鍛錘的彈簧隔振技術(shù)

文/尹學(xué)軍，王偉強，姜成，邱永鋼·隔而固（青島）振動控制有限公司

鍛錘的彈簧隔振技術(shù)

文/尹學(xué)軍，王偉強，姜成，邱永鋼·隔而固（青島）振動控制有限公司

鍛錘設(shè)備工作時，會產(chǎn)生強烈的沖擊振動和噪聲。振動的傳遞會影響周圍設(shè)備的正常工作，危害周圍人員的健康，同時也會對設(shè)備本身造成影響，提升了設(shè)備故障率。因此，鍛錘設(shè)備必須進行隔振。在諸多隔振措施中，橡膠、枕木、砂墊、防振溝等隔振材料和隔振方式，因為隔振效果不明顯，現(xiàn)已不再采用。目前，企業(yè)主要采用由鋼螺旋彈簧和粘滯阻尼器組成的彈簧阻尼隔振器。這種低調(diào)諧的隔振系統(tǒng)隔振效果最好，但如果設(shè)計不當，也達不到預(yù)期的效果。

彈簧隔振的原理

與回轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生的連續(xù)、穩(wěn)定的正弦波形函數(shù)激振力不同，鍛造設(shè)備產(chǎn)生的是斷續(xù)、不穩(wěn)定的沖擊性脈沖載荷。脈沖載荷的波形有很多種，選取兩種典型的波形進行研究，來探討鍛錘設(shè)備的彈簧隔振原理。這兩種波形，一種是矩形脈沖，其特點是激振力在作用周期開始的瞬間就達到峰值；另一種是半正弦波形脈沖，激振力增加得比較慢，從零逐漸增加到峰值，如圖1所示。

圖1 矩形脈沖波（左圖）與半正弦脈沖波（右圖）

圖2 沖擊激振的動載荷傳遞系數(shù)

對于脈沖載荷，有兩個主要性能參數(shù)，一個是脈沖載荷的持續(xù)作用時間δt，另一個是載荷峰值F。在一個無阻尼的彈簧隔振系統(tǒng)中，包括鍛錘、基礎(chǔ)塊（如果需要）和彈簧隔振器，系統(tǒng)固有周期（固有頻率的倒數(shù)）為Te。對于這個系統(tǒng)的傳遞力而言，最重要的參數(shù)為脈沖載荷作用時間與系統(tǒng)固有周期的比值δt/Te。研究揭示，對矩形脈沖而言，當沖擊持續(xù)時間與系統(tǒng)固有周期的比值δt/Te＞0.5時，動載荷系數(shù)（傳遞力與激振力的比值）等于常量2；對半正弦脈沖而言，當δt/Te=0.85時，動載荷系數(shù)的最大值為1.8，見圖2。δt/Te＞0.5時，多半為剛性基礎(chǔ)，其傳遞到基礎(chǔ)上的力總是大于輸入的激振力，即動載荷系數(shù)大于1。

圖2表明，只有當δt/Te＜0.167（對矩形脈沖）或δt/Te＜0.267（對半正弦脈沖）時，才能使動載荷系數(shù)Vs＜1，即傳遞力小于輸入力。這要求彈簧隔振系統(tǒng)的固有周期至少是矩形脈沖的6倍，或是半正弦脈沖持續(xù)時間的3.75倍才能實現(xiàn)。彈簧隔振系統(tǒng)由于系統(tǒng)頻率低（系統(tǒng)周期大），可以滿足這個要求。舉例來說，鍛錘設(shè)備彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率為fe=6Hz，即Te=1/6=0.167s，矩形脈沖持續(xù)時間為δt=25ms，得比值δt/Te=0.025/0.167=0.15。由圖2查得，動載荷系數(shù)約為0.9＜1，可以實現(xiàn)傳遞力小于輸入力。根據(jù)圖2可知，只要系統(tǒng)固有頻率小于6.7Hz，就能滿足傳遞力小于輸入力的要求。

阻尼比的大小會對隔振系統(tǒng)的效果產(chǎn)生重要的影響。對于回轉(zhuǎn)機械的隔振系統(tǒng)，選取的系統(tǒng)阻尼比一般不超過0.15；對于鍛錘設(shè)備的隔振系統(tǒng)，需要的阻尼比要更大一些，一般取到0.25左右。也許，會有人擔(dān)心阻尼比過大會影響傳遞力，影響動載荷系數(shù)。其實不然，阻尼比適當加大可以有效地降低鍛錘工作時的振幅，降低傳遞力，但并不是越大越好。

根據(jù)研究，鍛錘的振幅大小和傳遞力大小與阻尼比具有以下關(guān)系：隨著阻尼比的增加，鍛錘振幅會不斷減小，在阻尼比大約等于0.25時，得到最小值，但通過阻尼器傳遞的力會先減小后增加。與無阻尼彈簧系統(tǒng)比較，此時振幅約為無阻尼彈簧系統(tǒng)的70％，傳遞力約為無阻尼彈簧系統(tǒng)的80％，如圖3所示。阻尼比為0.25之后，若阻尼比再增加，傳遞力不減反增，通過阻尼器傳遞的力將大幅度地增加。也就是說，如果在隔振時過分追求鍛錘工作的小振幅，就必須依靠增加系統(tǒng)的阻尼比或者增加彈簧的剛度來實現(xiàn)，但無論怎么做，都會導(dǎo)致傳遞到基礎(chǔ)上的力變大，使隔振效率降低。

圖3 振幅、傳遞力幅值與阻尼比的關(guān)系

研究揭示的規(guī)律可以概括為兩點：

⑴要使傳遞力小于輸入的激振力，必須使系統(tǒng)的頻率盡可能小于6.7Hz，也即垂向壓縮量必須大于5.6mm，這對于鋼制螺旋彈簧很容易實現(xiàn)。但是橡膠、枕木、砂墊等都比較難于滿足要求，防振溝對低頻振動起不到任何隔振作用，除非挖15～20m深的防振溝，否則振動波可以繞過溝底傳播。

⑵阻尼對降低振幅與傳遞力起很大作用，但又不是越大越好。實踐證明，鍛錘隔振系統(tǒng)的最佳阻尼比應(yīng)為0.25。

鍛錘隔振系統(tǒng)的隔振效率

對一個沖擊脈沖，如果隔振系統(tǒng)輸入脈沖力峰值為FC，傳遞脈沖力峰值為FA，則隔振效率用公式（1）表示：

對于脈沖載荷，輸入脈沖的持續(xù)時間是可以測量的，但輸入脈沖力峰值FC通常很難知道。無阻尼隔振系統(tǒng)，通過測量系統(tǒng)響應(yīng)振幅乘以總彈簧剛度算得輸出脈沖力峰值；有阻尼隔振系統(tǒng)，還要加上系統(tǒng)響應(yīng)速度峰值與總阻尼系數(shù)的乘積。

用測量鍛錘上加速度與緊挨隔振系統(tǒng)的地面加速度，來評估隔振系統(tǒng)的隔振效率不可取。因為在鍛錘上測得的大加速度，通常來自鍛錘本身高固有頻率振動。這些高固有頻率，即使不隔振也不會傳遞，而且在下層基礎(chǔ)上也只傳遞很短距離就衰減了。所以機器周圍測得的加速度很小，由此計算的隔振效率大大偏高，不反映真實值。

鍛錘隔振系統(tǒng)隔振效率的評估標準，應(yīng)該在靠近鍛錘某個相同的地點，比較不隔振基礎(chǔ)與隔振基礎(chǔ)的振動水平。這個評估標準，必須使機器首先用不隔振基礎(chǔ)，再用隔振基礎(chǔ)測量兩次才能實現(xiàn)。

當系統(tǒng)固有周期系統(tǒng)Te遠大于脈沖載荷的作用持續(xù)時間δt，即δt遠遠小于Te時，假設(shè)不隔振基礎(chǔ)傳遞力為FB，隔振基礎(chǔ)傳遞力為FA，則隔振系統(tǒng)的隔振效率可以用公式（2）計算：

式中，ηS=fB/fe

fB──機器加基礎(chǔ)支承在彈性下層基礎(chǔ)（不隔振）上的固有頻率，一般為10～20Hz以上；

fe──彈簧支承系統(tǒng)的固有頻率，一般為3～5Hz。

假定，fe遠遠小于fB，則公式（2）可簡化為公式（3）：

圖4所示的隔振效率曲線，表示不同頻率比ηS下隔振效率Is曲線。

圖4 隔振效率曲線

圖5 隔振示意圖

鍛錘隔振技術(shù)的發(fā)展歷史

不隔振的鍛錘固定基礎(chǔ)如圖5a所示，鍛錘通常被安裝在一個很大的固定基礎(chǔ)上面，由這個固定基礎(chǔ)來緩沖鍛錘工作時的沖擊載荷。在20世紀50年代，隔而固（青島）振動控制有限公司開發(fā)出了由螺旋彈簧、粘滯阻尼器與基礎(chǔ)塊組成的鍛錘隔振基礎(chǔ)，見圖5b，基礎(chǔ)塊尺寸比固定基礎(chǔ)小很多。70年代，隔而固（青島）振動控制有限公司針對自身質(zhì)量相當大的鍛錘，又開發(fā)出了沒有基礎(chǔ)塊的直接支承式彈簧基礎(chǔ)，見圖5c；對自身質(zhì)量小的鍛錘，可以先增加一個附加質(zhì)量，然后再支承在彈簧隔振器上，這樣既能保證隔振效果，又簡化了施工。根據(jù)地基基礎(chǔ)動、靜力學(xué)分析，地基底板厚度為0.50～1.0m。對于自由鍛錘來說，由于錘身和砧座是分離的，通常需要增加一個基礎(chǔ)塊將其連接在一起，然后再進行隔振，圖5d顯示的為典型的自由鍛錘的彈簧隔振基礎(chǔ)。為了驗證隔振效果，隔而固公司對一些搬遷改造的鍛錘設(shè)備進行了振動測試，表1列舉了這些鍛錘固定基礎(chǔ)與彈簧隔振基礎(chǔ)的振動速度。測量點位于距鍛錘中心10m處。

表1 各種噸位鍛錘固定基礎(chǔ)與彈簧隔振基礎(chǔ)的振動速度實測值

鍛錘隔振系統(tǒng)的構(gòu)成

鍛錘彈簧隔振系統(tǒng)由螺旋彈簧、基礎(chǔ)塊（如果需要）和粘滯阻尼器組成，如圖6所示。彈簧隔振系統(tǒng)的核心元件是彈簧與阻尼器，組裝在一起稱之為彈簧阻尼隔振器，見圖7。彈簧的主要作用是降低系統(tǒng)固有頻率，使傳遞力降低到小于輸入脈沖力；粘滯阻尼器的作用是讓彈簧隔振系統(tǒng)的阻尼比達到D=0.25左右，從而達到最佳隔振效果。鍛錘用彈簧要承受巨大的交變應(yīng)力，因此必須采用材質(zhì)優(yōu)良、淬透性能好的合金鋼材；粘滯阻尼器必須提供通過試驗實測的、參數(shù)準確的阻尼系數(shù)和使用性能穩(wěn)定并抗老化的阻尼介質(zhì)。

圖6 鍛錘彈簧隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 彈簧與阻尼器組成整體結(jié)構(gòu)的隔振器

設(shè)計一臺鍛錘的彈簧隔振系統(tǒng)需要用戶提供以下主要技術(shù)參數(shù)：

⑴制造廠家和型號。

⑵鍛錘質(zhì)量。

⑶下落部分質(zhì)量。

⑷最大打擊能量。

⑸砧座底部尺寸。

⑹砧座在地面下的深度。

⑺地質(zhì)資料。

結(jié)束語

為了使基礎(chǔ)傳遞力小于輸入的脈沖力，必須使系統(tǒng)的垂向固有頻率盡可能低于6.7Hz；為了取得最佳隔振效果，系統(tǒng)阻尼比應(yīng)盡可能接近0.25，隔而固（青島）振動控制有限公司的彈簧隔振技術(shù)能保證這兩大特性的實現(xiàn)。且經(jīng)實測數(shù)據(jù)證明，其隔振效率通?？梢赃_到80％以上。

尹學(xué)軍，德國工學(xué)博士，隔而固（青島）振動控制有限公司總經(jīng)理，中國工程建設(shè)標準化協(xié)會建筑振動專業(yè)委員會副秘書長，中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會噪聲與振動控制委員會常務(wù)委員。