技術研討3空调设备的基础隔振

1、1,工務暨設計人才培訓課程,工程实务技術研討之三,內容大綱 ( Milestone):空调设备的基础隔振6.1 概述6.2 空调、制冷设备的基础隔振设计6.3 隔振装置的设计和选择,2,6.1 概述 无论在工业还是民用建筑中，控制空调、制冷设备的噪声，除了减低由通风管道传播的风机噪声和透过维护结构的设备噪声外，还必须同时控制由空调、制冷设备的振动传递的固体声，才能使空调用房达到预期的允许噪声标准。 空调、制冷设备运行时的振动传给基础，它以弹性波的形式沿建筑结构传到所有与机房毗邻的房间中去，并以空气噪声的形式被人所感受。 减弱设备传给基础的振动是用消除它们之间刚性连接实现的。在振源与基础间配置金

2、属弹簧和弹性减振材料，可有效地控制振动，从而减低固体声的传递。 表征隔振效果的物理量是传递比（或称传振系数）T，它表示作用于机组各方面的总的力中有多少部分动力经由弹性隔振装置传给基础的。例如传递比T=0.1，为经过隔振后，仍有10%的动力通过隔振装置（弹簧或弹性材料）传给基础，传递比值愈小，隔振效果愈好。 为简化隔振计算，空调、制冷设备的振动可按一个自由度的振动考虑（实用上可以创造条件接近做到），并设机组的扰动是简谐振动，则可根据隔振原理导出传递比T值见下式：,3,式中 T 传递比； FT 通过弹性支承（隔振装置）传递给基础的传递力幅值； F0 设备本身的驱动力（或激振力）幅值； C/C0 阻

3、尼比（ 阻尼系数 / 临界阻尼系数 ）； f/f0 频率比（ 设备的驱动频率 / 隔振系统的自振频率 ）； 表6-1为不同频率比和阻尼比的传播比T。 传递比T与频率比f/f0，阻尼比C/C0的关系示于图6-1。 由式（6-1）和图6-1表明： 1）隔振效果取决于频率比f/f0 ，比值愈大，隔振效果愈显著； 2）当频率比f/f0=1或f f0时，T1产生共振，隔振系统不但起不到隔振作用 ，反而“放大”了振动的干扰，在这种情况下，阻尼比C/C0值较大时，可使 共振峰值减低； 3）当频率比f/f02时，共振增益消失，隔振系统才真正能起到隔振作用。,（6-1）,4,表6-1 不同频率比和阻尼比情况下的

4、传递比T,5,6,在空调、制冷设备的隔振设计中，假定式（6-1）内的阻尼比C/C0=0，这在通常情况下引起的误差不大，但实用上却很方便，则公式（6-2）具有更为简单的方式，即,（6-2）,综上所述，要获得良好的隔振效果，应使机组的自振频率f0f。 扰动频率（或称驱动频率）f 由设备的振动频率所确定，其振动基频一般即为轴的转速（见表6-2）。 故扰动频率f可由下式求得： 式中 n设备的轴转速（r/min）。 用金属弹簧时机组的自振频率（或称固有振动频率）f0可用下式求得： 机组的自振频率，用一般弹性材料时，f0可用下式求得：,（6-3）,（6-4）,（6-5）,7,式中 XCM在机组重量作用下，

5、隔振装置所产生的静态压缩量（cm）； Ed材料的动态弹性模量； Es材料的静态模量。 由式（6-4）和式（6-5）表明，机组的自振频率与机组重量无关，仅与压缩变形成反比，压缩变形愈大，自振频率愈低，频率比就愈大，从而使传递比小而隔振效果好。因此，测得或算出机组重量作用下隔振装置的压缩量，就可确定这个系统的自振频率和隔振效果。 图6-2给出了在各种扰动频率极弹性支承静态压缩量下的振动传递比。该图虽未考虑阻尼的影响，但对设计的初步判断仍然极为有效。,表6-2 空调、制冷设备的扰动频率基频,8,9,6.2 空调、制冷设备的基础隔振设计 6.2.1 隔振与噪声减低量 空调、制冷设备的隔振对减低机房本身

6、的噪声是极其有限的，一般仅为2-3dB，重要的是减低与机房毗邻房间内的噪声级。 噪声减低量NR主要决定于振动传递比T（取决于频率比f/f0），当设备作隔振后，已知传递比了，可估算毗邻房间内噪声减低量NR值： 应该指出：式（6-6）只有在下述条件下才比较接近实际，即当一个房间透入另一个房间的主要是固体传声由振动传递而辐射的噪声。 在一般情况下，传递比T=0.10.01（静态压缩量为XCM=1.0cm，即f0=5Hz；设备转速n=9602900r/min，即扰动频率f=1648.3Hz），根据计算，NR在2040dB范围内。为便于估算，也可由频率比f/f0直接从图6-3内求得毗邻房间内的噪声减低量

7、NR值。,（6-6）,10,在实际工程中，一般达不到式（6-6）和图6-3内所求得的值。通过大量的隔振改善工程的实践结果表明，噪声减低量在下式的范围内：,（6-7）,6.2.2 隔振要求的确定 在进行隔振设计时，首先要明确隔振的要求，亦即隔振的标准。如空调用房要求安静的程度（允许噪声标准），机房与安静房间之间的相对位置，设备的振动状况，以及对振动（振幅、加速度）本身的要求等。 表征隔振效果的值是振动传速比，各类建筑和设备的振动传递比的建筑值如表6-3所示。,11,12,根据隔振要求，由表6-3确定振动传递比后，就可以从式（6-2）、式（6-4）和式（6-5） 求得必须的静态压缩量XCM 或频率

8、比值，以此选择隔振装置。在一般情况下，各类隔振装置的 压缩量和相应的自振频率，可参考表6-4进行初选。,6.2.3 基座板（质量块）重量和形式的选择 设备基础隔振的构造，在多数情况下都将设备配置在重量较大的钢筋混凝土基座板（亦称 质量块）上，然后在下面設隔振装置。采用这种构造形式的目的有如下几点： 1）能够减少设备本身的振动。因为把设备配置在隔振装置上（弹簧或弹性材料），虽起到了 减低传给基础的振动的作用，但设备本身的振动却增大了。这一方面会影响设备的使用年限 ，同时还会影响它的频率，在有些情况下，还会有安全问题。因此，把设备配置重量大的基 座板（质量块）上可以起到减少设备本身震动的目的。,1

9、3,2）使机组的偏心（相对于设备底盘的几何中心）可以忽略不计，从而使各弹性支承点可以采用 相同刚度和数量的隔振装置。 3）可以降低机组的重心，增加稳定性。基座板的重量一般应大于设备本身重量的25倍，因此 ,有可能选择自振频率很低(即压缩量很大)的弹簧隔振器,而又能保持机组有足够的稳定性. 4）有可能使空调、制冷设备基础隔振设计实现标准化和隔振装置的系列化和商品化。至于基座 板（质量块）的重量，一般都用重量比来表示，即基座板的重量与机组重量之比，简称重 量比。重量比的确定要根据设备的振动状况、重心位置、所处的部位（底层或楼层地面）、 基础的承载力，以及隔振要求而定，但应尽可能取较大的重量比。 有

10、关质量块的重量比很难、也不可能有标准，都是根据上述具体条件而定。在国外，有些 机械设备的质量块的重量比选用1520倍，如德国某电厂的破煤机重4t,，质量块重60t， 重量比为15。 在空调、制冷设备中，重量最大的冷冻机和通风机在6t左右，最小的风机和泵仅几百千克， 而且振动力远小于很多机床和冲床，垂直方向的振动都大于水平方向的振动。因此，没有必要 选用很大的重量比。根据经验，重量比选用25就可以满足要求了。但在工程设计中，通常还 反映这一重量比太大。因此，很多大型通风机仅采用11.2的重量比，有些重量较大的冷冻机， 甚至不用质量块，而在四个支承点上直接配置不同刚度的隔振装置。,14,在重量比受

11、到限制的条件下，也可以通过合理地选择基座板（质量块）的形式来达到降低重心和增加稳定性的目的。 例如将平板式基座板的弹性支撑点位置提升（见图6-4a），或采用下垂式和汇聚式基座板（如图6-4b和c所示）。其中特别是下垂式基座板，在北京地区的隔振系统中应用很广。,15,6.2.4 双层基座板隔振系统 单层基座板系统有一个自振频率，当设备起动和停机时，扰动频率必然会通过系统的自振频率而引起共振，从而明显地降低了隔振效果，在某种情况下，如精密设备的机械加工和使用、天平、录音和播音建筑等，这种共振现象是不允许发生的。 为了防止单层板的共振现象，可以采用双层板串联隔振系统如图6-5所示。,16,由于系统有

12、双层钢筋混凝土基座板，因而有两个自振频率f01,f02。设备起动和 停机时的振动频率不可能同时通过隔振系统的两个自振频率,从而防止了共振现象。 但这一系统应注意防止扰动频率接近自振频率f01,f02。 双层基座板隔振系统的自振频率f01,f02可由下式求得： 式中 M2/M1下层板与上层板的重量比； x1,x2基座板重量M1、M2作用下的静 态压缩量（cm）。,17,6.3 隔振装置的设计和选择 6.3.1 弹簧隔振器的计算 在已知弹簧承受的荷载P1和刚度 以后， 即可进行弹簧规格的计算。 为了在荷载较大时，弹簧也能正常工作，故一般均取弹簧实际荷载P1的1.2倍， 即P2（最大计算荷载）=1.

13、2P1。这样，弹簧丝的直径d可按下式求得： 式中 C=D2/d（弹簧指数），可从表6-5内选取，其中 d弹簧丝直径（mm）， D2弹簧圈平均直径（mm）； K曲度系数，由下式求得，或从图6-6内查得； 允许扭转工作应力MPa，查表6-6得。,（6-9）,（6-10）,18,19,20,弹簧圈数可按下式求得： 式中 G切变模量，由表6-6内查得； N弹簧工作圈数，一般应2.5圈，弹簧间距一般在 和 之间， 而最大工作负荷下的间距0.1d。 式（6-11）求得的弹簧圈数为工作圈数，实际弹簧圈数应在工作圈数上追加11.5圈。 弹簧计算完毕后，应绘制弹簧工作图，图内应包括如下参数：钢材号，弹簧丝直径d

14、，簧圈平均直径D2，工作圈数N，实际圈数（总圈数）N1，旋向，弹簧两端的平整度，热处理和表面处理的要求，以及负荷变形工作图等，该图主要供弹簧加工部门使用，并核算隔振效果。,（6-11）,21,6.3.2 弹性隔振材料的计算 最常用的隔振材料有橡胶、软木、毛毡和沥青矿棉制品等，使用这类材料必须经过计算，否则很可能造成浪费和起不到隔振作用。 弹性隔振材料受压时，静态压缩量XCM与材料的厚度h允许负荷成正比，与材料的动态弹性模量E成反比，即 对某一种特定材料来说，、E为常数，因此，隔振效果取决于厚度h。为便于计算，表6-7提供几种弹性材料的动态弹性模量和允许荷载值。 应该指出，表6-7内所列的是参考

15、值，因为它们与所采用的材料种类有很大的关系。对于重要的工程设计，必须对选用的衬垫的材料的和E进行测定。 为使弹性隔振材料有可能较长时间不失去弹性，作用于弹性材料层上的压力不应超过允许的值，在重量为M的机组下，衬垫的表面积S可用下式求得：,（6-12）,（6-13）,22,如使计算所得的衬垫弹性材料面积增大，将增大隔振装置（弹性材料）的硬度，使隔振效果变坏；而减少面积则会引起衬垫弹性材料过载，使它的弹性性能较快的损失。,23,6.3.3 隔振装置的比较和选择 隔振装置包括金属弹簧隔振器和多种隔振弹性衬垫材料及制品两大类。各有其优缺点，如何选用要按隔振要求和具体条件而定。 （1）金属弹簧隔振器 金

16、属弹簧是一种用途很广的隔振器，它能承受的荷载幅度大，从几千克至几十吨， 静态压缩量幅度也很大，最大可达几十毫米。 它的优点可归纳为如下几个方面： 1）自振频率低，因此，低频的隔振优于其它隔振装置； 2）使用年限长，且能抗油、水的侵蚀，而且不受温度的影响； 3）力学性能稳定，设计计算方法比较成熟，计算值与试验值较为接近； 4）便于加工生产，特性变化小； 5）价格低廉。 它的缺点是阻尼比小，共振时放大倍数大，容易传递高频振动，水平方向的稳定性较差。因此，在选用金属弹簧时都同时配置橡胶衬垫。,24,由于金属弹簧的上述优点，特别是自振频率低，隔振效果显著等优点，特别适用于空调、制冷设备的基础工程。近二

17、十多年来，北京地区的大型民用和工业建筑，几乎都采用配有橡胶垫块的钢弹簧减振器，均获得较好的效果，国内其它省市也广泛采用。目前国内生产弹簧隔振器的厂家不少，但质量较好且生产系列产品的只有上海青浦淀山湖减振器厂和江苏靖江减振器厂等几家。这种产品的优点是便于设計人员选用，满足减振要求；缺点是必须垂向受压，稍有倾斜，弹簧盒上、下就会卡住，起不到减振作用。因此在安装时，必须认真配置。其次是造价较高，当用量较大时，费用相当可观。 图6-7为淀山湖减振器厂生产的ZT、ZTB、ZTG型系列弹簧振器的外形和构造示意。这三种型号的隔振性能和构造均相同，不同之处在于弹簧盒上、下（台架和地面）连接方法的不同。表6-8

18、为该系列产品的承载能力和外形尺寸。,25,26,27,金属弹簧隔振器的构造很简单，根据所要求的设计荷载计算弹簧很方便，只要当地或附近地区有弹簧加工厂，完全可由施工单位或安装公司自制，这样不仅可以节省投资，缩短订货、运输的时间，同时更能切合实际需要，消除弹簧稍有偏心受压时上、下盒卡住的缺点，确保隔振的效果。 为了减少设计人员计算弹簧的这道程序，笔者根据空调设备荷载幅度，提供了甲、乙、丙、丁四种型号的弹簧和加工图。经套用（大弹簧内套小弹簧）、组合（几个弹簧组合）可满足所有空调设备受不同荷载的实际需要。图6-8为四种弹簧的规格和加工图。图6-9为根据其中三种“弹簧”组合成10种型号的隔振器。图6-1

19、0为隔振器的特性图。,28,29,30,31,（2）橡胶隔振器 目前在空调设备中应用橡胶隔振器的也较为普遍，特别是水泵和转速较高的通风机等设备，由于扰动频率较高，采用的较多。 橡胶隔振器有橡胶剪切受压的隔振器和垂向受压的橡胶板两种。前者作为系列产品由专业工厂生产；后者则可自选橡胶板，根据隔振要求进行设计，通常称橡胶隔振垫。 橡胶剪切受压的隔振器，由于静态压缩量较大，因此自振频率较低，同时对高频有很好的隔振效果，但它的缺点是易受温度、油质、氟利昂和氨液的侵蚀；且在长期的静荷载下，变形会不断增加，因此，一般使用年限的最佳期约在5年左右，以后作用会逐渐减退，需定期更换。 橡胶剪切受压隔振器，国内由江

20、苏无锡减振器厂独家生产，JG型系列产品分JG1，JG2，JG3，和JG4等四类28种规格，它的构造如图6-11所示，规格和性能列于表6-9 ，图6-12为JG型橡胶隔振器的设计图（性能曲线图）。,32,33,34,例6-1 已知一台20kW空气压缩机，安装在车间底层，附近有需要安静的办公室。机组重740Kg，底重970kg，空气压缩机转速为1170r/min，电动机转速为1750r/min。底盘下设6个支点，要求进行隔振，并选用JG型橡胶隔振器？ 解 1）按表6-3查得允许的振动传递比T=0.2，取阻尼比 =0.1，再由图6-1定出所需的频率比 =2.5； 2）空气压缩机的扰动频率f1=（11

21、76/60）Hz=19.5Hz，f2=(1750/60)Hz=29Hz，故取19.5HZ（较为不利的扰动频率）； 3）根据T=0.2和频率比=2.5，按式（6-2）可求得自振频率f0=7.8Hz； 4）每个支承点的荷载P=（ ）N=2850N； 5）根据荷载P=2850N和自振频率f0=7.8Hz，在表6-9和图6-12内选用6只JG3-5橡胶隔振器，相应的自振频率为f0=7.7HZ； 根据确定的JG3-5型隔振器由图6-1校验振动传动比为 对压缩机： = =2.53,T=0.185 对电动机： = =3.79,T=0.075 基本符合要求，因此，该机组如安装6只JG3-5型橡胶隔振器，可获得

22、满意的隔振效果。,35,36,橡胶隔振垫也是橡胶隔振器的一种类型，通常为厚度1020mm的带有各种凹凸槽型的橡胶板，大小为300mmx300mm左右，开槽的形式（肋型槽、三角形等）和方向（单向、双向）虽有不同，但其目的均是为了增大压缩变形量，从而提高隔振效果。因此，很薄的橡胶垫（如1020mm）即使开槽，受压后其压缩量也很有限，隔振效果极低，对此，常用多层橡胶板，中间夹4mm厚钢板粘结成厚度较大的隔振垫（块）。目前市场便于购置到的，且性能较好的橡胶板为XD型和SD型两种胶板，其后者采用较广。图6-13即为这两种橡胶板的形状和规格。表6-10，表6-11分别为这两种板的隔振参数。 设计人员可以根

23、据表6-10，表6-11内提供的参数和隔振要求、受荷大小，自行设计橡胶垫隔振器，用SD型橡胶垫粘结的称为SD橡胶隔振器。,37,38,39,（3）其它几种隔振材料 1）软木 软木作为隔振衬垫材料，应用最早。它的承压能力较小，一般在200KPa以内。水和油类对软木的工作特性影响很小。在室温条件下，软木的使用年限可达1520年左右。因此，是较好的一种隔振衬垫材料。但天然软木价格昂贵，同时，在国内市场上，又不易买到。通常均利用保温软木板作隔振衬垫材料。国产保温软木板在静荷载作用下的静态压缩量，如图6-14所示。,图6-14 保温软木板的静荷载与静态压缩量,40,由于软木板的自振频率较高，因此，仅适用

24、于转速较高，即扰动频率高的设备。 在空调、制冷设备中，可用于水泵和小型的压缩机的隔振。对于大型的冷冻机，支承 点的荷载较大，而软木的允许荷载较小，如采用软木隔振，支承点的面积要求很大， 因此不宜采用。 近几年来，由于大量采用聚苯乙烯和岩棉作为保温材料，因此，保温软木板的生产量逐渐减少。目前已不易购置，只能因地制宜采用这类材料。 （2）玻璃纤维板 玻璃纤维板是一种用酚醛树脂将玻璃纤维粘结成板状的无机材料。这是一种很好的隔振材料，且价格低廉。但它的缺点是承压能力小，一般仅在1015kPa，且自振频率较高，玻璃纤维板厚520cm时，自振频率约为1022z。表612为国产酚醛树脂玻璃纤维板的实测资料。

25、 玻璃纤维板虽作为成形的板材，但抗压和抗折强度都很低。因此，它作隔振垫块直接配置在设备的支承点的可能性很少，一般都用于钢筋混凝土基座板下面，使荷载均匀分布。它具有耐腐蚀、不易老化的优点，但须注意防止水的渗入。因此不适用于水泵的隔振基础，可用于隔振要求不高的冷冻机和压缩机的隔振基础，其厚度应不小于20cm（受荷后约为1214cm）。,41,42,）毛毡、沥青矿棉毡、岩棉 这些纤维毡类也都可以作为设备的隔振材料，但由于自振频率一般都高于20Hz，因此，要获得良好的隔振效果，就需很大的厚度，从而造价较高，它与所能获得效果相比并不合算，因此在空调、制冷设备中应用不多。 ）隔振装置（隔振器、隔振材料）的

26、选择 在分析了钢弹簧隔振器、橡胶隔振器和各种隔振衬垫材料后，可在自振频率与静态压缩量之间的关系曲线上概略地表示出隔振装置的主要特性，见图6-15。由于隔振效果取决于隔振装置的自振频率或静态压缩量，因此，图6-15也是各类隔振装置可能达到最好隔振效果的名次排列图，即钢弹簧隔振器最好，其次是橡胶隔振器和橡胶垫等 。 隔振装置的选择，固然应首先考虑隔振效果，但在空调、制冷设备的隔振设计中，并非所有的设备都要求有最好的隔振效果，而是应根据不同的隔振要求、设备所处的位置和环境、设备扰动频率的高低等具体条件进行选择： 1）通风机和空调器 通风机的扰动频率通常在1020Hz的范围内（相当于轴转速为60012

27、00r/mim），要获得一般的隔振效果，必须选用具有自振频率较低的隔振装置。在这种情况下，选用钢弹簧隔振器最为适宜。此外，通风机的基座板下各支承点的承压力不易做到完全相同，特别在基座板重量较轻的情况下，更为明显。在这种情况下选用HG型外露弹簧的隔振器是最适合的.,43,因为只有HG型隔振器在各支承点压缩量有明显差别的情况下，仍能获得良好的隔振效果，同时，造价又很低。 有时，为了获得很高的隔振效果，还可采用双层串联钢弹药，这样可使自振频率降低到f0/ 。 当基座板重量很大，这样可使各支承点有接近相同的压缩量时，除了采用HG型弹簧隔振器，还可以采用TJ1型和ZT型钢弹簧隔振器。 在隔振要求不太高，

28、而风机的扰动频率在12Hz以上时，可以采用橡胶隔振器，但应注意，支承点的荷载不应超出产品表内所标明的承压力，同时要求各支承点的承压力必须很接近，否则其中一个支承点超载而破坏，会导致各支承点的隔振器全部损坏。,44,2）冷冻机和空压机 由于冷冻机和空压机的转速高，相应的扰动频率也高。采用钢弹簧隔振器当然可以获得满意的隔振效果。但当没有必要时，也可采用除橡胶以外的各种弹性隔振衬垫材料，其厚度和支承面积应根据计算求得。当支承面积大于计算面积时，隔振衬垫变硬，降低了隔振效果，在设备的底盘下满铺隔振衬垫材料，就属这种情况，因而不能达到隔振的目的。 3）水泵 水泵的转速通常为14502900r/min，其

29、扰动频率在2448Hz范围内，同时，水泵的重心与机座板的几何中心偏离很小。因此，可以采用除玻璃纤维以外的各种隔振器和隔振衬垫材料，都能获得较好的隔振效果，但由于水泵的数量较多故应考虑隔振装置的造价和使用年限。 4）冷却塔 冷却塔的振动是由风机和落水产生的，扰动频率不高，而且它通常都配置在机房的顶板上，因此，不必作讲究的隔振处理，一般用橡胶隔振垫即可。但当冷却塔配置在需要安静的旅馆客房、办公室等的顶板上时，则必须采用钢弹簧隔振器。此外，冷却塔不应配置在录音、播音室和音乐厅、歌剧院等观众厅的屋顶上，因落水声的低频振动较大而难以控制。,45,6.3.4 隔振装置与基座板（质量块）的连接构造 隔振装置

30、与设备底架（板）的连接，要根据基座板的用材和形式而定。目前有两种连接方法：即用浮筑和螺栓固定的方法。通常情况下，由工厂生产的系列产品会考虑相应的措施以便连接。如由上海淀山湖厂生产的ZT型系列产品，它分ZT型、ZTB型和ZTG型三种，实际上这三种隔振器构造和隔振性能完全相同，所不同之处，就在于与基座板（底架）连接的方式不同。以下对几种隔振器的连接构造作简要的介绍： 1）HG型钢弹簧隔振器，在上盖板上焊有20mm高钢管，以此卡在基座板预埋的5号槽钢内，底板下设有30mm 厚橡胶垫，浮筑于地面式砖墩上。图6-16即为钢筋混凝土“T”型板、平板与HG型钢弹簧隔振器的连接构造。 2）JG型橡胶隔振器和Z

31、T型隔振器，当用钢筋混凝土基座板时可用HG型钢弹簧与基座板相同的连接方法。当用型钢作为基座板时，则需用螺栓固定在钢架的底座上，如图6-17所示。 至于弹性隔振衬垫材料，根据计算求得的各支承点所需的面积，直接配置在钢筋混凝土或型钢基座板下即可。但应注意：不必在隔振材料的周边设边框，以免影响其压缩变形，从而恶化隔振效果。,46,所有的弹簧隔振器或隔振材料，它与地面均为浮筑的，前者下部设有橡胶垫，后者本身为隔振材料，因摩擦力较大，不必担心由设备的振动而引起移位。 在强地震区，当地震时仍需保证正常运转的设备，如消防用水的设压泵等设备，则应将隔振器用螺栓固定在预埋钢板的地面上，上盖板也须焊牢在预埋槽钢或