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大型土木工程试验系统隔振设计与分析

论文编号:lw202004231641504671 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2020年04月24日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇土木工程论文,隔振与耗能减振技术作为缓解振动对建筑、机械等造成的危害的重要手段之一,长久以来备受科研工作者的关注,同时在实际工程当中运用也十分广泛。本文对目前机械的隔振设计进行了较为详细的研究,并归纳总结出一种能较好适用于土木工程试验设备的隔振设计方法,通过多功能试验机和振动台这两种最常见设备的隔振设计验证了该方法,同时引入舒适度的评判标准对试验设备产生的振动危害进行了评估。(1)通过对部分工业领域机械设备的隔振设计方法的探讨和归纳,同时考虑到土木工程试验设备的特殊性,总结出适用于土木工程试验设备的隔振设计思路和方法。该方法首先确定整体结构的基频,进而确定隔振层参数,最后通过核算正常使用情况下不同工况来验证隔振效果,具备一定的可行性和准确性。基于该方法对某大型多功能试验机进行隔振设计,考虑机中齿碰撞的特殊影响,通过简化模型分析验证其隔振设计的有效性。


第 1 章 绪论

1.1  课题背景

振动的危害在我们的日常生活中并不陌生,常见的如城市轨道交通引起的环境振动和噪声[1-2],由于其通常建于城区道路的下方,也经常直接从建筑物底部穿过,人们的正常工作会受到干扰,同时附近建筑物会因此产生振动,造成安全隐患[3]。在工业领域,常见的机械如压力机、锻锤、电液振动台和金属切削机床等机器在正常工作时也会产生振动,图 1-1 为某锻压设备。对于这些机械设备而言,其基础承受着不平衡扰力引起的振动以及机器的自重,如果该振动过大,将会影响机器的加工精度或者造成无法正常使用,甚至损坏机器和影响邻近的设备、仪器和人员的正常工作和生活,严重时会对周围建筑结构的安全造成威胁。比如某车间在长宽分别为 90 米和 12 米的二楼楼板上直接安装了大小不同的拉线机和绞线机设备共八个品种 53 台,总重近 30 吨。这些设备在工作时产生了严重的振动,导致车间长向两侧墙壁产生长达 50 米的多条横裂缝,12 个墙垛断裂了 11 个,个别已断开[4]。

图 1-1 某机械锻压设备

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 机械振动机器隔振技术的研究

由于自身的特殊用途,许多机械设备在正常工作时将会产生振动,比如汽轮发电机、风机以旋转的工作方式产生振动,内燃机则以活塞式往复运动工作造成振动,锻锤等以突然打击的方式产生振动,除此之外还包括一些随机扰力机器比如磨机等等。机械的振动不可避免,为了减小该振动对机械自身以及周围环境的影响,工程上往往采用振动控制方法或隔振技术对其减振。其中,振动控制[12-13]分为主动控制和被动控制,由于机械结构自身振动特性的高要求,
被动控制已经越来越难以实现较好的减振效果。机械的主动控制则包括整机、转子和其他方面的主动控制,常见形式是在机体和基础间设置作动器,施加控制力。在实际运用中,由于主动控制技术较为复杂且成本较高,大部分机械采用了隔振这种较为简便有效的方法处理振动问题。

工业领域当中的隔振主要包含两部分,即被动隔振和主动隔振[14]。被动隔振考虑的是减弱环境振动对精密仪器、设备的影响。如北京地铁十号线沿线经过中国空间技术研究院、中科院微电子所等振动敏感区域,必将引起仪器的振动,导致仪表刻度阅读的不准确,甚至损害仪器仪表。机械、仪器的被动隔振模型类似于建筑的隔震,即振源来自外部。而主动隔振则恰恰相反,振源为机械设备本身,其隔振目的则在于减小动力机器的振动对生产、工作以及建筑物周边环境产生的危害。目前国内外在这方面的研究和工程实例较为丰富[15-16],比如在金属零件锻造及建材制造中常见的螺旋压力机,中国南车集团曾引进德国 SMS  EUMUCO 公司的 5000 吨压力机,经过有效的隔振设计达到了水平方向隔振效率 59%,垂直方向 74%的优良效果。此外,无锡叶片厂引进的 12500吨螺旋压力机、陕西红原锻造厂引进的 8000 吨螺旋压力机经过合理的设计均满足了要求,至今使用良好,为提高生产效率做出了较大贡献。

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第 2 章 大型土木工程试验机的隔振设计方法

2.1  引言

合理的隔振设计方法是决定仪器或机械设备最终隔振效果的重要因素。对于不同的设备,具体的隔振方法会有一定的区别,但是总体的隔振设计思想具有一定的相似性。本章将对工业领域常见机械设备的隔振设计方法进行一定的总结。考虑大型土木工程领域试验设备的特殊性,讨论其隔振设计方法。

在工业领域,常见的需要进行隔振设计的机械设备主要分为精密仪器和动力机器两大类。其中,精密仪器的作用是满足高精度加工、装配以及测试,那么在其工作时必然对周边空气洁净、微振动、电磁干扰噪声等有着非常严格的要求。但是这种情况下,振源往往不是精密仪器自身,对其进行隔振设计时,也通常需要综合考虑建筑物地基基础和建筑结构振动、振源设备振动以及精密仪器自身振动。所以隔振方式通常选用主动和被动隔振相结合的方法,即对振源采取主动隔振,对精密仪器采取被动隔振。

动力机器主要包括旋转式机器、曲柄连杆式机器、冲击式机器、随机扰力机器等等,此类设备之所以需要隔振是为了减小其对设备自身生产、工作及建筑物周围环境产生的有害影响。由于振源在于机器本身,所以对其的隔振措施为主动隔振,通常采用支承式隔振体系,也就是在设备底座或刚性台座下设置隔振器。

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2.2  一般工业设备的隔振设计方法

本章所研究的大吨位、多功能土木工程试验机的隔振属于动力机器的主动隔振设计[27-28],其常见的隔振形式除了上文提到的支承式,还有悬挂式、悬挂兼支承式、隔振沟以及地面屏障式等。悬挂式主要用于隔离水平振动,而悬挂支承式则可用于同时隔离水平和竖向振动。隔振沟通常作为附加隔振措施用于隔离冲击以及高频振动,地面屏障式则是采用排桩或隔板等隔离振动,只在一些特殊场合比如隔振器受限时使用。

目前的隔振设计规范对于隔振的控制指标选择了设备振幅和隔振基础振幅,并且规定了精密仪器及设备容许振动值和动力机器基础的容许振动值。根据规范当中的设计原则,以及参考一些已有的成功大型隔振设计实例,对于动力机器的隔振设计总结分为以下三步:1、初选隔振体系固有频率;2、确定隔振层参数;3、计算机器和基础的振幅及传力等其它验算。对于某些具体的机器则会加入相应的一些特殊步骤,比如在对锻锤进行隔振时会加入锤头打击速度、砧座初速度等的计算等。

本文的研究对象为土木工程领域的大型试验设备,主要有大型多功能试验机以及地震模拟振动台等。此类设备往往具有较大的加载能力和丰富的加载形式,比如水平荷载和轴向荷载分别能够达到数千和上万吨。在隔振设计方面,
此类设备与动力机器有相似之处,设计总体思路和步骤也有一定程度的共通点,但是相比之下具有很多特殊性。首先,在振幅容许值方面,某些大型试验设备由于需要满足液压管路安全等要求,因此通常有更严格的振幅限值,也就是说大大提升了隔振设计的难度。其次,控制指标也往往不局限于振幅,因为设备规模较大,加载吨位高,对于基础的安全造成了一定的威胁,对于这一部分的验算也成为了隔振设计当中需要考虑的部分。最后,同样是因为试验设备的体型大,加载能力强,在正常使用过程中对周围环境的影响不得不考虑,有时候由于高强度试验构件的脆性断裂而造成的振动会对周边建筑结构造成影响,使试验人员产生不适,因此对于周边结构的安全性和人员的舒适度同样需要进行考虑和验算。

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第 3 章 多功能试验机的隔振设计与有限元分析 

3.1 引言 ........................... 16

3.2  多功能试验机隔振设计概述 ............................. 16

3.3  隔振支座选型与布置 .............................. 17


第 4 章 三轴六自由度振动台的隔振设计 

4.1 引言 ................................. 34

4.2  振动台隔振设计概述 .................................. 34

4.3  振动台工况验算 .............................. 36


第 5 章 大型土木工程试验系统周边建筑结构的振动分析与评估 .

5.1  引言 ......................... 47

5.2  周边结构振动分析 ......................... 47

5.1  引言

之前章节分别对地震模拟振动台和大型多功能试验机进行了隔振设计和隔振效果评估,通过简化模型和有限元分析得出的结果表明隔振效果良好,各项指标均达到了设计要求。然而,不同于一般的小型试验设备,此类设备体型较大,对于其周边结构的安全与舒适性仍然需要通过精确的计算和分析以满足人们的需要。本章将对前文所述振动台和试验机的周边建筑结构进行振动分析,在保证结构安全的基础上根据我国相关规范规定的限值评估其舒适性,进而更全方位的考察隔振效果。

试验设备的周边结构的二次振动分析主要通过有限元模型计算基础的振动响应,进而判断基础的安全性,并通过提取基础振动分析的结果计算上部结构的振动响应,判断振动对上部结构舒适度的影响。本节将对前文隔振设计对象大型多功能试验机和振动台周边结构进行上部结构二次振动分析。

图 5-1 基础内部结构模型

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结论

隔振与耗能减振技术作为缓解振动对建筑、机械等造成的危害的重要手段之一,长久以来备受科研工作者的

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