精密设备防微振基础设计

精密设备防微振基础设计

杨森

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

摘要：微振动会干扰精密设备的正常工作，对其性能造成影响，因此进行精密设备实验室防微振设计很有必要。为解决某精密设备的微振动问题，通过实际振动测试采集场地振动响应，设计了一种防微振基础，并通过有限元模拟分析其隔振性能。研究结果表明：采用该防微振基础后，场地振动的竖向VC曲线从VC-A降到VC-C，满足该精密设备的场地振动控制要求，达到防微振设计目标。

关键词：精密设备 防微振基础 减隔振

作者简介：杨森（1995-），男，硕士，工程师，主要从事结构振动控制技术研究。

0 引言

近年来，随着精密测量、实验和加工技术的不断发展，精密设备的应用领域不断扩大，其工作精度不断提高，并对场地环境有了更高的振动控制要求。对于防微振要求较高的精密设备，直接放置于建筑结构中无法实现有效隔振，需要进行防微振设计，采取综合防微振措施。在做防微振设计时，首先要进行场地振动测试，了解场地振源，评估场地的振动响应[1]-[5]。振源一般可分为外部振源和内部振源，常见的外部振源有轨道交通、道路交通、工程施工等，内部振源有动力设备及其管道。在实际场地测试的基础上，根据场地振动响应设计合理、有效、经济的隔振措施，并进行动力分析，评价防微振设计措施的隔振性能。常用的评价方法有时域分析、频域分析和倍频程分析，评价指标有VC标准，其利用三分之一倍频程进行计权，是进行精密设备振动评估及实验室选址环境评价中使用最多的标准。

某厂房改造项目距离一条交通主干道25米，改造后的厂房用于精密加工，需放置一台精密设备，该精密设备的振动容许标准为VC-C。由实际场地振动测试可知：该厂房主要受外部道路交通振动影响，精密设备存放位置的水平向振动满足VC-C，而竖直向振动为VC-A，不满足振动控制要求，需要进行防微振设计，以使厂房满足精密设备使用需求，确保其正常工作。

1 防微振基础设计

为解决该精密设备的微振动问题，采用弹簧+混凝土平台的防微振基础，防微振基础的平面尺寸根据设备大小确定，最终确定的外包络尺寸为2220mm×1918mm（长×宽），基础总高度定为800mm，采用T型截面，翼缘板高度定为300mm，腹板高度定为500mm，共设置8个支座，其有限元模型见图1。材料采用C30混凝土，密度为2500kg/m3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.3，阻尼比为2%，用弹簧元件模拟钢弹簧支座，共设置8个支座，其竖向频率为2Hz，阻尼比为5%，水平刚度和阻尼同竖向刚度和阻尼保持一致。由于该基础为非对称基础，各个支座的受力各不相同。首先对防微振基础模型进行静力分析，确定各支座反力，多次调节使各支座变形协调。

图1  防微振基础模型

2动力响应分析

对隔振基础模型进行模态分析可知：第3振型为竖向平动，频率为2Hz，表明防微振基础模型符合设计目标，可用于后续分析。由实地测试报告可知，场地受道路交通振动影响较大，故取测点振动响应最大时段60s的三向加速度作为振动荷载，输入到隔振基础的有限元模型中进行模态动力分析，振动荷载作为加速度约束施加到钢弹簧支座底部。

在防微振基础模型上提取节点。从时域、频域和VC曲线三个方面评价防微振基础的隔振性能。

（1）时域分析

节点1和实测点的时程对比如图2所示。从图中可以看到，节点1的Z向时程减小幅度显著，采用防微振基础后，加速度值为实测点的1/10。

图2  时程对比

（2）频谱分析

节点1和实测点的频谱对比见图3。从图中可以看到，节点1的频谱在2Hz之后的振动响应与实测点相比减小很多，同时在2Hz的振动响应存在一定程度的放大现象，表明隔振支座频率为2Hz。

图3  频谱对比

（3）VC曲线

将节点的加速度时程转换成速度后进行三分之一倍频程分析，得到VC曲线。对节点进行1/3倍频程分析并绘制诺模图，数据分析采用线性平均法，采样频率512Hz，重叠系数3/4，FFT变换分析点数2048，加窗形式为汉宁窗（hanning），VC曲线见图4。

从图4中可以看到，实测点的X向为VC-D，Y向为VC-D，Z向为VC-A，节点1的X向为VC-D，Y向为VC-D，Z向为VC-C。

图4  节点1-VC曲线

3 结论

根据动力响应分析结果，可以得出如下结论：

（1）采用上述防微振基础后，场地三向振动加速度均减小，其中竖向加速度约为实测点的1/10；

（2）采用上述防微振基础后，频谱在2Hz之后的振动响应与实测点相比减小很多，同时在2Hz之前的振动响应存在一定程度的放大现象；

（3）采用上述防微振基础后，场地振动的竖向VC曲线从VC-A降到VC-C，能够满足精密设备VC-C的防微振要求。

参考文献

[1] 国家环境保护局.GB10070-1988. 城市区域环境振动标准[S].北京：1988.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50868-2013. 建筑工程容许振动标准[S].北京：中国计划出版社，2013.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB51076-2015.电子工业防微振工程技术规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ-T441-2019.建筑楼盖结构振动舒适度技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50463-2019.工程隔振设计标准[S].北京：中国计划出版社，2019.