混凝土預制構件振動臺隔振系統(tǒng)設計研究

曹國巍，周 磊，魏 乾，陳煒寧，石小虎

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

預制混凝土構件振動臺隔振系統(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構，又保護了周圍物體不受振動危害。

預制混凝土構件振動臺隔振系統(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行了設計計算，通過計算可取得最優(yōu)的設計參數(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，將振源與基礎之間或者基礎與防振設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備造成一定程度的影響，因此需設置隔振系統(tǒng)以減小振動對其他設備影響，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 可以得出結論如下。

1）當λ>的區(qū)域內，TR<1，這個屬于隔振區(qū)，才有隔振效果，當λ>時，隨著振動頻率的增加，傳遞比減小，隔振效果越好。當λ>5后TR值變化不是很大，結合工程實際經(jīng)驗，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。除此之外，對振動臺隔振系統(tǒng)的設計還需考慮振源、參振質量等因素，以便獲得最佳的隔振效果。

2 隔振系統(tǒng)設計

以本研究課題為例，預制混凝土構件振動臺隔振系統(tǒng)選用10 組橡膠彈簧，每組4 個，共計40 個橡膠彈簧，分布在振動臺底部兩側，作為振動臺的隔振系統(tǒng)與支撐結構，其結構形式如圖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，其截面為方形結構，上部連接板與下部底座板采用鋼板作為安裝結構，天然橡膠與上連接板及下部底座板的采用專用材料膠結，且與橡膠結合的鋼板面均經(jīng)過特殊處理，增加連接強度，保證振動過程中不開裂，其結構如圖4所示。

圖4 橡膠彈簧結構圖

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

2.1 垂直高頻振動隔振計算

對于垂直高頻振動系統(tǒng)，其設計振動頻率為ωv，滿載混凝土時的參振質量為Mm，根據(jù)以上設計參數(shù)，對滿載時的隔振系統(tǒng)垂直剛度進行計算，如式（2）

式中Mm——系統(tǒng)滿載混凝土時的參振質量；

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計剛度。

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應小于靜變形f0，即

橡膠彈簧的動應變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

計算所得的彈簧剛度系數(shù)還應滿足式（7）的要求。

2.2 水平低頻振動剛度計算

對于水平低頻振動系統(tǒng)，其設計振動頻率為ωh，滿載混凝土時的參振質量為Mm，根據(jù)以上設計參數(shù)，對滿載時的隔振系統(tǒng)水平剛度進行計算，如式（8）

式中Mm——系統(tǒng)滿載混凝土時的參振質量；

ωh——水平低頻振動頻率，rad/s，設計最大值為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計剛度。

另外，對于該振動臺，根據(jù)設計要求，其水平低頻系統(tǒng)的振動實際為X或Y方向的低頻線性搖擺運動，橡膠彈簧同時充當了低頻搖擺運動的彈性元件，以此計算彈性元件系統(tǒng)的剛度kx，計算如式（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——水平偏心塊的質量；

E——偏心塊的偏心量。

由式（9）和式（10）計算可得

綜上所述，結合垂直與水平振動的計算，選取最優(yōu)的剛度，設計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 結語

對于具有垂直高頻與水平低頻振動的預制混凝土構件振動臺，計算隔振系統(tǒng)剛度時，應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)中做好權衡。