文/尹学军，王伟强，姜成，邱永钢·隔而固（青岛）振动控制有限公司

锻锤的弹簧隔振技术

文/尹学军，王伟强，姜成，邱永钢·隔而固（青岛）振动控制有限公司

锻锤设备工作时，会产生强烈的冲击振动和噪声。振动的传递会影响周围设备的正常工作，危害周围人员的健康，同时也会对设备本身造成影响，提升了设备故障率。因此，锻锤设备必须进行隔振。在诸多隔振措施中，橡胶、枕木、砂垫、防振沟等隔振材料和隔振方式，因为隔振效果不明显，现已不再采用。目前，企业主要采用由钢螺旋弹簧和粘滞阻尼器组成的弹簧阻尼隔振器。这种低调谐的隔振系统隔振效果最好，但如果设计不当，也达不到预期的效果。

弹簧隔振的原理

与回转机械产生的连续、稳定的正弦波形函数激振力不同，锻造设备产生的是断续、不稳定的冲击性脉冲载荷。脉冲载荷的波形有很多种，选取两种典型的波形进行研究，来探讨锻锤设备的弹簧隔振原理。这两种波形，一种是矩形脉冲，其特点是激振力在作用周期开始的瞬间就达到峰值；另一种是半正弦波形脉冲，激振力增加得比较慢，从零逐渐增加到峰值，如图1所示。

图1 矩形脉冲波（左图）与半正弦脉冲波（右图）

图2 冲击激振的动载荷传递系数

对于脉冲载荷，有两个主要性能参数，一个是脉冲载荷的持续作用时间δt，另一个是载荷峰值F。在一个无阻尼的弹簧隔振系统中，包括锻锤、基础块（如果需要）和弹簧隔振器，系统固有周期（固有频率的倒数）为Te。对于这个系统的传递力而言，最重要的参数为脉冲载荷作用时间与系统固有周期的比值δt/Te。研究揭示，对矩形脉冲而言，当冲击持续时间与系统固有周期的比值δt/Te＞0.5时，动载荷系数（传递力与激振力的比值）等于常量2；对半正弦脉冲而言，当δt/Te=0.85时，动载荷系数的最大值为1.8，见图2。δt/Te＞0.5时，多半为刚性基础，其传递到基础上的力总是大于输入的激振力，即动载荷系数大于1。

图2表明，只有当δt/Te＜0.167（对矩形脉冲）或δt/Te＜0.267（对半正弦脉冲）时，才能使动载荷系数Vs＜1，即传递力小于输入力。这要求弹簧隔振系统的固有周期至少是矩形脉冲的6倍，或是半正弦脉冲持续时间的3.75倍才能实现。弹簧隔振系统由于系统频率低（系统周期大），可以满足这个要求。举例来说，锻锤设备弹簧隔振系统的固有频率为fe=6Hz，即Te=1/6=0.167s，矩形脉冲持续时间为δt=25ms，得比值δt/Te=0.025/0.167=0.15。由图2查得，动载荷系数约为0.9＜1，可以实现传递力小于输入力。根据图2可知，只要系统固有频率小于6.7Hz，就能满足传递力小于输入力的要求。

阻尼比的大小会对隔振系统的效果产生重要的影响。对于回转机械的隔振系统，选取的系统阻尼比一般不超过0.15；对于锻锤设备的隔振系统，需要的阻尼比要更大一些，一般取到0.25左右。也许，会有人担心阻尼比过大会影响传递力，影响动载荷系数。其实不然，阻尼比适当加大可以有效地降低锻锤工作时的振幅，降低传递力，但并不是越大越好。

根据研究，锻锤的振幅大小和传递力大小与阻尼比具有以下关系：随着阻尼比的增加，锻锤振幅会不断减小，在阻尼比大约等于0.25时，得到最小值，但通过阻尼器传递的力会先减小后增加。与无阻尼弹簧系统比较，此时振幅约为无阻尼弹簧系统的70％，传递力约为无阻尼弹簧系统的80％，如图3所示。阻尼比为0.25之后，若阻尼比再增加，传递力不减反增，通过阻尼器传递的力将大幅度地增加。也就是说，如果在隔振时过分追求锻锤工作的小振幅，就必须依靠增加系统的阻尼比或者增加弹簧的刚度来实现，但无论怎么做，都会导致传递到基础上的力变大，使隔振效率降低。

图3 振幅、传递力幅值与阻尼比的关系

研究揭示的规律可以概括为两点：

⑴要使传递力小于输入的激振力，必须使系统的频率尽可能小于6.7Hz，也即垂向压缩量必须大于5.6mm，这对于钢制螺旋弹簧很容易实现。但是橡胶、枕木、砂垫等都比较难于满足要求，防振沟对低频振动起不到任何隔振作用，除非挖15～20m深的防振沟，否则振动波可以绕过沟底传播。

⑵阻尼对降低振幅与传递力起很大作用，但又不是越大越好。实践证明，锻锤隔振系统的最佳阻尼比应为0.25。

锻锤隔振系统的隔振效率

对一个冲击脉冲，如果隔振系统输入脉冲力峰值为FC，传递脉冲力峰值为FA，则隔振效率用公式（1）表示：

对于脉冲载荷，输入脉冲的持续时间是可以测量的，但输入脉冲力峰值FC通常很难知道。无阻尼隔振系统，通过测量系统响应振幅乘以总弹簧刚度算得输出脉冲力峰值；有阻尼隔振系统，还要加上系统响应速度峰值与总阻尼系数的乘积。

用测量锻锤上加速度与紧挨隔振系统的地面加速度，来评估隔振系统的隔振效率不可取。因为在锻锤上测得的大加速度，通常来自锻锤本身高固有频率振动。这些高固有频率，即使不隔振也不会传递，而且在下层基础上也只传递很短距离就衰减了。所以机器周围测得的加速度很小，由此计算的隔振效率大大偏高，不反映真实值。

锻锤隔振系统隔振效率的评估标准，应该在靠近锻锤某个相同的地点，比较不隔振基础与隔振基础的振动水平。这个评估标准，必须使机器首先用不隔振基础，再用隔振基础测量两次才能实现。

当系统固有周期系统Te远大于脉冲载荷的作用持续时间δt，即δt远远小于Te时，假设不隔振基础传递力为FB，隔振基础传递力为FA，则隔振系统的隔振效率可以用公式（2）计算：

式中，ηS=fB/fe

fB──机器加基础支承在弹性下层基础（不隔振）上的固有频率，一般为10～20Hz以上；

fe──弹簧支承系统的固有频率，一般为3～5Hz。

假定，fe远远小于fB，则公式（2）可简化为公式（3）：

图4所示的隔振效率曲线，表示不同频率比ηS下隔振效率Is曲线。

图4 隔振效率曲线

图5 隔振示意图

锻锤隔振技术的发展历史

不隔振的锻锤固定基础如图5a所示，锻锤通常被安装在一个很大的固定基础上面，由这个固定基础来缓冲锻锤工作时的冲击载荷。在20世纪50年代，隔而固（青岛）振动控制有限公司开发出了由螺旋弹簧、粘滞阻尼器与基础块组成的锻锤隔振基础，见图5b，基础块尺寸比固定基础小很多。70年代，隔而固（青岛）振动控制有限公司针对自身质量相当大的锻锤，又开发出了没有基础块的直接支承式弹簧基础，见图5c；对自身质量小的锻锤，可以先增加一个附加质量，然后再支承在弹簧隔振器上，这样既能保证隔振效果，又简化了施工。根据地基基础动、静力学分析，地基底板厚度为0.50～1.0m。对于自由锻锤来说，由于锤身和砧座是分离的，通常需要增加一个基础块将其连接在一起，然后再进行隔振，图5d显示的为典型的自由锻锤的弹簧隔振基础。为了验证隔振效果，隔而固公司对一些搬迁改造的锻锤设备进行了振动测试，表1列举了这些锻锤固定基础与弹簧隔振基础的振动速度。测量点位于距锻锤中心10m处。

表1 各种吨位锻锤固定基础与弹簧隔振基础的振动速度实测值

锻锤隔振系统的构成

锻锤弹簧隔振系统由螺旋弹簧、基础块（如果需要）和粘滞阻尼器组成，如图6所示。弹簧隔振系统的核心元件是弹簧与阻尼器，组装在一起称之为弹簧阻尼隔振器，见图7。弹簧的主要作用是降低系统固有频率，使传递力降低到小于输入脉冲力；粘滞阻尼器的作用是让弹簧隔振系统的阻尼比达到D=0.25左右，从而达到最佳隔振效果。锻锤用弹簧要承受巨大的交变应力，因此必须采用材质优良、淬透性能好的合金钢材；粘滞阻尼器必须提供通过试验实测的、参数准确的阻尼系数和使用性能稳定并抗老化的阻尼介质。

图6 锻锤弹簧隔振系统结构

图7 弹簧与阻尼器组成整体结构的隔振器

设计一台锻锤的弹簧隔振系统需要用户提供以下主要技术参数：

⑴制造厂家和型号。

⑵锻锤质量。

⑶下落部分质量。

⑷最大打击能量。

⑸砧座底部尺寸。

⑹砧座在地面下的深度。

⑺地质资料。

结束语

为了使基础传递力小于输入的脉冲力，必须使系统的垂向固有频率尽可能低于6.7Hz；为了取得最佳隔振效果，系统阻尼比应尽可能接近0.25，隔而固（青岛）振动控制有限公司的弹簧隔振技术能保证这两大特性的实现。且经实测数据证明，其隔振效率通常可以达到80％以上。

尹学军，德国工学博士，隔而固（青岛）振动控制有限公司总经理，中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会副秘书长，中国环境保护产业协会噪声与振动控制委员会常务委员。