工业工程防微振控制方法

工业工程防微振控制方法
摘要：本文对工业工程防微振的控制方法进行了综合阐述。

首先介绍了振动的
振源控制思路，其次说明了在传递路径上进行防微振控制的若干方法，最后简单
介绍了有源主动控制的。

关键字：防微振；振源控制；传递路径控制；有源主动控制
1 前言
随着科学技术的发展，现代机械加工工业已步入精密、超精密时代。

在超精
密测量和控制中，精密仪器的测量和控制精度不仅与仪器本身的精度有关，周围
环境的振动、温度、电磁干扰等诸多因素的影响也是决定测量和控制精度的关键
环节。

解决精密设备、仪器仪表的防微振问题，具有重要意义。

工业工程防微振控制方法与结构抗震不同，在应用过程中难度也相应增大。

目前，我国工业工程防微振设计方法主要是基于完全弹性理论和隔振控制理论发
展而来，振动控制设计规范有《隔振设计规范》GB50463、《动力及其基础设计
规范》GB50040、《多层厂房楼盖抗微振设计规范》GB50190等，均涉及振动控
制设计方法，但是从工程可实施性角度而言，并未形成较为系统的工业工程振动
控制设计有效的实施指南。

防微振控制的设计比较复杂，但是从振动传播的角度而言，基本上可按振源、传递路径和受振部分有源主动控制等方面，分别采取有效的措施。

2防微振设计方法
2.1 振源控制
首先要注意到选用动平衡性能好的机械设备，它扰力小，输出的振动量亦小。

要根据工作特性，尽量将较大振源和有振动控制要求的部分分区设置。

在精密设
备周围不宜布置过重型汽车的主干道，非通过不可时应限速或定时运行。

设计时，要充分考虑精密计量仪器、仪表和精密机床等设备受外界振动的影响，可通过对振源振动的地面振动衰减计算或实地测试，将精密设备布置在受振
影响允许的区域范围内，这是一种最简便有效的方法。

2.2 传递路径控制
通常在振源与受控对象之间串加一个子系统来实现隔振，用以减少受控对象
对振源激励的响应，这是一个应用非常广泛的减振技术。

2.2.1 采用大型基础
根据能量守恒，建立振动动能总和计算公式：
式中W为振动动能总和，mj(wi)为第j质量点第i阶模态下振动质量，vj(wi)
为第j质量点第i阶模态下振动速度，S为模型质量点总数。

由上式可知，增大设备基础的有效质量可以减少设备安装位置的振动影响，
这种大质量的减振基础在实际工程中被广泛采用。

大体积的防微振基础，如果设
计得当，可使50%左右的微振得到减弱[1]。

2.2.2 隔振沟隔振
从地表面到地下的振动分布情况是：地表面大，地下小。

主要的振动能量将
沿地表面传播，因此人们就试图采用挖隔振沟的办法来隔离振动。

表面波（瑞雷波）在土层的传播性质，其垂直与水平向是随深度的增加而减弱，这种衰减与土
壤特性有着密切关系。

研究表明，对冲击振动或大于30HZ的振动，做隔振沟有
一定效果，但沟的深度必须超过干扰振动波长的2/3以上。

对较低频率的振源，
由于其波长，往往振动绕过隔振沟底部而传过去，就起不到减振作用。

带隔振沟的防微振基础，由于顶部没有约束，其顶面振动值由于甚至大于地
面振动值，呈“放大”作用，此种情况需要引起注意[2]。

徐建等[3]提出用高低通滤波器的思路来理解隔振沟设置的原理，如果振源信
号以高频为主，则可以利用隔振沟等方法设计成为等效低通滤波器结构；如果振
源信号以低频为主，则可以利用大质量基础等方法设计成为等效高通滤波器结构。

2.2.3 地基处理及桩基础[4][5][6]
对非岩石地基进行有效、合理的处理，或者采用桩基础，以提高防微振设备
基础体系的竖向抗压刚度，使体系的固有频率适度地超过周围振源的强迫振动频率，以避免产生共振；同时由于经过地基处理或采用桩基础后，刚度比原有土层
刚度大得多，由于压缩位移与刚度成反比，可将干扰振幅大为减少，也可达到减
振的目的。

2.2.4 隔振器隔振
隔振器隔振是一种较为成熟的隔振技术，它通过使用参数固定的弹簧和阻尼
器等元件来完成对被控对象的减振，具有结构简单，工作可靠，不依赖电源，不
消耗附加能量等特点。

对于积极隔振及消极隔振，均可采用隔振器进行隔振，其
原理相似。

通过使用隔振器，可降低隔振系统的固有频率，进而影响系统的隔振
传递系数。

各种类型的金属弹簧隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器与隔振装置的开
发成功及供应市场，以其优异的性能，促进了隔振技术的应用。

金属弹簧隔振器
能使隔振系统固有频率降至2Hz，并在隔振器内设置阻尼材料，增加阻尼值；橡
胶隔振器可使隔振系统固有频率降至5Hz左右，并开发出了高阻尼、耐油、耐老化、耐低温等诸多优良的品种；空气弹簧隔振器可使隔振系统固有频率降至
0.5Hz左右，其可变刚度、可变阻尼及自动调平功能，使其隔振性能又优于其他
隔振器，扩大了应用范围。

隔振器的隔振性能很大程度上取决于其固有频率，固有频率越低，隔着效果
越理想，但是低固有频率与高承载力、低共振点传递率与高频率高衰减存在两大
相互矛盾之处。

为解决好这两大问题，李子龙[7]提出在超低频隔振系统（≤1HZ）
结构设计中，采用正负刚度并联的隔振策略；在低频隔振系统中，采用空气弹簧
和摆机构。

2.3 受振部位有源主动控制
由于被动隔振对低频或超低频干扰力成分隔离效果很差，因而国外大都采用
主动隔振技术或采用被动隔振与主动隔振相结合的混合隔振技术。

主动控制隔振系统的主要核心技术包括作动器、传感器、控制器和控制算法。

在精密仪器与精密加工领域，主动隔振的研究已经取得相当的进展，性能指标与
关键技术都不断有新的成果产生。

3 结束语
对于高端制造业，某些实验室对振动要求是极高的，比如新一代惯导仪表检
测设备的微振动控制值是极为严格的，因此工业工程防微振的设计有很重要的意义。

由于振动的影响因素较多，传递途径亦复杂，在进行精密仪器工作台的防微
振设计时，为保证计算精度要求，需通过现场实测，取得实际的振动参数，进行
系统设计。

另外，每一种隔振器都有其固有的谐振频率，在某一频率范围内隔振效果好，对频率不在该范围内的环境干扰隔振效果却不佳。

因此，为了满足精密仪器的测
量精度要求，可采用组合式隔振系统或多级隔振，在被动隔振的基础上加上主动
隔振或者采用两级有不同谐振频率的隔振器以消除外界振动影响。

只有将振动传播的整个链条都进行精心设计，才能保证工程取得最佳的防微
振效果。

参考文献
[1] 王琪琳.磁悬浮主动精密隔振平台的控制研究.武汉理工大学硕士学位论
文,2013.
[2] 俞渭雄.IC工厂的防微振设计.洁净与空调技术,2007.
[3] 徐建等.工业工程振动控制概念设计方法.地震工程与工程振动,2015.
[4] 郑华山.防微振设备基础的设计研究.建筑结构,2007.
[5] 吴邦达.高精密车床基础防微振的新尝试.建筑结构,2001.
[6] 赵鹏等.某试验平台防微振有限元设计研究.四川建筑科学研究,2014.
[7] 李子龙.高性能主动隔振系统结构动力学分析与设计研究.华中科技大学博
士学位论文,2015。