離心機懸浮式地基振動分析

趙穎濤，魏占利，張國庫，楚江鋒，閆瑞浩

（1.西安捷盛電子技術有限責任公司，西安 710119； 2.陜西寶昱科技工業有限公司，西安 710065；3.西北機器有限公司，西安 710119）

引言

離心機在運行過程中會對周圍建筑產生影響，這種影響主要是由于離心機運轉過程中的振動引起，振動來源主要有主軸系統的制造公差、軸承的旋轉誤差、轉鼓的同心度誤差、以及離心機運轉過程中負載的不平衡。為了減小離心機對周圍環境的影響，設計師通常采用主動防振手段，和被動隔振方式。

采用任何一種方式，要達到很好的效果，其成本都是很高的，因此需對兩種手段同時應用，主動防振主要是對離心機加工和裝配精度進行要求，被動防振可以采用隔振的技術，隔振方式的選擇尤為重要。為了適應不同離心機的地基設計要求，我們通過采用地基懸浮式機構進行隔振分析，定量計算振動量級對設計的懸浮式地基進行評價。

1 懸浮式地基參數

懸浮地基采用橡膠懸浮隔振把離心機地基混凝土與建筑筏板之間進行隔離，使混凝土和離心機懸浮在建筑筏板之上。分析時采用分部耦合模式進行，先現將離心機-機座-橡膠支座看做一個結構，通過計算傳遞的力，再分析筏板-地基的振動。

分析過程中設定機座混凝土在四個角放置橡膠支座支撐，橡膠支座分布方案如圖1所示。

圖1 橡膠支座支撐方案

采用離心機運轉的最高指標要求，通過ANSYS進行設計仿真計算，得出在一定轉速下的懸浮支撐的支座反力如圖2。

圖2 2 kg偏載量支座反力大小及方向

帶偏載量離心機運動中形成的4個支座的支座反力可以描述為以下的函數。

2 分部式模型耦合分析

2.1 筏板-地基模型的振動強度

筏板四周為建筑土壤，分析時把土壤等效為彈簧阻尼系統，在圖3中建筑（筏板）各個方向的尺寸均有表示，將計算的離心機混凝土基座對建筑（筏板）的擾動力作用到筏板支撐臺上，分別存在水平力Px和垂直力Pz，在四個不同的支撐臺上，其受到離心機運轉時的水平力大小和方向一致。但垂直力Pz是為大小相等，方向相反的力偶結構。

圖3 筏板-地基模型圖

2.2 建筑（筏板）振動幅值計算

依據GB 50040-96《動力機器基礎設計規范》分析筏板在水平擾力Px和垂直擾力Pz沿x向偏心矩作用下，產生x向水平、繞y軸回轉（即x-φfalse向）的耦合振動如圖4，筏板頂面控制點的垂直和水平向振動線位移計算：

水平擾力Px：

垂直擾力Pz：

將水平及垂直動力加載在圖4筏板-地基模型上得出筏板在水平及垂直擾動力下的振動曲線如圖5。

圖4 x向水平、繞y軸回轉的耦合振動

圖5 筏板在水平及垂直擾動力下的振動曲線

依據《機械工業環境保護設計規范》得出振動方向振級評價量。

水平方向的振級評價量：

垂直方向的振級評價量：

3 地基振動衰減的計算

依據GB 50040-96《動力機器基礎設計規范》的地面振動衰減。當動力機器基礎為垂直或水平方向振動時，距離該基礎中心r處地面土的垂直或水平振動線位移可按照下列近似計算公式計算。

式中：

Ar—距振動基礎中心r處地面的振動位移；

Ao—為振動基礎的振動線位移；

f—擾動頻率，9.7 Hz；

ζ—一般性粘土、粉土、沙土取值0.4；

a—能量吸收系數，硬塑的粘土取值0.004。

計算距離離心機地基邊緣處的水平振級評價量見表1。

表1 距離離心機地基邊緣處的振級評價量

通過計算得知：地基混凝土在離心機運行到最大加速度下時的振動評價量級最大，其中水平及垂直振級評價量分別為66.9 dB，71.69 dB。通過對離心機的振動傳遞衰減計算，得出離心機運轉產生的振動通過建筑外部的土壤進行傳播，在振動幅值上下降較為明顯。在距離建筑（筏板）10 m處的水平和垂直振動分別為57.75 dB，61.53 dB。通過對照《城市區域環境振動標準》振級限值。該離心機在最高轉速下運轉的振級參照表2，建筑物滿足混合區、商業中心的要求。對于距離離心機地基處10 m半徑區域外傳播的振動衰減為57.75 dB，61.53 dB，滿足特殊住宅晝間和夜間的振級要求。

表2 GB/T 10070-88《城市區域環境振動標準》振級限值

4 結論

本文采用被動隔振技術對離心機運行的地基進行懸浮式設計，通過建立離心機-地基-橡膠支座和橡膠支座-建筑筏板-地基的模型，分析了離心機運行過程中力的傳遞，得出滿足國標要求的振動評價量級，提出了大型離心機懸浮地基設計的可行性方案。為離心機采用懸浮式地基基礎提供了依據。