空氣彈簧隔振體系基本設計方法及施工要求

侯獻民

(上海國際汽車城產業發展有限公司，上海 201806)

隨著工業產業化的速度加快，工業廠房的建設規模也在增大，但是與民用建筑不同的是，工業尤其是制造業行業很多都實現了自動化或半自動化，大量的企業都在建造生產線和流水線，這些工業設施或設備對環境振動的要求很高，尤其是IC(半導體)廠房，TFT(液晶顯示器)廠房，TFT-LCD(彩色濾光片)廠房和其他精密光學儀器實驗室等等。作者在上海廣電富士光電建設公司建設五代TFT-LCD(彩色濾光片)生產線中參加對防微震機臺設置、制作、安裝、調試工作。表1為GB 50463-2008隔振設計規范中光刻設備容許振動值，對應為集成電路應用領域。

表1 光刻設備的容許振動值

對應如此高精度的振動容許要求，在目前工業領域中采用較多的隔振方法為空氣彈簧隔振方法，本文所研究的內容為微振動工程領域空氣彈簧減振和支座調平設計方法及施工要求。

微振動工程空氣彈簧隔振研究和應用方面，郭榮生(1992)［1，2］對空氣彈簧懸掛的振動特性和參數進行了大量的計算分析，得到在車輛應用系統中空氣彈簧的動力分布規律;樓京俊(2000)［3］介紹了空氣彈簧的基本特性、結構形式和基本原理，以單曲囊式空氣彈簧為例討論了空氣彈簧動、靜剛度的求解方法;李東升(2009)［4］對空氣彈簧隔振平臺調平精度影響因素分析，其(2010)［5］針對四點支撐的空氣彈簧隔振地基設計自動調平控制系統建立隔振地基數學模型，并根據其多點耦合特性提出一種解耦調平方案。

1 空氣彈簧隔振分析理論

工業振動隔振對象在設計和分析過程中，主要的理論依據是單質點單自由度體系動力學分析原理，實際中的工程見圖1，對應的簡化理論模型見圖2。單自由度體系動力學分析理論建立基礎為牛頓第二運動定律，其運動方程參見式(1)。

一般情況下，因為微振動領域的分析均為完全線彈性響應范疇，可以通過隔振措施將復雜的多質點多自由度體系簡化為一個簡單的單質點多自由度體系，所以也可以將隔振系統統一簡化為一個單自由度體系的結構體系進行分析，然后在各個需求自由度上進行疊加，這樣便可以獲取隔振系統的基本動力特性，比如基本質量、剛度、基本振動頻率等，實現利用單自由度體系解決單質點多自由度體系問題。單自由度體系具有較好的封閉性，可以得到完整的解析解，所以也可以獲取單自由度體系結構響應的動力放大系數。式(2)為單自由度體系結構考慮粘滯阻尼體系時的動力響應解析解形式，圖3為單自由度體系簡諧荷載作用瞬態響應，對應在不同粘滯阻尼體系下與靜力響應解的放大系數，可以參見圖4單自由度體系位移穩態最大反應動力放大系數。通過得到動力放大系數，就可以根據輸入荷載輕易獲取結構的動力響應。

2 空氣彈簧隔振設計基本方法

上面介紹了微振動問題的基本分析理論，在實際工程中主要是利用上述原理進行隔振設計的。微振動問題前面已經說明屬于完全線性問題，因此從設計方法角度而言，即是按照一定的振動要求，滿足一定的使用功能，確定合理有效的傳遞參數，并最終建立符合實際的線性系統。

對于線性系統的設計方法，工程應用上主要是利用反應譜或者是FFT譜的分析方法，即頻域分析方法，該方法的優點在于可以快速的建立其輸入、結構系統、輸出之間的線性關系，通過這種關系高效的確定結構設計需要的各種振動參數。式(3)為空氣彈簧隔振線性系統的輸入和輸出數學描述。

通過變換可以將式(3)轉換為式(4):

如果按照單自由度體系振動理論進行分析，可以快速得到對應的傳遞函數解析解表達式(5)。

為了更加清楚的說明式(5)的意義，表2為單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應傳遞函數最大值列表，圖5為單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應傳遞函數最大值曲線簇。

表2 單自由度體系不同基本頻率和阻尼比對應傳遞函數最大值列表

通過上面所述，可以知道只要確定的振動參數，滿足傳遞函數和輸入值的頻域求積，得到的輸出反應在容許振動范圍之內，則說明隔振設計有效。然而，實際隔振設計過程遠沒有這么簡單，在實施的過程中需要做很多的相關準備和工作，一般其設計和分析流程包括九個步驟:

1)工程設計和施工概況;2)微振動一般工業設計分析;3)微振動測試分析;4)確定微振動設計目標;5)進行常規和FE數值分析，并選擇合適的隔振原件、設備或裝置;6)判斷基本隔振設計是否滿足要求，如果不滿足，進入5)，如果滿足進入7);7)進行工藝燈輔助工業設計;8)組織現場施工;9)項目驗收及各項指標測試。

這些設計和施工步驟詳情可參見圖6，圖7。

3 橡膠空氣彈簧特點

目前，應用較多的空氣彈簧為橡膠空氣彈簧，一般按照氣囊種類可分為膜式、囊式和混合式三大類。空氣彈簧是由橡膠和簾布所組成的柔性部分與上下連接部件所密封成的總成。高強度纖維硫化于高質量的膠層之間，形成空氣彈簧的骨架，特別柔軟且具有高度的防破損能力，這取決于纖維簾線的結構角度，簾線密度和強度。兩端鋼絲圈經過硫化嵌入橡膠中。底座多為鋼板或輕質鑄鋼，并且表面鍍鉻處理，以減小氣囊與底座之間的摩擦。

橡膠空氣彈簧主要是通過送氣泵控制氣壓來實現隔振的。這種空氣彈簧在承受荷載過程中，位移不隨載荷的增加而變化，具有不變壓縮量的特性，這也是空氣彈簧在微振動隔振領域中應用較為廣泛的重要原因之一。工作時，可通過充氣泵進行充氣，一般隔振充氣氣壓范圍在0.1MPa～0.6MPa，氣壓的大小會直接影響空氣彈簧的剛度，隨著承載量的增加，彈簧的高度減少，內腔容積減小，彈簧的剛度增加，內腔空氣柱的有效承載面積加大，當承載量減小時，彈簧的高度增加，內腔容積增大，彈簧的剛度減小，內腔空氣柱的有效承載面積減小，此時彈簧的承載能力減小。

橡膠空氣彈簧具有較好的隔振特性，其單個的自振頻率在1.1Hz～1.6Hz，而上層隔振臺座為了保證有效隔振一般會按照剛體進行設計和施工，其單體自振頻率會在100Hz以上，因此橡膠空氣彈簧和隔振臺座組成的體系可以構成一個較為完整的單質點體系，該質點體系對應有6個自由度，通過振型分解法進行解耦，可以將單質點多自由度體系轉化為求解單自由度體系，進而可以進行計算每個分量自由度對應的振動頻率和振型。

該橡膠隔振系統具備的基本隔振性能是對于中高頻的荷載，則降低至設計目標值下;對于低頻振動荷載，則可以通過阻尼的使用和出場調試試驗，將阻尼調至可滿足低頻設計目標下。但是其自身也具有一定的缺點，如對于低頻或者超低頻荷載無法降低很多，這個主要是空氣彈簧的固有特性所決定的，如果隔振要求更高，或者低頻段有較多較大振動源存在，那么需要采用主動控制隔振裝置或者混合隔振裝置(可參看中國電子工程設計院防微振動工程設計研究所工程成功案例)。

在橡膠式空氣彈簧相關研究和應用過程中，莫榮利(2005)［6］對空氣彈簧隔振性能進行了試驗研究，研究了其剛度和阻尼特性;鄭明軍(2008)［7］對利用工程熱力學理論，建立了有、無附加氣室空氣彈簧的力學模型，推導出空氣彈簧剛度與頻率的數學表達式，并對影響空氣彈簧特性的主要因素進行了分析。研究結果表明:空氣彈簧具有明顯的非線性特性，在外載荷變化大時，自振頻率基本保持不變;空氣彈簧的工作氣壓、有效面積變化率、工作容積、工作狀態及節流孔直徑是影響空氣彈簧性能的主要因素。圖8為空氣彈簧簾線層模型示意圖，圖9為空氣彈簧實物圖。

4 空氣彈簧隔振系統施工基本要求

傳統的空氣彈簧隔振系統從隔振方式角度講屬于被動隔振裝置，其自下而上包括地基基礎、隔振裝置承載基礎、隔振裝置連接固定裝置、空氣彈簧隔振裝置、隔振臺座五個部分。本文主要從實際工程角度簡單列舉空氣彈簧隔振系統施工基本要求。

首先，嚴格按照GB 50011-2010建筑抗震設計規范中要求，在進行地基基礎設計時，根據場地類別、抗震等級、烈度分屬等信息進行地基承載力、抗震、抗傾覆等設計和驗算，尤其是在沿海地區等4類場地條件下，一定要采用筏基或者樁筏混合基礎設計方法，確保地基穩定性，提高地基的抗傾覆能力，同時提高地基的整體剛度。

在建立隔振裝置承載基礎前，要事先在地基基礎澆筑時預留搭接鋼筋接頭，承載基礎的選取位置，應確保和隔振臺座平面內形心位置一致或者偏差不大，因為有可能上部承載較大，而且空氣彈簧隔振裝置水平面內具有平整度要求，所以可采用型鋼混凝土或者配筋率較高的普通混凝土基礎。在基礎澆筑完畢后，必須進行各個基礎頂面標高找平工作，確保每個基礎頂面標高誤差不超過設計容許值，一般可建議在2mm/m以內。基礎頂面需安裝連接空氣彈簧底座的連接板，板上設預留孔。

隔振裝置連接固定裝置以及調平裝置，可以同時通過兩階段進行控制施工，第一階段為工廠內進行機械加工，通過機械控制保證空氣彈簧本身滿足土建或隔振設備要求，第二階段為體內通過土建現場施工手段進行控制，如現場測試、調平、灌漿等等措施。

空氣彈簧隔振裝置本身需要通過機械加工的方式確保其水平面平整度達標，出廠前需要對單個和組合后的空氣彈簧隔振體系進行擬加載配重測試，檢驗其隔振性能。

隔振臺座的設計和施工主要原則為要確保隔振臺座重心、幾何形心、剛度中心重合，同時要確保隔振臺座的基本頻率越高越好，而且其承載中心要盡量和重心重合，施工時可采用型鋼混凝土方式，盡量不要采用普通的鋼筋混凝土方式，主要原因是為了確保臺座的整體剛度較好，其局部振型對應頻率要比普通鋼筋混凝土高，與空氣彈簧組合起來，抗震性能更好。

5 結語

本文根據空氣彈簧隔振體系在工業微振動領域中的應用情況、現有研究成果，通過基于單質點單自由度體系動力學理論，簡要說明微振動隔振原理和方法，并說明了空氣彈簧隔振設計基本方法，對橡膠式空氣彈簧基本特性進行了說明，并對空氣彈簧隔振體系現場施工注意事項進行了簡單介紹。

［1］郭榮生.空氣彈簧懸掛的振動特性和參數計算(上)［J］.鐵道車輛，1992(5):1-6.

［2］郭榮生.空氣彈簧懸掛的振動特性和參數計算(下)［J］.鐵道車輛，1992(5):1-6，18.

［3］樓京俊.空氣彈簧特性研究［J］.噪聲與振動控制，2000(5):6.

［4］滿 楠，禹 靜，李東升.空氣彈簧隔振平臺調平精度影響因素分析［J］.計量學報，2009，30(Z1):32-33.

［5］滿 楠，李東升.空氣彈簧隔振地基自動調平系統研究［J］.液壓氣動與密封，2010(1):28-29.

［6］莫榮利，謝建藩，楊 軍.空氣彈簧隔振性能和試驗研究［J］.噪聲與振動控制，2005，12(6):11-12.

［7］鄭明軍，陳瀟凱，林 逸.空氣彈簧力學模型與特性影響因素分析［J］.農業機械學報，2008，39(5):3-4.