某型試驗(yàn)器基礎(chǔ)隔振設(shè)計(jì)方案分析

崔政委 田 赫

（中航規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 基本情況

1.1 試驗(yàn)器概況

某型號(hào)直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)軸綜合科研試驗(yàn)器，主要用于XX傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)及高周疲勞試驗(yàn)，其組成主要包括機(jī)械主體部分、拖動(dòng)控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)、電氣附件系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)、應(yīng)變遙測(cè)與分析系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)等部分。試驗(yàn)器傳動(dòng)原理圖如圖1所示。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：

最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：21 000 r/min

額定轉(zhuǎn)速：15 000 r/min

最大試驗(yàn)功率：1 570.7 kW （額定轉(zhuǎn)速）

最大試驗(yàn)扭矩：1 000 N·m

圖1 試驗(yàn)器傳動(dòng)原理圖

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告， 場(chǎng)地各層土由上而下依次描述如下：

人工填土①：未完成自重固結(jié)，密實(shí)度不均勻；層厚3.20～4.50 m。

粉質(zhì)黏土②：層厚1.80～2.60 m；承載力特征值180 kPa。

粉質(zhì)黏土③：層厚3.80～4.60 m；承載力特征值220 kPa。

強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥灰?guī)r④：層厚2.60～5.00 m；承載力特征值400 kPa。

中風(fēng)化炭質(zhì)泥灰?guī)r⑤：揭露厚度11.00～14.10 m；承載力特征值1 200 kPa。

1.3 設(shè)備基礎(chǔ)土建要求

試驗(yàn)器機(jī)械主體連同各平臺(tái)總重量約為105噸。機(jī)械主體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除必須保證其結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，還應(yīng)考慮對(duì)基礎(chǔ)周邊進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，盡可能減少機(jī)械主體振動(dòng)的外傳。機(jī)械主體基礎(chǔ)還須布置用于調(diào)整平臺(tái)的調(diào)整塊和用于緊固平臺(tái)的地腳螺栓預(yù)留孔。

2 隔振方案比對(duì)

2.1 常規(guī)方案

設(shè)備基礎(chǔ)隔振設(shè)計(jì)，通常采用加大配重比和設(shè)置隔振溝的傳統(tǒng)辦法。一般配重比要達(dá)到1∶5以上，導(dǎo)致鋼筋混凝土基礎(chǔ)的體積很大，土建造價(jià)高，而且還要占用較大面積，使得整個(gè)廠房?jī)?nèi)的工藝設(shè)備布置、管溝開設(shè)、線路敷設(shè)等都受到較大限制。隔振空溝則是最有效的地面屏障，任何波均不能通過(guò)，但是無(wú)法做到H≈λR的深度，實(shí)施起來(lái)有較大的局限性。

2.2 元件隔振方案

元件隔振的傳統(tǒng)做法是采用圓柱螺旋鋼彈簧與剛性平臺(tái)組合的隔振體系，這種隔振體系最大的缺點(diǎn)是隨著工作時(shí)間變長(zhǎng)，鋼彈簧逐漸老化而又不能及時(shí)更換，導(dǎo)致隔振效果越來(lái)越差。而技術(shù)比較先進(jìn)的空氣彈簧伺服系統(tǒng)隔振體系價(jià)格昂貴、原理復(fù)雜、維護(hù)較煩瑣。

2.3 屏障式隔振方案

屏障式隔振分為兩種，一種是隔板屏障 （水平向隔振），另一種是排樁屏障 （豎直向隔振）。隔板屏障隔振對(duì)于近距離設(shè)備的隔振避震效果較好，排樁屏障隔振則對(duì)遠(yuǎn)距離設(shè)備的隔振避震效果較好。也可以考慮采用隔板屏障和排樁屏障并聯(lián)、共同作用以減弱設(shè)備振動(dòng)對(duì)外界的影響。

3 實(shí)施方案分析

綜合考慮以上幾個(gè)方案，采用隔板屏障+排樁屏障并聯(lián)的隔振方案，同時(shí)，要求配合信息控制法，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體考慮如下：采用鋼筋混凝土厚隔板+粗砂礫石填充的方式減輕對(duì)于近場(chǎng)設(shè)備和建筑物的振動(dòng)影響；利用振動(dòng)波的散射及干擾現(xiàn)象，采用小直徑、大質(zhì)量、高密度的排樁+淺層隔振溝的方式減輕對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)備和建筑物的振動(dòng)影響。

3.1 隔板屏障

粗砂礫石上的鋼筋混凝土厚隔板，其本身具有一定的剛度和重量，可以將設(shè)備本身傳出的振動(dòng)削弱掉一部分，削弱程度和厚隔板的自振周期與建設(shè)場(chǎng)地地面脈動(dòng)最大加速度的周期比值有關(guān)，稱之為振動(dòng)的穿透率 （ξ），其定量關(guān)系可用下式表示：Al=ξA0，其中Al為鋼筋混凝土厚隔板上i點(diǎn)處的振幅，A0為內(nèi)部振源在隔振體系內(nèi)的振幅。

其中，ζ——地基土與混凝土板相關(guān)的阻尼系數(shù)，一般可取為0.3；

TP——鋼筋混凝土厚隔板的固有周期；

TS——建設(shè)場(chǎng)地的地面脈動(dòng)最大加速度對(duì)應(yīng)的周期。

鋼筋混凝土板彈性板的剛度KZ可按照《建筑振動(dòng)工程手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，即：KZ=CZA。

其中CZ——地基土的剛性系數(shù) （由試驗(yàn)測(cè)得，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可按照《建筑振動(dòng)工程手冊(cè)》中取值）；

A——鋼筋混凝土彈性板的面積。

對(duì)本設(shè)計(jì)而言KZ=32 000 kN/m3× （4.65 m×12.9 m）=1.92×109N/m。

鋼筋混凝土厚隔板的厚度取為0.8 m時(shí)，其質(zhì)量m=（4.65×12.9×0.8） ×25 kN/m3=1 200 kN （即1.2×105kg）。則：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，建設(shè)場(chǎng)地的地面脈動(dòng)最大加速度對(duì)應(yīng)的周期TS=0.038 46 s。

則可計(jì)算出穿透率ξ=0.364=36.4%，即：理論上，由于鋼筋混凝土厚隔板的屏障效應(yīng)，可以使傳出的內(nèi)部振動(dòng)減少63.6%。

鋼筋混凝土厚隔板的厚度取為1.5 m時(shí)，計(jì)算出穿透率ξ=0.236=23.6%， 理論上由于鋼筋混凝土厚隔板的屏障效應(yīng)，可以使傳出的內(nèi)部振動(dòng)減少76.4%。

3.2 排樁屏障

采用排樁作為隔振屏障，也是隔離地面環(huán)境振動(dòng)的有效措施之一。其隔振原理是利用振動(dòng)波的散射干擾現(xiàn)象，即彈性介質(zhì)中傳遞的波，遇到障礙物或者傳遞介質(zhì)改變后會(huì)產(chǎn)生散射及反射現(xiàn)象。當(dāng)排樁樁徑及樁間距布置合理時(shí)（ 樁間距=1.5～2倍樁徑時(shí)），非連續(xù)的排樁屏障可以看作近似整體屏障而將振動(dòng)波反射、散射掉相當(dāng)大部分，從而達(dá)到隔振的效果。

根據(jù)相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，本建設(shè)場(chǎng)地的環(huán)境振動(dòng)波長(zhǎng)在8～12 m，綜合考慮設(shè)計(jì)排樁長(zhǎng)度8 m，近似等于振動(dòng)波長(zhǎng)，其對(duì)周圍環(huán)境振動(dòng)的屏蔽效果較好。

3.3 隔振方案

本設(shè)計(jì)采用隔板屏障+排樁屏障并聯(lián)的隔振方案，方案圖如圖2、圖3所示。

圖2 設(shè)備基礎(chǔ)平面布置圖

圖3 隔振體系剖面示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

總體上來(lái)說(shuō)，排樁與鋼筋混凝土厚隔板并聯(lián)，增加了地面屏障的隔振剛度，改變了周圍土體作為振動(dòng)波傳遞介質(zhì)的性狀，提高了整個(gè)隔振體系隔振效率。