某型试验器基础隔振设计方案分析

崔政委 田 赫

（中航规划设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

1 基本情况

1.1 试验器概况

某型号直升机动力传动轴综合科研试验器，主要用于XX传动系统动力传动轴的运转试验、耐久性试验及高周疲劳试验，其组成主要包括机械主体部分、拖动控制系统、润滑系统、辅助控制系统、数据测试系统、电气附件系统、动态分析系统、应变遥测与分析系统、工业电视监视系统等部分。试验器传动原理图如图1所示。

设备主要技术参数如下：

最高试验转速：21 000 r/min

额定转速：15 000 r/min

最大试验功率：1 570.7 kW （额定转速）

最大试验扭矩：1 000 N·m

图1 试验器传动原理图

1.2 工程地质概况

根据地质勘察报告， 场地各层土由上而下依次描述如下：

人工填土①：未完成自重固结，密实度不均匀；层厚3.20～4.50 m。

粉质黏土②：层厚1.80～2.60 m；承载力特征值180 kPa。

粉质黏土③：层厚3.80～4.60 m；承载力特征值220 kPa。

强风化炭质泥灰岩④：层厚2.60～5.00 m；承载力特征值400 kPa。

中风化炭质泥灰岩⑤：揭露厚度11.00～14.10 m；承载力特征值1 200 kPa。

1.3 设备基础土建要求

试验器机械主体连同各平台总重量约为105吨。机械主体基础设计时，除必须保证其结构具有足够的承载能力，还应考虑对基础周边进行隔振设计，尽可能减少机械主体振动的外传。机械主体基础还须布置用于调整平台的调整块和用于紧固平台的地脚螺栓预留孔。

2 隔振方案比对

2.1 常规方案

设备基础隔振设计，通常采用加大配重比和设置隔振沟的传统办法。一般配重比要达到1∶5以上，导致钢筋混凝土基础的体积很大，土建造价高，而且还要占用较大面积，使得整个厂房内的工艺设备布置、管沟开设、线路敷设等都受到较大限制。隔振空沟则是最有效的地面屏障，任何波均不能通过，但是无法做到H≈λR的深度，实施起来有较大的局限性。

2.2 元件隔振方案

元件隔振的传统做法是采用圆柱螺旋钢弹簧与刚性平台组合的隔振体系，这种隔振体系最大的缺点是随着工作时间变长，钢弹簧逐渐老化而又不能及时更换，导致隔振效果越来越差。而技术比较先进的空气弹簧伺服系统隔振体系价格昂贵、原理复杂、维护较烦琐。

2.3 屏障式隔振方案

屏障式隔振分为两种，一种是隔板屏障 （水平向隔振），另一种是排桩屏障 （竖直向隔振）。隔板屏障隔振对于近距离设备的隔振避震效果较好，排桩屏障隔振则对远距离设备的隔振避震效果较好。也可以考虑采用隔板屏障和排桩屏障并联、共同作用以减弱设备振动对外界的影响。

3 实施方案分析

综合考虑以上几个方案，采用隔板屏障+排桩屏障并联的隔振方案，同时，要求配合信息控制法，进行实时监控。具体考虑如下：采用钢筋混凝土厚隔板+粗砂砾石填充的方式减轻对于近场设备和建筑物的振动影响；利用振动波的散射及干扰现象，采用小直径、大质量、高密度的排桩+浅层隔振沟的方式减轻对于远场设备和建筑物的振动影响。

3.1 隔板屏障

粗砂砾石上的钢筋混凝土厚隔板，其本身具有一定的刚度和重量，可以将设备本身传出的振动削弱掉一部分，削弱程度和厚隔板的自振周期与建设场地地面脉动最大加速度的周期比值有关，称之为振动的穿透率 （ξ），其定量关系可用下式表示：Al=ξA0，其中Al为钢筋混凝土厚隔板上i点处的振幅，A0为内部振源在隔振体系内的振幅。

其中，ζ——地基土与混凝土板相关的阻尼系数，一般可取为0.3；

TP——钢筋混凝土厚隔板的固有周期；

TS——建设场地的地面脉动最大加速度对应的周期。

钢筋混凝土板弹性板的刚度KZ可按照《建筑振动工程手册》中的经验公式来计算，即：KZ=CZA。

其中CZ——地基土的刚性系数 （由试验测得，无试验数据时可按照《建筑振动工程手册》中取值）；

A——钢筋混凝土弹性板的面积。

对本设计而言KZ=32 000 kN/m3× （4.65 m×12.9 m）=1.92×109N/m。

钢筋混凝土厚隔板的厚度取为0.8 m时，其质量m=（4.65×12.9×0.8） ×25 kN/m3=1 200 kN （即1.2×105kg）。则：

根据现场测试，建设场地的地面脉动最大加速度对应的周期TS=0.038 46 s。

则可计算出穿透率ξ=0.364=36.4%，即：理论上，由于钢筋混凝土厚隔板的屏障效应，可以使传出的内部振动减少63.6%。

钢筋混凝土厚隔板的厚度取为1.5 m时，计算出穿透率ξ=0.236=23.6%， 理论上由于钢筋混凝土厚隔板的屏障效应，可以使传出的内部振动减少76.4%。

3.2 排桩屏障

采用排桩作为隔振屏障，也是隔离地面环境振动的有效措施之一。其隔振原理是利用振动波的散射干扰现象，即弹性介质中传递的波，遇到障碍物或者传递介质改变后会产生散射及反射现象。当排桩桩径及桩间距布置合理时（ 桩间距=1.5～2倍桩径时），非连续的排桩屏障可以看作近似整体屏障而将振动波反射、散射掉相当大部分，从而达到隔振的效果。

根据相关检测报告，本建设场地的环境振动波长在8～12 m，综合考虑设计排桩长度8 m，近似等于振动波长，其对周围环境振动的屏蔽效果较好。

3.3 隔振方案

本设计采用隔板屏障+排桩屏障并联的隔振方案，方案图如图2、图3所示。

图2 设备基础平面布置图

图3 隔振体系剖面示意图

4 结语

总体上来说，排桩与钢筋混凝土厚隔板并联，增加了地面屏障的隔振刚度，改变了周围土体作为振动波传递介质的性状，提高了整个隔振体系隔振效率。