混凝土预制构件振动台隔振系统设计研究

曹国巍，周 磊，魏 乾，陈炜宁，石小虎

（1.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065001；3.北京建筑机械化研究院有限公司，北京 100007）

预制混凝土构件振动台隔振系统主要用来将振动台所产生的振动与安装基座或者地面进行隔离，阻断振动的传递，减少振动对基座、地面、地基及其他装置造成危害，其在整个振动系统中有着重要的作用，既保证了振动台自身结构，又保护了周围物体不受振动危害。

预制混凝土构件振动台隔振系统一般由多组橡胶弹簧组成，本文针对振动台隔振系统多组橡胶弹簧刚度的选用进行了设计计算，通过计算可取得最优的设计参数，从而确定橡胶弹簧的参数。

1 隔振特性分析

所谓隔振，就是在振源与设备之间，安装若干具有一定弹性和阻尼性能的隔振装置，将振源与基础之间或者基础与防振设备之间的刚性连接改成柔性连接，以阻隔并减弱振动能量的传递。根据隔振目的的不同，一般可将其分积极隔振与消极隔振两种性质不同的隔振。

振动台作为振动源，工作时产生的振动波对车间其他设备造成一定程度的影响，因此需设置隔振系统以减小振动对其他设备影响，此为积极隔振。

隔振系统的隔振效果通常用传递比来表示，对于积极隔振，传递比定义为传递到基础上的力幅与振源激振力幅之比。

根据定义，振动台工作时，隔振传递比表达式如式（1）

式中λ——频率比，λ=ω/ωn；

ωn——系统固有频率，

ω——激振频率；

ζ——阻尼比，ζ=

C——系统阻尼系数；

M——参振质量。

以频率比λ、传递比TR及阻尼比ζ为变量，可做成图1 所示隔振特性曲线图。

图1 隔振特性曲线

由图1 可以得出结论如下。

1）当λ>的区域内，TR<1，这个属于隔振区，才有隔振效果，当λ>时，随着振动频率的增加，传递比减小，隔振效果越好。当λ>5后TR值变化不是很大，结合工程实际经验，一般取值为2.5～5 之间效果最佳，既保证了隔振效果也保证了隔振弹簧的工艺性。

根据对系统隔振特性曲线图的分析可知，振动台隔振系统的隔振效果与系统的刚度、阻尼系数密切相关。除此之外，对振动台隔振系统的设计还需考虑振源、参振质量等因素，以便获得最佳的隔振效果。

2 隔振系统设计

以本研究课题为例，预制混凝土构件振动台隔振系统选用10 组橡胶弹簧，每组4 个，共计40 个橡胶弹簧，分布在振动台底部两侧，作为振动台的隔振系统与支撑结构，其结构形式如图2、图3 所示。

图2 隔振系统布置平面图

图3 隔振系统布置图

天然橡胶因其阻尼系数高，刚度由自身尺寸决定。弹性模量比金属小，变形量较大，具有很好的各向同性，能够承受多向载荷，耐磨性好，可有效减小振动。故本振动台选用天然橡胶作为弹性元件，其截面为方形结构，上部连接板与下部底座板采用钢板作为安装结构，天然橡胶与上连接板及下部底座板的采用专用材料胶结，且与橡胶结合的钢板面均经过特殊处理，增加连接强度，保证振动过程中不开裂，其结构如图4所示。

图4 橡胶弹簧结构图

对于该预制混凝土构件振动台，其具有水平低频及垂直高频振动功能，隔振系统应能同时满足水平低频及垂直高频振动的要求，现分别进行分析。

2.1 垂直高频振动隔振计算

对于垂直高频振动系统，其设计振动频率为ωv，满载混凝土时的参振质量为Mm，根据以上设计参数，对满载时的隔振系统垂直刚度进行计算，如式（2）

式中Mm——系统满载混凝土时的参振质量；

ωv——垂直高频振动频率，rad/s，常用30～80Hz；

λ——频率比，按隔振特性曲线图取2.5～5。

由以上可计算得出振动台隔振系统垂直方向总刚度，除以支撑橡胶弹簧数量即可得单个橡胶弹簧的设计刚度。

隔振器选择橡胶隔振器，取阻尼比ζ=0.08，从可得

即可得系统的总阻尼系数。

在振动台满载未工作时，橡胶弹簧有一定的压缩量，称为弹簧的静变形f0。

为保证振动台在启动或停车过程中，隔振器与振动台始终保持接触，其工作过程中可能产生的最大动变形fd应小于静变形f0，即

橡胶弹簧的动应变fd在振动台启动、停车时通过共振区时为最大，其值一般为设备垂直方向振幅A的3～7 倍，即

将式（4）、式（6）带入式（5）可得

计算所得的弹簧刚度系数还应满足式（7）的要求。

2.2 水平低频振动刚度计算

对于水平低频振动系统，其设计振动频率为ωh，满载混凝土时的参振质量为Mm，根据以上设计参数，对满载时的隔振系统水平刚度进行计算，如式（8）

式中Mm——系统满载混凝土时的参振质量；

ωh——水平低频振动频率，rad/s，设计最大值为5Hz；

λ——频率比，按隔振特性曲线图取2.5～5。

由以上可计算得出振动台隔振系统水平方向总刚度，除以支撑橡胶弹簧数量即可得单个橡胶弹簧的设计刚度。

另外，对于该振动台，根据设计要求，其水平低频系统的振动实际为X或Y方向的低频线性摇摆运动，橡胶弹簧同时充当了低频摇摆运动的弹性元件，以此计算弹性元件系统的刚度kx，计算如式（9）

式中F——水平最大激振力；

Δx——1/2 满载最大振幅。

该振动台的水平振动激振力的大小为

式中m——水平偏心块的质量；

E——偏心块的偏心量。

由式（9）和式（10）计算可得

综上所述，结合垂直与水平振动的计算，选取最优的刚度，设计橡胶弹簧的截面尺寸、高度尺寸及橡胶的硬度，以保证其刚度满足使用要求。

3 结语

对于具有垂直高频与水平低频振动的预制混凝土构件振动台，计算隔振系统刚度时，应同时考虑垂直与水平的刚度，既保证橡胶弹簧能满足隔振要求，又要满足振动台的承载要求，还要满足水平振动时作为弹性元件的刚度要求，分别计算，对比选取最优的参数。同时，振动台为取得较好的振捣效果，一般需要较大的振幅，而振幅增大弹簧的刚度系数就要减小，也要使激振力降低，故需要在各参数中做好权衡。