某型試驗器基礎隔振設計方案分析

崔政委 田 赫

（中航規(guī)劃設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 基本情況

1.1 試驗器概況

某型號直升機動力傳動軸綜合科研試驗器，主要用于XX傳動系統(tǒng)動力傳動軸的運轉試驗、耐久性試驗及高周疲勞試驗，其組成主要包括機械主體部分、拖動控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)、電氣附件系統(tǒng)、動態(tài)分析系統(tǒng)、應變遙測與分析系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)等部分。試驗器傳動原理圖如圖1所示。

設備主要技術參數(shù)如下：

最高試驗轉速：21 000 r/min

額定轉速：15 000 r/min

最大試驗功率：1 570.7 kW （額定轉速）

最大試驗扭矩：1 000 N·m

圖1 試驗器傳動原理圖

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察報告， 場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，密實度不均勻；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。

強風化炭質(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 設備基礎土建要求

試驗器機械主體連同各平臺總重量約為105噸。機械主體基礎設計時，除必須保證其結構具有足夠的承載能力，還應考慮對基礎周邊進行隔振設計，盡可能減少機械主體振動的外傳。機械主體基礎還須布置用于調(diào)整平臺的調(diào)整塊和用于緊固平臺的地腳螺栓預留孔。

2 隔振方案比對

2.1 常規(guī)方案

設備基礎隔振設計，通常采用加大配重比和設置隔振溝的傳統(tǒng)辦法。一般配重比要達到1∶5以上，導致鋼筋混凝土基礎的體積很大，土建造價高，而且還要占用較大面積，使得整個廠房內(nèi)的工藝設備布置、管溝開設、線路敷設等都受到較大限制。隔振空溝則是最有效的地面屏障，任何波均不能通過，但是無法做到H≈λR的深度，實施起來有較大的局限性。

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組合的隔振體系，這種隔振體系最大的缺點是隨著工作時間變長，鋼彈簧逐漸老化而又不能及時更換，導致隔振效果越來越差。而技術比較先進的空氣彈簧伺服系統(tǒng)隔振體系價格昂貴、原理復雜、維護較煩瑣。

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）。隔板屏障隔振對于近距離設備的隔振避震效果較好，排樁屏障隔振則對遠距離設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)、共同作用以減弱設備振動對外界的影響。

3 實施方案分析

綜合考慮以上幾個方案，采用隔板屏障+排樁屏障并聯(lián)的隔振方案，同時，要求配合信息控制法，進行實時監(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于近場設備和建筑物的振動影響；利用振動波的散射及干擾現(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于遠場設備和建筑物的振動影響。

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，可以將設備本身傳出的振動削弱掉一部分，削弱程度和厚隔板的自振周期與建設場地地面脈動最大加速度的周期比值有關，稱之為振動的穿透率 （ξ），其定量關系可用下式表示：Al=ξA0，其中Al為鋼筋混凝土厚隔板上i點處的振幅，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——建設場地的地面脈動最大加速度對應的周期。

鋼筋混凝土板彈性板的剛度KZ可按照《建筑振動工程手冊》中的經(jīng)驗公式來計算，即：KZ=CZA。

其中CZ——地基土的剛性系數(shù) （由試驗測得，無試驗數(shù)據(jù)時可按照《建筑振動工程手冊》中取值）；

A——鋼筋混凝土彈性板的面積。

對本設計而言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，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)場測試，建設場地的地面脈動最大加速度對應的周期TS=0.038 46 s。

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

鋼筋混凝土厚隔板的厚度取為1.5 m時，計算出穿透率ξ=0.236=23.6%， 理論上由于鋼筋混凝土厚隔板的屏障效應，可以使傳出的內(nèi)部振動減少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)境振動的有效措施之一。其隔振原理是利用振動波的散射干擾現(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)改變后會產(chǎn)生散射及反射現(xiàn)象。當排樁樁徑及樁間距布置合理時（ 樁間距=1.5～2倍樁徑時），非連續(xù)的排樁屏障可以看作近似整體屏障而將振動波反射、散射掉相當大部分，從而達到隔振的效果。

根據(jù)相關檢測報告，本建設場地的環(huán)境振動波長在8～12 m，綜合考慮設計排樁長度8 m，近似等于振動波長，其對周圍環(huán)境振動的屏蔽效果較好。

3.3 隔振方案

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

圖2 設備基礎平面布置圖

圖3 隔振體系剖面示意圖

4 結語

總體上來說，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波傳遞介質(zhì)的性狀，提高了整個隔振體系隔振效率。