在廠界處已完全達(dá)標(biāo)，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070-1988）。另外，鍛錘設(shè)備隔振后，除滿足隔振效果的要求外，砧座振幅不大于8mm，完全滿足設(shè)計目標(biāo)（不大于10mm），砧座的隔振對自由鍛錘鍛打工件和設(shè)備的其他方面沒有帶來任何不利的影響，自由鍛錘設(shè)備的使用滿足設(shè)備要求。

不同砧座隔振元件的特點

⑴早期的砧座下放置木材作為隔振元件，由于木材的剛度大，彈性小，隔振效率很低，大約在15％，效果很差。

⑵之后的橡膠墊，提高隔振效率到大約50％，但橡膠的阻尼較小且易老化，壽命短，隔振效果也不理想。

⑶目前比較理想的砧座隔振元件為彈簧阻尼隔振元件。但板簧和碟簧之間會產(chǎn)生干摩擦阻尼，如遇油和水后，阻尼會迅速下降，將會導(dǎo)致鍛錘設(shè)備共振或反彈。螺旋鋼彈簧隔振器+粘滯阻尼器的組合是相對來說較好的隔振元件，隔振效率達(dá)85％～90％。但也存在阻尼液的更換、泄露及鋼彈簧斷裂等現(xiàn)象，增加了維護(hù)頻率和成本。另外，對彈簧阻尼隔振器而言，除了通過彈簧傳遞到基礎(chǔ)上的沖擊力外，帶有阻尼液的阻尼器也增加了小部分力到基礎(chǔ)上。由于自由鍛錘的砧座和機身是分離的，彈簧阻尼隔振器如果安裝在砧座下，砧座和配重四周需留出維修空間，造成占地面積大。因此，彈簧阻尼隔振器不大適合自由鍛錘砧座隔振，比較適合模鍛錘（砧座和機身連在一起）的隔振，也適合于自由鍛錘的整機隔振。

⑷MRM減振系統(tǒng)是一種彈性體阻尼模塊隔振器，由美國一家公司于2000年研制出來，是鍛錘減振后期（彈簧阻尼隔振器之后）開發(fā)出來的，主要用于各種沖擊機器（如鍛錘和壓力機）的減振基礎(chǔ)。MRM系統(tǒng)的核心部件是模塊化回彈襯墊，每個模塊根據(jù)硬度和減振參數(shù)單獨模制。整個系統(tǒng)為組合式，模塊層和柱的數(shù)量根據(jù)不同要求進(jìn)行配置。對于彈性體阻尼模塊隔振器而言，材料的滯后阻尼（熱滯阻尼）已經(jīng)包含在彈性體阻尼模塊本身，使其變成彈性體阻尼模塊隔振系統(tǒng)動態(tài)剛度的一部分。MRM彈性體阻尼模塊由特殊高分子材料模制而成，具有結(jié)構(gòu)簡單，防水和防油污，使用壽命長和極強的抗蠕變性，不需維護(hù)等特點。在滿足隔振效率大于75％的條件下，是較理想的鍛錘砧座隔振元件。

結(jié)束語

自由鍛錘的砧座隔振，由于占地面積小，投入成本少，隔振效率大于75％，在滿足隔振控制目標(biāo)的情況下，應(yīng)是隔振設(shè)計中的首選。在當(dāng)前眾多的鍛錘砧座隔振方案中，在滿足必須的隔振效率前提下，除應(yīng)考慮盡可能降低一次性投資成本外，最重要的因素是應(yīng)考慮極大地減少隔振系統(tǒng)的日常運行維護(hù)成本和提高隔振系統(tǒng)的使用壽命。由于自由鍛錘的工作環(huán)境惡劣，工作時，產(chǎn)生油、水和大量氧化皮；而上述這些污染因素，對砧座下的隔振元件會產(chǎn)生較大影響，從而將極大地影響隔振系統(tǒng)的隔振效果，必須在隔振設(shè)計中引起足夠的重視。頻繁的隔振系統(tǒng)的運行維護(hù)和隔振系統(tǒng)使用壽命難以保證，不僅將無法實現(xiàn)設(shè)計中的隔振控制目標(biāo)，也勢必將極大地影響設(shè)備的正常使用，給生產(chǎn)企業(yè)帶來經(jīng)濟影響。

楊云，高級工程師，從事環(huán)保專業(yè)噪聲與振動控制的設(shè)計、科研、咨詢和工程承包近三十年。