4種不同結構地基的隔振效果測試分析*

夏 歡 吉 方 陶繼忠

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

目前，精密加工是指加工精度為1～0.1 μm，表面粗糙度為Ra0.1～0.01 μm的加工技術;超精密加工是指加工誤差小于0.1 μm，表面粗糙度小于Ra0.025 μm的加工技術，也稱為亞微米級加工［1］。

工作環境如溫度、濕度、凈化和防振等，對精密、超精密加工的質量影響很大。振動使被加工零件精度降低，粗糙度值增大，無法保證加工質量要求。本文從機床獨立地基的結構出發，分析不同結構地基對外界振動的隔振效果，從而建立適合精密、超精密加工隔振要求的獨立地基模型。

1 振動的類型

振動主要分為強迫振動和自激振動兩種。

強迫振動是物體受到一個周期變化的外力作用而產生的振動。如回轉零部件不平衡，傳動系統中的齒輪、軸承等沖擊，機床導軌的磨損，附近有產生振動的大型設備，重型車輛頻繁在附近行駛等。

自激振動（顫振）由振動系統本身在振動過程中激發產生的交變力所引起的不衰減的振動。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動也會發生。對于運動的機床，振動還會影響回轉精度。如毛坯局部有氣孔、砂眼等缺陷導致工件材料硬度變化，刀具的選擇不當或安裝剛性差，積屑瘤的時生時滅導致刀具與工件之間摩擦力的變化，切削量不合適或在切削過程中發生變化。

本文針對強迫振動中外界環境的振動的隔振進行討論。外界振動在土壤中的衰減有兩種原因:一是土壤阻尼對振動能量的消耗吸收;二是振動隨著距振源中心的幾何距離增大而擴散［2］。現代化的工廠為了提高生產效率，減少運輸等輔助加工時間，設備之間的間距越來越小，如精密加工機床之間距離只有1 m左右;在機加工機床旁設有三坐標測量機;在鍛造車間附近往往又是精加工車間，精加工設備及精加工機床非常靈敏，對環境振動要求很高。因此，精密、超精密加工和檢測設備都應安裝在獨立隔振地基之上，減小或消除附近產生振動設備的影響。

2 隔振地基模型

4種隔振地基模型如圖1所示，其中圖1a為混凝土獨立地基，地基周圍無隔振溝;圖1b為雙層地基疊加，下面一層為混凝土地基，上面一層為鋼筋混凝土，兩層之間和鋼筋混凝土地基周圍有聚苯乙烯隔振墊板，地基周圍無隔振溝;圖1c為多層材料地基從下至上分別有細沙、碳花、水泥封裝、聚苯乙烯墊板、混凝土、聚苯乙烯墊板和混凝土，地基周圍有封裝磚，而且設有隔振溝;圖1d也為多層結構，從下至上分別有減振橡膠、吸振材料、膠合板、混凝土地基，中間有低碳鋼加強筋一處，地基周圍有吸振材料，吸振材料外設有隔振溝，溝內填充細沙、泡沫等材料。

對于通過地表傳播的振動，地面振動隔離的方法可分為緩沖隔振和屏障隔振［3］。緩沖隔振是一種簡便、有效、實用的方法，如4種隔振地基中a和b的結構形式，但交通引起的地面振動不能采用緩沖隔振;而屏障隔振可隔離任何原因引起的地面振動。屏障隔振是在振源和被保護物體之間設置一個垂直于地表的隔離層，當振動波遇到隔離層時，可以達到減小振動的目的，如4種隔振地基中c和d的結構形式。

3 測試結果及分析

為保證外界的振源相同，盡量在同一時間段內對4種不同結構的獨立地基進行測試，每個測量點都有3個方向的振動，測量中發現兩水平方向振動基本相同，所以只給出垂直和水平兩組振動測試結果。圖2所示為垂直方向振動的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關系。

圖2a中振動頻率分布在0～50 Hz之間，隔振效果不好;圖2b中振動頻率基本分布在0～40 Hz之間，10 Hz以上有局部突出點，但對于低頻段隔振效果不佳;圖2c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖2d中振動頻率分布在0～25 Hz之間，在隔振頻率方面效果最好，但10 Hz以下有突出點，幅值很大。

圖3為水方向振動的位移幅值（放大5倍）與頻率之間的關系。圖3a中振動頻率分布在0～50 Hz之間，幅值在0.1 μm以內，隔振效果不好;圖3b中振動頻率基本分布在0～50 Hz之間，有局部突出點，隔振效果也不好;圖3c中頻帶分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。圖3d中振動頻率分布在0～15 Hz之間，幅值小于0.08 μm，在隔振頻率和振動幅值方面效果都是最好的。

綜上所述，第一種隔振地基最下面沒有減振材料，也沒有隔振溝，隔振效果最差;第二種地基中間有聚苯乙烯夾層起到一定的隔振效果，但該地基沒有隔振溝，20 Hz以上有些點的振動無法消除;第三種地基結構比較復雜，分多層隔振并設有隔振溝，對振動幅值的消減起到了很好的作用，但在消除隔振頻率方面不如第四種地基;第四種地基結構也比較復雜，混凝土中混合有低碳鋼加強筋，由于低碳鋼加強筋存在使得它的水平隔振效果最好，但同時垂直方向的振幅也有所增加，沒有達到最佳狀態。

4 結語

針對不同機床的使用要求不同，隔振地基結構形式也有不同。如機床對垂直方向要求高，水平方向振動要求不高時，可采用分體多層隔振地基，減小垂直方向的振幅;但機床對垂直和水平方向振動要求都高時，盡量采用一體式地基，使垂直和水平方向的振幅都能滿足要求。另外隔振地基的厚度與機床的質量、外形尺寸、地質情況等因素也有關，設計隔振地基時，應充分考慮，而且隔振地基底部和四周應有吸振材料，并設有隔振溝。

［1］鄧英劍.精密及超精密加工中的振動控制［J］.湖南冶金職業技術學院學報，2003（9）:230－231.

［2］尹學軍.振動控制在工業設備中的應用（一）［J］.工程建設與設計，2003（8）:11－13.

［3］陳智鋒，張紹宗，呂海寶，等.隔振設計在超精密加工與測量中的應用［J］.航空精密制造技術，2002（6）:10－13.