工程设计中常见的振动危害及防治

工程设计中常见的振动危害及防治

茅玉泉

北方设计研究院050011（石家庄）

提要：本文根据工程设计和生产过程中经常遇到或发生的振动问题，分析了其振源特性，阐述了危害建筑结构安全和生产、工作、生活的现状，提出了防振设计和处理振动问题的有效治理措施。

在工程设计中，应充分考虑各类机械设备在生产过程中出现的振动及其危害，以免影响到建筑结构的寿命和安全，影响到精密设备和精密仪器、仪表的加工、计量与检验，影响到人们正常生产、工作和生活的环境。以往工程设计中曾对振动危害和防治作过许多工作，但由于认识不够或考虑不周，曾发生过许多振动影响问题。因此，在工程设计中尚需认真地对待这些常见的振动危害，妥善的采取相应的措施加以解决；对生产中存在的振动影响和危害，要及时予以治理，从而确保正常使用。这是设计中需要解决的一个重要课题。

一、振源分析

在工业生产中，经常发生振动影响、恶化环境的有三类振源。

第一类是瞬态性振源。其中主要有锻锤、水爆清砂、落锤和压力机（冲床）等，这些振源属冲式撞击，振源振动能量很大，其频谱带较宽，影响范围很广。例如≥750kg 气锤，锤基振幅可达到50～300μm,1～16T锤，锤基振幅可达100～1200 μm；压力机基础振幅可

20～400μm。是发生振动危害最突出的振源。

第二类是稳态性振源。主要有空压机、振动筛，以及制冷压缩机（冷动机）、发电机、发动机、风机和水泵等，这些振源属有规律周期性反复作用。其中空压机振动能量较大（60～100/8空压机基础振幅达20～100μm以上），频率较低（5～8HZ），振动衰减较慢，影响范围较广；振动筛直接悬挂支承在结构上，动力影响很大；冷动机、发电机、发动机等振源的振动能量较小，如冷冻机基础振幅只有5～10μm，但频率较高，振动衰减较快，影响范围也较小，但当布置在楼层上时，特别是冷冻机、风机往往因空调需要布置在靠近精密设备，其影响不能忽视。

第三类是随机性振源。主要有火车、汽车、吊车和车床类，这些振源因受概率支配，其振动过程则假设为平稳的各态历经的随机过程。其中火车振动能量较大，范围影响较广，有时1公里外尚有2～3μm 。吊车支承在柱或梁上，振动影响直接；厂内外汽车，当道路靠近建筑物周围布置时，则与精密设备相距较近，有时振动影响明显；机床振动能量虽然较小，但当布置在楼层上时，可能影响到周围的精密设备。

上述三类振源，有些设备本体振动能量虽小，但由于使用安装和布置不当，或缺少应有的检查、维护和修理，在长期运行过程中因部件磨损过大，从而增大偏心或不平衡性，随之扰力增加，振动影响增大，对周围发生严重的影响和危害。

二、常见振动的危害

各种设备振源发生不同程度的振动影响是常见的，其危害主要有三个方面。

（一）危机结构安全

常见振动的危害之一，是危机结构安全。由于机械设备运转过程中产生不平衡扰力，结构在动荷载作用下，将引起构件的动应力，动力疲劳，应力集中，整体或局部的动力稳定；产生基础下沉或不均匀下沉，墙体、构件出现裂缝，建筑物倾斜，甚至局部损坏。

1动应力和动力疲劳

在实际生产中，引起结构产生动应力问题的设备有；≥0.56T 锻锤、≥50T-m落锤、所有大小铸件的水爆清砂≥、1000T水压机≥40/8空压机、以及振动筛，其振动主要作用在支承结构或基础上，并通过地基传递到设备附近的厂房屋盖。根据以往对5T锻锤100T-m、落锤和水爆清砂对厂房屋盖影响的振动测定表明：附近三十米以内的屋盖构件引起的动应力约在5-10％以内，个别构件可大于10％；因此设计时对锻锤5T以下与大于5T分别取10％和15％。这些振源的危害，还往往引起梁、柱、墙围护结构以及装饰板的裂缝；引起屋架斜拉杆，上弦端节点，特别是端节点虎口处应力集中而出现的裂缝，引起构件连接处松动、掉物、甚至破坏，引起焊接（或因存在缺陷）应力集中而破坏；水爆清砂还因型砂块体飞出，撞击厂房，造成门、窗、墙及构件的局部损坏；引起管道接头松动或断裂，造成漏油、漏气和漏水。

至于较大型≥40/8型空压机，由于干扰频率分别为4—6HZ和10—15HZ，它与厂房的水平方向固有频率3—5HZ和屋盖垂直方向的固有频率10—15HZ接近或一致。因此，在实际使用中如发生共振或接近共振，将引起的动应力达数倍增加，而导致墙体开裂，连接松动，门窗晃动，屋盖掉物，严重的危及结构安全。如某厂二台卧式空压机频率6.3HZ屋盖自振频率6.2HZ，每八分钟发生一次共振。即出现“拍”现象；又如某炼钢厂5台压缩机引起薄腹梁横向振动后进行了加固。又如某厂1—100/8,5—60/8（L型）空压引起屋盖和墙体振动显著，窗间墙体最大振幅达3mm，事后也进行了加固。

对于装置在楼层上的≥8号风机，如因叶片磨损或损坏，螺栓螺帽松动，又未及时维修，则扰力增大，可能危害机构安全或影响精密设备的正常使用；甚至风机的锚固螺栓发生断裂。冷冻机、发电机等平衡性虽好，但由于干扰频率处于15—25HZ居多，易与楼层垂直振动的第一频率共振区接近或发生共振，机构将引起较大的动应力。

另外，结构在动荷重作用下，其反复效应将引起疲劳，影响程度与材料、应力幅度，疲劳次数有关，最大可达动应力的三倍之多。焊缝在动应力疲劳状态下，强度迅速降低。动力疲劳作用下，所引起的局部损坏，会导致内力重分布，严重时将促使结构整体性损坏。

1基础下沉，房子开裂和倾斜

动荷载作用下，地基强度随着振动加速度的增大而减小，≥1T锻锤的地基容许承载力将降低10--20％左右。同时土体的凝聚力和内摩擦角减小，引起土体颗粒移动和增密。当地下水位较高时，不但

振动传递的影响范围扩大，还可能造成粉砂层地基的局部液化。从而造成设备基础及附近建筑物基础下沉或不均匀下沉，引起建筑物的开裂和倾斜，严重时建筑物将不能正常使用或继续使用。为了防止基础的不均匀沉降。设计锻造车间时，对砂土粘土和黄土上的柱基其允许振动加速度a宜分别控制在≤0.1g, ≤0.15g和≤0.3g。否则，应对锻锤基础采取措施，如采用柱基等提高地基刚度，减小锤基振动，减小对厂房的影响。或降低地基承载力，对锻锤动力降低系数

a r=1/(1+ᵦh a/g) ᵦh为土动沉陷影响系数。

(二)精密设备不能正常使用

常见振动的危害之二，是影响精密设备的正常使用。振动将导致降低精密加工精度，降低精密仪器仪表的测示检验和计量精度，降低精密设备的使用寿命，严重时还将造成精密设备的损坏。

1 降低精密加工精度

各类精密加工设备，对不同加工精度有其不同的允许振动要求，其允许振动速度控制指标一般在0.03mm/s～1.5mm/s范围内。当外界振动超过其允许振动速度的控制指标，就会对产品的光洁度、波纹度、不圆度、垂直度……或尺寸精度的累积误差发生不良的影响，由测定表明：对搂层上的精密车床、磨床、搪床、铣床等设备加工精度（如尺寸精度、光洁度）可能降低一至二级，甚至达不到合格要求，从而降低产品质量，造成废品，严重时使精密加工设备降低精度和使用寿命，甚至设备损坏。例如某厂机修车间1T自由锻振动引起刚屋架晃动，并对50m外的磨床加工