4种不同结构地基的隔振效果测试分析*

夏 欢 吉 方 陶继忠

（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621900）

目前，精密加工是指加工精度为1～0.1 μm，表面粗糙度为Ra0.1～0.01 μm的加工技术;超精密加工是指加工误差小于0.1 μm，表面粗糙度小于Ra0.025 μm的加工技术，也称为亚微米级加工［1］。

工作环境如温度、湿度、净化和防振等，对精密、超精密加工的质量影响很大。振动使被加工零件精度降低，粗糙度值增大，无法保证加工质量要求。本文从机床独立地基的结构出发，分析不同结构地基对外界振动的隔振效果，从而建立适合精密、超精密加工隔振要求的独立地基模型。

1 振动的类型

振动主要分为强迫振动和自激振动两种。

强迫振动是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振动。如回转零部件不平衡，传动系统中的齿轮、轴承等冲击，机床导轨的磨损，附近有产生振动的大型设备，重型车辆频繁在附近行驶等。

自激振动（颤振）由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。对于运动的机床，振动还会影响回转精度。如毛坯局部有气孔、砂眼等缺陷导致工件材料硬度变化，刀具的选择不当或安装刚性差，积屑瘤的时生时灭导致刀具与工件之间摩擦力的变化，切削量不合适或在切削过程中发生变化。

本文针对强迫振动中外界环境的振动的隔振进行讨论。外界振动在土壤中的衰减有两种原因:一是土壤阻尼对振动能量的消耗吸收;二是振动随着距振源中心的几何距离增大而扩散［2］。现代化的工厂为了提高生产效率，减少运输等辅助加工时间，设备之间的间距越来越小，如精密加工机床之间距离只有1 m左右;在机加工机床旁设有三坐标测量机;在锻造车间附近往往又是精加工车间，精加工设备及精加工机床非常灵敏，对环境振动要求很高。因此，精密、超精密加工和检测设备都应安装在独立隔振地基之上，减小或消除附近产生振动设备的影响。

2 隔振地基模型

4种隔振地基模型如图1所示，其中图1a为混凝土独立地基，地基周围无隔振沟;图1b为双层地基叠加，下面一层为混凝土地基，上面一层为钢筋混凝土，两层之间和钢筋混凝土地基周围有聚苯乙烯隔振垫板，地基周围无隔振沟;图1c为多层材料地基从下至上分别有细沙、碳花、水泥封装、聚苯乙烯垫板、混凝土、聚苯乙烯垫板和混凝土，地基周围有封装砖，而且设有隔振沟;图1d也为多层结构，从下至上分别有减振橡胶、吸振材料、胶合板、混凝土地基，中间有低碳钢加强筋一处，地基周围有吸振材料，吸振材料外设有隔振沟，沟内填充细沙、泡沫等材料。

对于通过地表传播的振动，地面振动隔离的方法可分为缓冲隔振和屏障隔振［3］。缓冲隔振是一种简便、有效、实用的方法，如4种隔振地基中a和b的结构形式，但交通引起的地面振动不能采用缓冲隔振;而屏障隔振可隔离任何原因引起的地面振动。屏障隔振是在振源和被保护物体之间设置一个垂直于地表的隔离层，当振动波遇到隔离层时，可以达到减小振动的目的，如4种隔振地基中c和d的结构形式。

3 测试结果及分析

为保证外界的振源相同，尽量在同一时间段内对4种不同结构的独立地基进行测试，每个测量点都有3个方向的振动，测量中发现两水平方向振动基本相同，所以只给出垂直和水平两组振动测试结果。图2所示为垂直方向振动的位移幅值（放大5倍）与频率之间的关系。

图2a中振动频率分布在0～50 Hz之间，隔振效果不好;图2b中振动频率基本分布在0～40 Hz之间，10 Hz以上有局部突出点，但对于低频段隔振效果不佳;图2c中频带分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。图2d中振动频率分布在0～25 Hz之间，在隔振频率方面效果最好，但10 Hz以下有突出点，幅值很大。

图3为水方向振动的位移幅值（放大5倍）与频率之间的关系。图3a中振动频率分布在0～50 Hz之间，幅值在0.1 μm以内，隔振效果不好;图3b中振动频率基本分布在0～50 Hz之间，有局部突出点，隔振效果也不好;图3c中频带分布在0～35 Hz，幅值小于0.08 μm，具有一定的隔振效果。图3d中振动频率分布在0～15 Hz之间，幅值小于0.08 μm，在隔振频率和振动幅值方面效果都是最好的。

综上所述，第一种隔振地基最下面没有减振材料，也没有隔振沟，隔振效果最差;第二种地基中间有聚苯乙烯夹层起到一定的隔振效果，但该地基没有隔振沟，20 Hz以上有些点的振动无法消除;第三种地基结构比较复杂，分多层隔振并设有隔振沟，对振动幅值的消减起到了很好的作用，但在消除隔振频率方面不如第四种地基;第四种地基结构也比较复杂，混凝土中混合有低碳钢加强筋，由于低碳钢加强筋存在使得它的水平隔振效果最好，但同时垂直方向的振幅也有所增加，没有达到最佳状态。

4 结语

针对不同机床的使用要求不同，隔振地基结构形式也有不同。如机床对垂直方向要求高，水平方向振动要求不高时，可采用分体多层隔振地基，减小垂直方向的振幅;但机床对垂直和水平方向振动要求都高时，尽量采用一体式地基，使垂直和水平方向的振幅都能满足要求。另外隔振地基的厚度与机床的质量、外形尺寸、地质情况等因素也有关，设计隔振地基时，应充分考虑，而且隔振地基底部和四周应有吸振材料，并设有隔振沟。

［1］邓英剑.精密及超精密加工中的振动控制［J］.湖南冶金职业技术学院学报，2003（9）:230－231.

［2］尹学军.振动控制在工业设备中的应用（一）［J］.工程建设与设计，2003（8）:11－13.

［3］陈智锋，张绍宗，吕海宝，等.隔振设计在超精密加工与测量中的应用［J］.航空精密制造技术，2002（6）:10－13.