1 概述
機(jī)械壓力機(jī)的種類多、數(shù)量大、分布廣,較多工廠都要使用,其振動(dòng)危害較大。據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料顯示[1—5],壓力機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度通常在60dB—90dB之間,較大型壓力機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)130dB(實(shí)測(cè))。壓力機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)頻率成份實(shí)測(cè)在15Hz~30Hz的范圍內(nèi)。對(duì)這種低頻振動(dòng),人們感覺(jué)并不靈敏,但對(duì)人體的危害卻很大。長(zhǎng)期在壓力機(jī)旁工作的人會(huì)出現(xiàn)內(nèi)分泌失調(diào)、失眠、脾氣暴躁、反映遲鈍等癥狀。另一方面,壓力機(jī)激起的基礎(chǔ)振動(dòng)傳至車間內(nèi)其它精密設(shè)備,會(huì)干擾其正常工作;傳至柱基會(huì)對(duì)廠房造成附加應(yīng)力;傳至辦公樓和居民區(qū)會(huì)影響人們的正常工作和生活,并因此引起廠群矛盾。高速壓力機(jī)相對(duì)低速壓力機(jī)而言,其行程次數(shù)一般在200RPM—1000RPM,其在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)往往對(duì)周圍環(huán)境造成不利影響,消除和減少這種影響的有效辦法是對(duì)其采取隔振措施。
某汽車配件廠有三臺(tái)用于生產(chǎn)汽車空調(diào)散熱片的高速壓力機(jī),其中兩臺(tái)公稱壓力為100噸,一臺(tái)公稱壓力為50噸,生產(chǎn)時(shí)對(duì)周圍居民造成較大的影響,需進(jìn)行隔振處理,根據(jù)城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝的需要,廠方對(duì)隔振效果有兩點(diǎn)要求:(1)采取隔振措施后,壓力機(jī)臺(tái)座位移幅值<0.4mm;(2)距高速壓力機(jī)30m處居民點(diǎn)的環(huán)境振動(dòng),白天VL<75dB,夜間VL<72dB。本文在探討高速壓力機(jī)振動(dòng)原理的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了隔振措施的工程試驗(yàn)研究。
2 高速壓力機(jī)振動(dòng)及隔振設(shè)計(jì)
2.1高速壓力機(jī)振動(dòng)分析
一般來(lái)說(shuō),高速壓力機(jī)的振動(dòng)是由激振力(動(dòng)載荷)的大小來(lái)決定的。高速壓力機(jī)的激振力主要為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的慣性力和加工力,一般情況下前者大于后者,但激振頻率是前者小于后者。高速壓力機(jī)的行程次數(shù)約為200RPM—1000RPM,其對(duì)應(yīng)的激振頻率一般在3Hz~16Hz。
2.2高速壓力機(jī)隔振設(shè)計(jì)
(1)激振力
在隔振設(shè)計(jì)中,激振力即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的慣性力,視為正弦力,即:
F0=m 0a(1)
式中m 0——與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相連接的運(yùn)動(dòng)部分(含上模具)質(zhì)量
a——運(yùn)動(dòng)部分的加速度
其中加速度a可由式(2)求出。
a=ω2X 0=(2πf 擾)2X 0=QN 2X 0Sinωt(2)
式中 Q——系數(shù)
N——行程次數(shù)
X 0=行程數(shù)值(一般指在靜態(tài)時(shí),上下模具間的距離)
由式(1),(2)可得
F=m 0QN 2X 0Sinωt(3)
由(3)式可以看出,激振力的大小與運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量和行程次數(shù)的平方成正比。因此,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下,適當(dāng)減少行程次數(shù)N,可使激振力有較大幅度減少。
(2)加工力
實(shí)際上激振力還包括上、下模具接觸時(shí)的打擊力。打擊力相當(dāng)于瞬時(shí)之間上模給下模一個(gè)沖量,對(duì)于高速壓力機(jī)來(lái)說(shuō),此力小于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的不平衡慣性力,并且加工力激起的振動(dòng)頻率大于慣性力激起的振動(dòng)頻率。從隔振的觀點(diǎn)看,能隔離加工力引起的振動(dòng),也就能隔離激振力引起的振動(dòng)。
2.3高速壓力機(jī)隔振工程途徑
(1)對(duì)于每分鐘行程次數(shù)較高的高速壓力機(jī)(每分鐘行程次數(shù)大于400次),隔振系統(tǒng)的固有頻率可選擇f 慣:f 0>(3~4.5),這樣既能有效隔離慣性力,又能很好地隔離加工力,隔振效率較高。
(2)對(duì)于每分鐘行程次數(shù)較低的高速壓力機(jī)(每分鐘行程次數(shù)小于400次),一般可以選擇隔振系統(tǒng)的固有頻率大于慣性力頻率,即讓?xiě)T性力不衰減傳入地基而將其他頻率較高的擾力隔離,此時(shí),隔振效率較低。
(3)在隔振裝置中,將固有頻率設(shè)計(jì)成小于激振慣性力的頻率,實(shí)際上是利用高速壓力機(jī)自身整體上下運(yùn)動(dòng)的慣性力和曲軸滑塊機(jī)構(gòu)的慣性力互相抵消,從而達(dá)到隔振的目的。這樣高速壓力機(jī)自身必然產(chǎn)生一定幅值的上下位移。一般將高速壓力機(jī)的縱向位移控制在0.5mm~3mm范圍內(nèi)對(duì)高速壓力機(jī)本身及產(chǎn)品質(zhì)量的影響較小。
3 高速壓力機(jī)隔振實(shí)施效果
3.1 高速壓力機(jī)的隔振
根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),100噸壓力機(jī)的振動(dòng)頻率以5Hz為主。在實(shí)踐中有三種方法可以有效地控制高速壓力機(jī)的振幅;(a)增大高速壓力機(jī)的附加質(zhì)量;(b)用動(dòng)力吸振器抑制高速壓力機(jī)的振動(dòng);(c)在保證加工質(zhì)量的情況下,適當(dāng)降低行程次數(shù)。
(1) 采用阻尼彈簧隔振器
假設(shè)阻尼比足夠大,能夠在下一次沖擊到來(lái)之前將附加位移消除掉,則當(dāng)阻尼比ξ≥0.1時(shí),臺(tái)座位移幅度值按式(4)計(jì)算:
(4)
(設(shè)阻尼比ω≥1)
為獲得較高的隔振效率(大于80%),根據(jù)實(shí)際情況,取壓力機(jī)和隔振臺(tái)座的質(zhì)量總和為60噸,針對(duì)f擾=5Hz計(jì)算,得隔振系統(tǒng)的總剛度K=10624N/mm,固有頻率f=2.1Hz,臺(tái)座振幅Az=2.2mm。如果兼顧隔振頻率,且隔振系統(tǒng)位移振幅要控制在0.4mm以下,則只有同時(shí)增加剛度和臺(tái)座質(zhì)量,此時(shí)隔振系統(tǒng)的質(zhì)量應(yīng)為330噸。顯然,這樣龐大的系統(tǒng)在實(shí)際中很難做到。
如果既要降低振幅,又不增加臺(tái)座質(zhì)量,只有增加系統(tǒng)的剛度,犧牲一部分隔振頻率。在設(shè)計(jì)中可將隔振系統(tǒng)的固有頻率設(shè)在基頻和一次諧波之間,在本工程中可將固有頻率設(shè)在5Hz—10Hz之間,取f=7Hz,此時(shí)隔離系統(tǒng)對(duì)f擾>10Hz以上的振動(dòng)起隔振作用,但對(duì)5Hz的振動(dòng)會(huì)有所放大,取得了一定的隔振效果,并將位移控制在一定幅度之內(nèi)。
(2)如果位移振幅要求非常嚴(yán)格,則只有繼續(xù)加大剛度,如采取橡膠隔振裝置。
3.2隔振工程實(shí)施效果比較
為了降低隔振系統(tǒng)的重心,使高速壓力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中減少晃動(dòng),隔振臺(tái)座設(shè)計(jì)成“T”型的鋼砼結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
圖1 隔振系統(tǒng)臺(tái)座
(1)當(dāng)隔振系統(tǒng)采用阻尼彈簧隔振器,總剛度取1000000N/mm,隔振系統(tǒng)總質(zhì)量M總=60噸時(shí),隔振效果如表1所示,基礎(chǔ)箱與基礎(chǔ)塊的計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度VLZdB如表2所示。
表1 阻尼彈簧隔振器隔振效果
見(jiàn)表
表2 基礎(chǔ)箱與基礎(chǔ)塊的計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度VLZdB
見(jiàn)表
距壓力機(jī)30m處居民住宅前VL78dB,通過(guò)以上數(shù)據(jù)看出,此方案取得了很好的隔振效果,隔振效率已大于85%,但是居民點(diǎn)VL值和壓力機(jī)的臺(tái)面振幅均未達(dá)到預(yù)期效果。
(2)采用高阻尼橡膠隔振墊實(shí)施隔振。在隔振系統(tǒng)的質(zhì)量塊下鋪設(shè)特制的萬(wàn)能橡膠墊,其隔振效果如表3所示。
表3 高阻尼橡膠隔振墊隔振效果
見(jiàn)表
在此情況下,隔振臺(tái)座位移幅值小于0.1mm,完全滿足了加工工藝的要求。就設(shè)備運(yùn)行而言,要比純剛性連接時(shí)穩(wěn)定且位移還要小。在居民處的振級(jí)VL=78dB。
表4 阻尼彈簧隔振器、離阻尼橡膠隔振墊隔振效果比較
見(jiàn)表
從振級(jí)落差可以看出,方案一比方案二振級(jí)落差大,即隔振效率高,但從VL的角度看,兩者相差不多,這是因?yàn)橛?jì)權(quán)之故。對(duì)于f=35Hz以下的頻率,方案一在隔振臺(tái)座上激發(fā)的振動(dòng)大,故臺(tái)座上VAL大于方案二,又由于隔振效率高,基礎(chǔ)箱上的VAL小于方案二。對(duì)于f=35Hz以上的頻率,無(wú)論是臺(tái)座上還是基礎(chǔ)箱上,方案一的VAL均小于方案二。
方案二的位移幅值要大大小于方案一的位移,滿足了加工工藝的要求,但隔振效果仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,居民處還超標(biāo)3dB~4dB。
(3)適當(dāng)降低行程次數(shù)
為此,開(kāi)展了在方案二的基礎(chǔ)上,在不影響工藝的情況下,適當(dāng)降低行程次數(shù)的試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示意,測(cè)試結(jié)果如表4所示。
圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖
4、5.二樓室內(nèi)中央測(cè)點(diǎn) 2、3.一樓室內(nèi)中間測(cè)點(diǎn) 1.一樓室外1米測(cè)點(diǎn)
表5 轉(zhuǎn)數(shù)與隔振效果的關(guān)系
見(jiàn)表
由表5可知,當(dāng)行程次數(shù)減少時(shí),VAL與VL隨之下降。如測(cè)點(diǎn)1的垂直方向振動(dòng),當(dāng)行程次數(shù)由272次/分降到250次/分時(shí),VAL減少,△VAL=76—73.5=2.5dB。△VAL來(lái)源于兩個(gè)方面:
a.由于行程次數(shù)降低,慣性力也變小,由此引起的△VAL下降值為:△VAL==2.5dB;
b.沖擊時(shí)間間隔加長(zhǎng),加工力引起的沖擊能量在下一次沖擊到來(lái)之前能因阻尼消耗大部分,從而使附加位移減少,故使VAL下降。
至此,某汽配廠高速壓力機(jī)在運(yùn)行行程次數(shù)265次/分時(shí),隔振完全達(dá)到了既保證了臺(tái)座位移小于0.2mm(實(shí)際上小于0.1mm),又保證了居民處環(huán)境振動(dòng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(VL小于72dB)的要求。
4 結(jié)論
(1)高速壓力機(jī)隔振是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題,在隔振設(shè)計(jì)時(shí)要謹(jǐn)慎從事。
(2)高速壓力機(jī)行程次數(shù)在200SPM—1000SPM之間,對(duì)于不同的行程次數(shù),應(yīng)采用不同的隔振方法。
(3)高速壓力機(jī)的激振力主要為曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的慣性力和加工力,一般情況下前者大于后者,但激振頻率是前者小于后者。當(dāng)隔振系統(tǒng)的固有頻率和慣性激振力頻率之比小于時(shí),對(duì)慣性激振力會(huì)有隔振效果,對(duì)加工力自然更有隔振效果。為了獲得更好的隔振效果,可使隔振系統(tǒng)固有頻率盡可能降低,但過(guò)低的固有頻率,工程上難以實(shí)現(xiàn),且會(huì)引起臺(tái)座振幅過(guò)大。
(4)隔振效率和臺(tái)座振幅兼顧問(wèn)題:a.如果行程次數(shù)≥400SPM,則可以采用阻尼彈簧隔振器實(shí)施隔振,但彈簧要有足夠的阻尼,以消耗在慣性激振力達(dá)到高峰時(shí)加