摘要：基于机械压力机引起的车间振动状况的实测结果，分析了致振原因及振动波的传播规律。
关键词：机械压力机振动波测试
一、引言
机械压力机加工结束或工件断裂的瞬间，加工力由最大值突然降至零，曲轴、连杆和立柱因突然失去荷载而回弹，弹性势能释放，引起机身上下伸缩振动，并通过机脚施加给基础、地基以动载荷；压力机启动、制动及与工件撞击的瞬间也会因巨大的惯性力或惯性力矩而激起基础和地面产生很大振动。当扰力(矩)作用到基础上时，设备和基础一起发生振动，并通过土介质以体波和面波的形式将其振动能量不断向外扩散，同时振动能量又部分被土介质吸收，从而形成与距离有关的几何阻尼衰减和与土介质有关的粘滞阻尼衰减；随着传播距离的增大，振动将不断衰减直至消失。而体波与面波的合成构成工场的地面振动。
二、机械压力机车间振动传播的现场实测
江铃汽车股份有限公司冲压车间安装的E2S4000—MB型机械压力机，该机器基础几何尺寸为16m×10m，车间平面布置如图1所示。利用CD—7速度传感器(竖向)和CD—7S速度传感器(水平向)拾取车间地面振动速度信息，送入CF—920分析仪进行数据处理后经绘图仪输出，即可得各测点的各种振动参数(如位移、速度、加速度、频谱和互相关系等)，测试框图如图2。
图1E2S4000—MB型机械压力机车间平面布置及测点布局
图2测试框图
本次测试时冲压的工件为汽车纵梁，重55kg，材料为SAPH440，工件厚6.5mm，工件变形力约15000kN左右。测试中，除了测试地面上的振动外，还实测了工作台上的振动，一共测了22个点，测点布局如图1所示。为便于分析、比较，每次测试都以基础上的一固定点作为参考点。
从实测曲线看出，地面竖向振动曲线有三组波峰，表明启动、折弯工件和校整均引起地面振动，且启动时地面竖向振动最大，折弯工件和校整时引起的地面振动大致相同，有时折弯工件时的更大，有时校整时的更大。所测得的基础上的振动与地面上的振动有时差，据此，可计算出波的传播速度。图3为竖向及水平向地面振动衰减曲线；图4和图5分别为参考点、测点2的竖向振动位移曲线和频谱；图6是参考点、测点20(工作台上)竖向振动速度曲线；图7是参考点、测点20(工作台上)水平向振动速度曲线；图8和图9分别为参考点、测点2的水平向振动位移曲线和频谱；表1为部分实测数据。
图3地面振动位移幅值随距离的衰减曲线
图4参考点竖向振动速度(下)和测点2的竖向振动位移(上)曲线
图5参考点竖向振动速度(下)和测点2竖向振动位移频谱(上)
表1
| 测点号 | 参考点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | | 距振源中心距离(m) | 8 | 9.4 | 12.1 | 17.7 | 23.5 | 29.4 | 35.4 | 5 | 8 | 11 | | 竖向 | 振幅(μm) | 34.8 | 32.0 | 15.4 | 9.6 | 7.9 | 7.1 | 6.3 | 31.3 | 35.2 | 22.5 | 振幅比
(Ar/A0) | 实测值 | - | 0.93 | 0.45 | 0.28 | 0.23 | 0.21 | 0.18 | 0.91 | 1.02 | 0.65 | | 计算值 | - | 0.72 | 0.61 | 0.47 | 0.39 | 0.33 | 0.29 | 1.1 | 0.8 | 0.65 | | 频率(Hz) | - | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | | 水平向 | 振幅比
(Ar/A0) | 实测值 | - | 1.0 | 0.54 | 0.54 | 0.09 | 0.17 | 0.14 | 1 | 0.92 | 0.7 | | 计算值 | - | 0.73 | 0.63 | 0.5 | 0.42 | 0.37 | 0.33 | 1.1 | 0.81 | 0.66 | | Ar频率(Hz) | - | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 测点号 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | | 距振源中心距离(m) | 14 | 17 | 20 | 23 | 26 | 29 | 32 | 9.4 | 9.4 | 9.4 | | 竖向 | 振幅(μm) | 29.4 | 15.4 | 11.6 | 10.7 | 10.6 | 9.8 | 9.1 | 29.4 | 28.8 | 29.1 | 振幅比
(Ar/A0) | 实测值 | 0.85 | 0.45 | 0.34 | 0.31 | 0.31 | 0.28 | 0.26 | - | - | - | | 计算值 | 0.55 | 0.49 | 0.44 | 0.4 | 0.36 | 0.34 | 0.31 | - | - | - | | 频率(Hz) | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | 10.0 | - | - | - | | 水平向 | 振幅比
(Ar/A0) | 实测值 | 0.63 | 0.52 | 0.37 | 0.27 | 0.16 | 0.13 | 0.11 | - | - | - | | 计算值 | 0.57 | 0.51 | 0.46 | 0.43 | 0.4 | 0.37 | 0.35 | - | - | - | | Ar频率(Hz) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
注：(1)A0为基础上参考点的振幅，由实测得出。竖向振动：振幅A0＝34.8(μm)，水平向振动：沿东方向振幅A0＝498，沿南方向振幅A0＝275.07。
(2)表中标“计算值”的数据为按文献［1］中的衰减公式计算得到，其余为实测值。
图6参考点竖向振动速度(下)和测点20(工作台上)竖向振动位移(上)
图7参考点竖向振动速度(下)和点20(工作台上)水平向振动速度(上)
图8参考点竖向振动速度(下)和测点2处水平向振动位移(上)
按《动力机器基础设计规范》(GB50040-96)［1］中地面振动衰减公式进行了计算，式中r0为5.7m，ξ0按［1］中附录E.0.2条规定取为0.27，α0按［1］中附录E.0.3条规定取为4×10-4，f0按［1］中式(9.3.3-2)计算，竖向为11.86Hz，水平向取为1Hz，计算结果如表1和图3所示。
从实测数据及其与计算数据的对比中可以看到：
(1)表1、图4和图5表明，该压力机工作时工作台和地基振动曲线均有三个明显的振动峰，它们分别对应于启动、折弯工件和校整工件三阶段。地面竖向振动最大振幅主要由启动阶段引起，其振动频率为10.0Hz左右。
图9参考点竖向振动速度(下)和测点2处水平向振动位移(上)频谱
(2)在折弯工件阶段，工作台有一很大的竖向振动位移(图6(上))，使工作台产生向下位移，表明立柱产生了较大的弹性变形。
(3)从表1、图7和图8可以看出，地面水平向振动最大振幅主要由折弯工件阶段引起，其振动频率为1Hz(图9)。
(4)从表1和图3可以看出，沿东方向，竖向和水平向地面振动在距离r大于12m以后，实测值比按96《动规》衰减公式计算得到的值小，这可能是由于沿东方向在距离r大于12m以后的地面堆放了工件，使其振动减小所致。而沿南方向，地面竖向振动衰减实测的与按96《动规》衰减公式计算得出的较一致，这是由于沿南方向地面为自由表面，因而竖向振动实测与按96《动规》衰减公式计算的吻合较好。
(5)从表1和图3还可以看出，实测地面振动曲线在一定距离范围内，地面振动位移基本相同(如图3中沿东方向距离为12m至18m范围)。这可能是由于地面堆放的工件的刚度比地基土的刚度大得多，可看作刚体，即堆放的工件相当于刚体运动，地基和堆放的工件接触处地面的变形必须协调一致，因而使堆放工件下的地基土的竖向变形值基本相同。另外，由于堆放工件的不均匀，致使地面振动波动起伏较大。
三、结论
(1)闭式双点机械压力机工作时激起地面振动主要为地面竖向振动，地面水平向振动位移幅值较小，可不予考虑。
(2)闭式双点机械压力机引起的地面振动随着离开振源的距离增加迅速衰减，且所引起的地面竖向振动位移的实测值与按96《动规》中衰减公式计算得到的基本一致，可按96《动规》中衰减公式估算。
(3)机械压力机在冲压工件结束之前，工作台均有一较大的向下位移，该位移使立柱弹性伸长，在冲压结束后，受力伸长的立柱弹性收缩激起基础和地基振动。
(4)在地面附加压力作用下(如地面堆放重物或安装设备后)，振源引起的地面振动位移减小，地面振动频率也将降低。
参考文献
［1］中华人民共和国国家标准，动力机器基础设计规范(GB 50040-96).北京：中国计划出版社，1996.(end)
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