工程设计中常见的振动危害及防治.docx

工程设计中常见的振动危害及防治 茅玉泉北方设计研究院050011（石家庄）提要：本文根据工程设计和生产过程中经常遇到或发生的振动问题，分析了其振源特性，阐述了危害建筑结构安全和生产、工作、生活的现状，提出了防振设计和处理振动问题的有效治理措施。在工程设计中，应充分考虑各类机械设备在生产过程中出现的振动及其危害，以免影响到建筑结构的寿命和安全，影响到精密设备和精密仪器、仪表的加工、计量与检验，影响到人们正常生产、工作和生活的环境。以往工程设计中曾对振动危害和防治作过许多工作，但由于认识不够或考虑不周，曾发生过许多振动影响问题。因此，在工程设计中尚需认真地对待这些常见的振动危害，妥善的采取相应的措施加以解决；对生产中存在的振动影响和危害，要及时予以治理，从而确保正常使用。这是设计中需要解决的一个重要课题。一、振源分析 在工业生产中，经常发生振动影响、恶化环境的有三类振源。 第一类是瞬态性振源。其中主要有锻锤、水爆清砂、落锤和压力机（冲床）等，这些振源属冲式撞击，振源振动能量很大，其频谱带较宽，影响范围很广。例如750kg 气锤，锤基振幅可达到50300m,116T锤，锤基振幅可达1001200 m；压力机基础振幅可20400m。是发生振动危害最突出的振源 。 第二类是稳态性振源。主要有空压机、振动筛，以及制冷压缩机（冷动机）、发电机、发动机、风机和水泵等，这些振源属有规律周期性反复作用。其中空压机振动能量较大（60100/8空压机基础振幅达20100m以上），频率较低（58HZ），振动衰减较慢，影响范围较广；振动筛直接悬挂支承在结构上，动力影响很大；冷动机、发电机、发动机等振源的振动能量较小，如冷冻机基础振幅只有510m，但频率较高，振动衰减较快，影响范围也较小，但当布置在楼层上时，特别是冷冻机、风机往往因空调需要布置在靠近精密设备，其影响不能忽视。 第三类是随机性振源。主要有火车、汽车、吊车和车床类，这些振源因受概率支配，其振动过程则假设为平稳的各态历经的随机过程。其中火车振动能量较大，范围影响较广，有时1公里外尚有23m。吊车支承在柱或梁上，振动影响直接；厂内外汽车，当道路靠近建筑物周围布置时，则与精密设备相距较近，有时振动影响明显；机床振动能量虽然较小，但当布置在楼层上时，可能影响到周围的精密设备。 上述三类振源，有些设备本体振动能量虽小，但由于使用安装和布置不当，或缺少应有的检查、维护和修理，在长期运行过程中因部件磨损过大，从而增大偏心或不平衡性，随之扰力增加，振动影响增大，对周围发生严重的影响和危害。二、常见振动的危害 各种设备振源发生不同程度的振动影响是常见的，其危害主要有三个方面。（一） 危机结构安全 常见振动的危害之一，是危机结构安全。由于机械设备运转过程中产生不平衡扰力，结构在动荷载作用下，将引起构件的动应力，动力疲劳，应力集中，整体或局部的动力稳定；产生基础下沉或不均匀下沉，墙体、构件出现裂缝，建筑物倾斜，甚至局部损坏。1 动应力和动力疲劳在实际生产中，引起结构产生动应力问题的设备有；0.56T锻锤、50T-m落锤、所有大小铸件的水爆清砂、1000T水压机40/8空压机、以及振动筛，其振动主要作用在支承结构或基础上，并通过地基传递到设备附近的厂房屋盖。根据以往对5T锻锤100T-m、落锤和水爆清砂对厂房屋盖影响的振动测定表明：附近三十米以内的屋盖构件引起的动应力约在5-10以内，个别构件可大于10；因此设计时对锻锤5T以下与大于5T分别取10和15。这些振源的危害，还往往引起梁、柱、墙围护结构以及装饰板的裂缝；引起屋架斜拉杆，上弦端节点，特别是端节点虎口处应力集中而出现的裂缝，引起构件连接处松动、掉物、甚至破坏，引起焊接（或因存在缺陷）应力集中而破坏；水爆清砂还因型砂块体飞出，撞击厂房，造成门、窗、墙及构件的局部损坏；引起管道接头松动或断裂，造成漏油、漏气和漏水。至于较大型40/8型空压机，由于干扰频率分别为46HZ和1015HZ，它与厂房的水平方向固有频率35HZ和屋盖垂直方向的固有频率1015HZ接近或一致。因此，在实际使用中如发生共振或接近共振，将引起的动应力达数倍增加，而导致墙体开裂，连接松动，门窗晃动，屋盖掉物，严重的危及结构安全。如某厂二台卧式空压机频率6.3HZ屋盖自振频率6.2HZ，每八分钟发生一次共振。即出现“拍”现象；又如某炼钢厂5台压缩机引起薄腹梁横向振动后进行了加固。又如某厂1100/8,560/8（L型）空压引起屋盖和墙体振动显著，窗间墙体最大振幅达3mm，事后也进行了加固。对于装置在楼层上的8号风机，如因叶片磨损或损坏，螺栓螺帽松动，又未及时维修，则扰力增大，可能危害机构安全或影响精密设备的正常使用；甚至风机的锚固螺栓发生断裂。冷冻机、发电机等平衡性虽好，但由于干扰频率处于1525HZ居多，易与楼层垂直振动的第一频率共振区接近或发生共振，机构将引起较大的动应力。另外，结构在动荷重作用下，其反复效应将引起疲劳，影响程度与材料、应力幅度，疲劳次数有关，最大可达动应力的三倍之多。焊缝在动应力疲劳状态下，强度迅速降低。动力疲劳作用下，所引起的局部损坏，会导致内力重分布，严重时将促使结构整体性损坏。1 基础下沉，房子开裂和倾斜动荷载作用下，地基强度随着振动加速度的增大而减小，1T锻锤的地基容许承载力将降低10-20左右。同时土体的凝聚力和内摩擦角减小，引起土体颗粒移动和增密。当地下水位较高时，不但振动传递的影响范围扩大，还可能造成粉砂层地基的局部液化。从而造成设备基础及附近建筑物基础下沉或不均匀下沉，引起建筑物的开裂和倾斜，严重时建筑物将不能正常使用或继续使用。为了防止基础的不均匀沉降。设计锻造车间时，对砂土粘土和黄土上的柱基其允许振动加速度a宜分别控制在0.1g, 0.15g和0.3g。否则，应对锻锤基础采取措施，如采用柱基等提高地基刚度，减小锤基振动，减小对厂房的影响。或降低地基承载力，对锻锤动力降低系数ar=1/(1+ha/g) h为土动沉陷影响系数。(二)精密设备不能正常使用 常见振动的危害之二，是影响精密设备的正常使用。振动将导致降低精密加工精度，降低精密仪器仪表的测示检验和计量精度，降低精密设备的使用寿命，严重时还将造成精密设备的损坏。 1 降低精密加工精度 各类精密加工设备，对不同加工精度有其不同的允许振动要求，其允许振动速度控制指标一般在0.03mm/s1.5mm/s范围内。当外界振动超过其允许振动速度的控制指标，就会对产品的光洁度、波纹度、不圆度、垂直度或尺寸精度的累积误差发生不良的影响，由测定表明：对搂层上的精密车床、磨床、搪床、铣床等设备加工精度（如尺寸精度、光洁度）可能降低一至二级，甚至达不到合格要求，从而降低产品质量，造成废品，严重时使精密加工设备降低精度和使用寿命，甚至设备损坏。例如某厂机修车间1T自由锻振动引起刚屋架晃动，并对50m外的磨床加工和计量仪器发生严重影响，而后搬出。2 降低精密仪器、仪表检验精度 各类精密计量、理化分析及其他仪器、仪表，均有其相应于正常检验测出时的振动条件，其允许振动速度控制指标一般在0.03mm/s1.5mm/s范围内。当外界振动超过其允许振动控制指标时，则精密仪器、仪表的检验测示和指示（或指针）系统发生晃动或颤动，致使无法判定指示值，造成检验测示系统误差，甚至无法工作。严重时将降低检验精度和使用寿命，甚至造成刀口损坏，指针失灵，内部机构松动或损坏而报废。 因此，许多工厂在生产过程中，将精磨加工设备，精密仪器、仪表的使用时间与有影响的振源设备交替叉开，或改在夜间使用，有的甚至迁走，造成许多不便。（三）影响生产及人们的身心健康常见的危害之三：是干扰人们的正常生产、工作和生活。在不同的时间内，根据人们的生理特征，能承受的振动是有限的。当振动影响到人们的正常生活，特别是外界振动的干扰频率与人体某部位固有频率接近或一致而发生共振，它将致使人们难受，情绪不安，心情烦躁，精神分散，在长期有害振动条件下生产、工作和生活，还会造成“振动病”。 1 造成操作误差 为了保证正常的生产操作和操作人员的身体健康，操作区的受振影响在不同条件下的允许振动速度应控制在3.26.4mm/s范围。否则由于操作区的过大振动，操作人员根据其承受能力，易造成操作误差，产品质量下降，生产效率降低，甚至无法操作。2 造成人们身心健康正常工作和生活环境振动要求，比操作区严格得多。对不同使用特点的允许振动速度差别较大；要求最高为0.130.25mm/s,一般在0.51.0mm/s范围内。车间范围办公区则可放宽到2.8mm/s.当超过允许振动值时，将降低工作效率影响居民的正常休息，由于环境处于长期不安宁的状况，必将损害人们的身心健康。三、振动危害的防治在工程设计中，必须充分考虑振动引起的危害，采取必要的防振措施，避免或减少振动的影响。对实际生产过程中发生的振动影响，应及时加以治理，以确保建筑结构的正常使用，确保精密设备的正常工作，满足人们正常的生产、工作、学习的生活等活动。对振动危害的防治要根据实际情况综合考虑，首先采取减少振源处的振动输出，或采取隔离外界振动输入，必要时同时考虑减少振动输出和隔离振动输入，达到满足生产、设备和人所能承受的允许振动能力。 （一） 合理布置振源工程设计时，首先要根据生产的可能性，尽量将较大振源和有精密要求的部分分区设置相互远离。然后根据振源设备运行的特点，将同类设备布置成对称或反对，避免同类设备多台运行时处于同向、同步状态，以便使其振动在不同相位上互相有抵消把振源设备的旋转运动方向和水平往复运动方向不对准精密设备，并与支承结构刚度大的方向一致。在多层厂房内的振源布置时，要充分利用伸缩缝和楼梯间的减振作用，将振源与有防振要求的精密设备分开，并不设置在一个接层单元内；或将有影响的振源单独设置；当生产需要不能远离时，应单独设置在与接层脱开的构架式基础上，或将该部分楼板简支设置，并在支承处采取减振措施。在多层厂房内设有精密设备时不应设置吊车；必要时将吊车宜设在底层地面上，并与厂房结构脱开，采取单独设立柱的摇臂吊或悬挂吊，或做成落地门式吊车。另外，在精密设备周围不宜布置通过重型汽车的主干道，非通过不可时应限速或定时运行。（二） 减少振动输出减少振动输出就是要设法减少振源振动能量。一般是选择动平衡好的机械设备，对振源采取“刚、柔”法积极隔振。1、选择动平衡性能好的设备，定期维修或更换 设计时，首先要注意到选用动平衡性能好的机械设备，它扰力小，输出的振动能量亦小。使用中要定期维修，有利于调整平衡性能。当发现使用中设备动态不平衡增加，应及时检修，调整其联接处间隙的松动和固定松紧不一，使之恢复其平衡性能。如因长期运行引起传动部件的磨损，应及时更换。当设备已陈旧无法检修调整应予更新，重新选用动平衡性能好的设备，以确保生产使用要求。2、刚性减振刚性减振，就是提高支承结构（包括基础）刚度和整体性。从而减小振源振动的输出。(1) 提高结构刚度为了满足动力荷载作用下的结构强度和稳定，满足对周围精密设备允许振动要求，受振结构通过动力分析，确定其必要的断面和刚度。但应避免只满足强度而刚度过小，不能满足允许振动的控制，尚因避免降低结构垂直自振频率，造成与干扰频率接近或一致，而出现共振或“拍”的现象影响精密设备的使用。当使用中如出现结构刚度偏小，而发生共振危害时，应增强支承结构刚度的措施，采取增加构件断面，或减小结构的跨度的立柱和斜撑，从而提高支承结构的自振频率，使之远离共振区，实现刚性减振。例某厂锻工车间2T锤开动，屋盖发现晃动而增加纵向垂直支撑；又如某厂锻工车间设有1T、400Kg、250Kg锤、400Kg使用时，冷滩瓦掉下，后改为刚砼屋盖，增加屋面刚度。（2）提高地基基础刚度和整体性为了减少机械设备基础的振动，设计时尚可考虑提高地基基础的刚度。增强地基基础刚度的办法，一般可采用硅化或灌注水泥浆胶结松散地基；在基础周边打桩；加大设备基础底面积；加深基础或加强地面与设备基础上部的整体联接，均能在一定程度上达到提高地基刚度的目的。当同类设备设置在一起时，还可以把两台或多台设备基础联合在一起，提高地基刚度，增加基础质量，降低基底应力，从而减小振源振动。例如将三台60/8的空压缩机基础联合设置，在水平回转振动下，测得联合基础比单独基础的垂直振动和水平振动平均减小达40%以上。大型设备基础由于受到动力荷载作用或受力不均匀，以及温度变化等影响，又能够在基础周边和底部配置足够的钢筋，以确保受力的需要，并起增强刚性和整体性。如基础未配筋或配筋不足而出现裂缝，则应采取外包钢筋混凝土套加以补救。如发现设备基础倾斜，待稳定后加固修补填平，重新调整安装设备后方可使用。3、隔离输出振源隔离输出振源，就是采取积极隔振措施减少振源输出的振动能量。对抗力大的机械设备，其振动影响范围很广，采取上述1、2的措施无法实现，或尚不能满足精密设备的防振要求时，应考虑对振源隔振。特别是当该设备因生产线流程的需要，无法改变布置位置，而增大支撑结构刚度又不经济时，应对该设备基础采取柔性隔振，以减少振源振动的输出。例如某厂白银车间，由于工艺需要将250KN的空气锤布置在多层厂房的底层，为了解决对相距35-40米处三层楼上精密仪器的影响，对空气锤基础采用空气弹簧隔振、隔振后现场实际测定，离开空气锤操作区基坑外的地面上其振幅为0.51m，说明隔振后空气锤对楼层的影响已基本消除，对精密仪器已无任何影响。至于汽车振源的影响，可将周围的路面设计为柔性路面，并适当加厚沥青层，一边吸收能量，减少其振动影响；必要时还可限制车速通过，减弱振源振动。当某些管道（气流或液流）脉动对附近精密设备发生影响时，可将管道穿过墙或楼板的支承处，采用弹性垫隔离，管道的吊点处采用弹性吸振器，管道的联接处采用柔性软管联接，从而消除管道高频脉动对精密设备的影响。（三） 减少振动的输入和放大任何区域的精密设备，都可能受到某些振源通过支承结构和土质介质传递而发生的振动干扰影响，当不可能消除外界振动影响时，有必要采取振动输入措施的消极隔振，使之满足精密设备正常使用的要求。1、远离振源设计时，要充分考虑精密计量、理化的仪器、仪表和精密搪床、磨床、车床、刻线机等设备受外界振动的影响，可通过振源振动的地面振动衰减计算或实地普测，将精密设备布置在受振影响允许的区域范围内，这是一种最简单有效的方法。如果高精密设备（如光栅刻线机）在使用过程中受振后发生无法正常工作时，亦可通过普测找到一个振动最小的区域，迁移到该区域内设置，从而满足使用精度要求。 2、增大地面刚度和质量由于精密设备受到影响的周围设备振源，大多数振动能量较小，则可将混凝土地面设计成厚地面，其厚度500mm，并与建筑物设缝加以分开，使精密设备间的地面形成一个大块体的刚性质量，利用地面刚度的增大和大质量的惯性作用，减小外界振动影响；必要时还可在大块体地面下铺设200-300mm厚的砂垫层，从而达到减振的目的。精密仪器、仪表间地面不允许直接采用木地板，这是因为木地板刚度小，人走动时对精密设备将会发生显著影响。因此，宜将精密间地面做成刚性的混凝土或水磨石地面，然后再铺设地毯或橡胶布或木地面，可有效地避免由于操作人员走动所引起的振动影响。3、 采用刚性工作台根据以往许多工厂出现的精密仪器、仪表受振影响，不少由于其支承结构是木制工作台。木制工作台质量轻，有一定弹性，当受外界振动干扰时，经常发生振动放大现象，实测表明：木制工作台上的振动比楼面、地面的振动放大2-3倍。因此，设计时宜采用水磨石刚性工作台，可明显地降低外界振动的干扰，使台面上的振动，基本上能恢复到与楼面、地面差不多的振动状态。4、门、窗弹性密缝 设在楼层上计量、理化等精密间及其附近房间的门窗，宜在其四周采用弹性密封条衬垫，可以避免因开、关门窗时由于碰撞引起的振动干扰；特别是门、窗打开后，被风吹动关闭，将引起墙和楼板的突然性撞击而产生强烈振动，严重地影响到精密仪器仪表的正常工作。 5、设置防振沟 当精密设备受到外界一般机床、高速切