4種不同結(jié)構(gòu)地基的隔振效果測試分析*

夏 歡 吉 方 陶繼忠

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

目前，精密加工是指加工精度為1～0.1 μm，表面粗糙度為Ra0.1～0.01 μm的加工技術(shù);超精密加工是指加工誤差小于0.1 μm，表面粗糙度小于Ra0.025 μm的加工技術(shù)，也稱為亞微米級加工［1］。

工作環(huán)境如溫度、濕度、凈化和防振等，對精密、超精密加工的質(zhì)量影響很大。振動(dòng)使被加工零件精度降低，粗糙度值增大，無法保證加工質(zhì)量要求。本文從機(jī)床獨(dú)立地基的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析不同結(jié)構(gòu)地基對外界振動(dòng)的隔振效果，從而建立適合精密、超精密加工隔振要求的獨(dú)立地基模型。

1 振動(dòng)的類型

振動(dòng)主要分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種。

強(qiáng)迫振動(dòng)是物體受到一個(gè)周期變化的外力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)。如回轉(zhuǎn)零部件不平衡，傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪、軸承等沖擊，機(jī)床導(dǎo)軌的磨損，附近有產(chǎn)生振動(dòng)的大型設(shè)備，重型車輛頻繁在附近行駛等。

自激振動(dòng)（顫振）由振動(dòng)系統(tǒng)本身在振動(dòng)過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振動(dòng)。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動(dòng)也會(huì)發(fā)生。對于運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，振動(dòng)還會(huì)影響回轉(zhuǎn)精度。如毛坯局部有氣孔、砂眼等缺陷導(dǎo)致工件材料硬度變化，刀具的選擇不當(dāng)或安裝剛性差，積屑瘤的時(shí)生時(shí)滅導(dǎo)致刀具與工件之間摩擦力的變化，切削量不合適或在切削過程中發(fā)生變化。

本文針對強(qiáng)迫振動(dòng)中外界環(huán)境的振動(dòng)的隔振進(jìn)行討論。外界振動(dòng)在土壤中的衰減有兩種原因:一是土壤阻尼對振動(dòng)能量的消耗吸收;二是振動(dòng)隨著距振源中心的幾何距離增大而擴(kuò)散［2］?，F(xiàn)代化的工廠為了提高生產(chǎn)效率，減少運(yùn)輸?shù)容o助加工時(shí)間，設(shè)備之間的間距越來越小，如精密加工機(jī)床之間距離只有1 m左右;在機(jī)加工機(jī)床旁設(shè)有三坐標(biāo)測量機(jī);在鍛造車間附近往往又是精加工車間，精加工設(shè)備及精加工機(jī)床非常靈敏，對環(huán)境振動(dòng)要求很高。因此，精密、超精密加工和檢測設(shè)備都應(yīng)安裝在獨(dú)立隔振地基之上，減小或消除附近產(chǎn)生振動(dòng)設(shè)備的影響。

2 隔振地基模型

4種隔振地基模型如圖1所示，其中圖1a為混凝土獨(dú)立地基，地基周圍無隔振溝;圖1b為雙層地基疊加，下面一層為混凝土地基，上面一層為鋼筋混凝土，兩層之間和鋼筋混凝土地基周圍有聚苯乙烯隔振墊板，地基周圍無隔振溝;圖1c為多層材料地基從下至上分別有細(xì)沙、碳花、水泥封裝、聚苯乙烯墊板、混凝土、聚苯乙烯墊板和混凝土，地基周圍有封裝磚，而且設(shè)有隔振溝;圖1d也為多層結(jié)構(gòu)，從下至上分別有減振橡膠、吸振材料、膠合板、混凝土地基，中間有低碳鋼加強(qiáng)筋一處，地基周圍有吸振材料，吸振材料外設(shè)有隔振溝，溝內(nèi)填充細(xì)沙、泡沫等材料。

對于通過地表傳播的振動(dòng)，地面振動(dòng)隔離的方法可分為緩沖隔振和屏障隔振［3］。緩沖隔振是一種簡便、有效、實(shí)用的方法，如4種隔振地基中a和b的結(jié)構(gòu)形式，但交通引起的地面振動(dòng)不能采用緩沖隔振;而屏障隔振可隔離任何原因引起的地面振動(dòng)。屏障隔振是在振源和被保護(hù)物體之間設(shè)置一個(gè)垂直于地表的隔離層，當(dāng)振動(dòng)波遇到隔離層時(shí)，可以達(dá)到減小振動(dòng)的目的，如4種隔振地基中c和d的結(jié)構(gòu)形式。

3 測試結(jié)果及分析

為保證外界的振源相同，盡量在同一時(shí)間段內(nèi)對4種不同結(jié)構(gòu)的獨(dú)立地基進(jìn)行測試，每個(gè)測量點(diǎn)都有3個(gè)方向的振動(dòng)，測量中發(fā)現(xiàn)兩水平方向振動(dòng)基本相同，所以只給出垂直和水平兩組振動(dòng)測試結(jié)果。圖2所示為垂直方向振動(dòng)的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關(guān)系。

圖2a中振動(dòng)頻率分布在0～50 Hz之間，隔振效果不好;圖2b中振動(dòng)頻率基本分布在0～40 Hz之間，10 Hz以上有局部突出點(diǎn)，但對于低頻段隔振效果不佳;圖2c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖2d中振動(dòng)頻率分布在0～25 Hz之間，在隔振頻率方面效果最好，但10 Hz以下有突出點(diǎn)，幅值很大。

圖3為水方向振動(dòng)的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關(guān)系。圖3a中振動(dòng)頻率分布在0～50 Hz之間，幅值在0.1 μm以內(nèi)，隔振效果不好;圖3b中振動(dòng)頻率基本分布在0～50 Hz之間，有局部突出點(diǎn)，隔振效果也不好;圖3c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖3d中振動(dòng)頻率分布在0～15 Hz之間，幅值小于0.08 μm，在隔振頻率和振動(dòng)幅值方面效果都是最好的。

綜上所述，第一種隔振地基最下面沒有減振材料，也沒有隔振溝，隔振效果最差;第二種地基中間有聚苯乙烯夾層起到一定的隔振效果，但該地基沒有隔振溝，20 Hz以上有些點(diǎn)的振動(dòng)無法消除;第三種地基結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，分多層隔振并設(shè)有隔振溝，對振動(dòng)幅值的消減起到了很好的作用，但在消除隔振頻率方面不如第四種地基;第四種地基結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，混凝土中混合有低碳鋼加強(qiáng)筋，由于低碳鋼加強(qiáng)筋存在使得它的水平隔振效果最好，但同時(shí)垂直方向的振幅也有所增加，沒有達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語

針對不同機(jī)床的使用要求不同，隔振地基結(jié)構(gòu)形式也有不同。如機(jī)床對垂直方向要求高，水平方向振動(dòng)要求不高時(shí)，可采用分體多層隔振地基，減小垂直方向的振幅;但機(jī)床對垂直和水平方向振動(dòng)要求都高時(shí)，盡量采用一體式地基，使垂直和水平方向的振幅都能滿足要求。另外隔振地基的厚度與機(jī)床的質(zhì)量、外形尺寸、地質(zhì)情況等因素也有關(guān)，設(shè)計(jì)隔振地基時(shí)，應(yīng)充分考慮，而且隔振地基底部和四周應(yīng)有吸振材料，并設(shè)有隔振溝。

［1］鄧英劍.精密及超精密加工中的振動(dòng)控制［J］.湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（9）:230－231.

［2］尹學(xué)軍.振動(dòng)控制在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用（一）［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2003（8）:11－13.

［3］陳智鋒，張紹宗，呂海寶，等.隔振設(shè)計(jì)在超精密加工與測量中的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2002（6）:10－13.