空气弹簧隔振体系基本设计方法及施工要求

侯献民

(上海国际汽车城产业发展有限公司，上海 201806)

随着工业产业化的速度加快，工业厂房的建设规模也在增大，但是与民用建筑不同的是，工业尤其是制造业行业很多都实现了自动化或半自动化，大量的企业都在建造生产线和流水线，这些工业设施或设备对环境振动的要求很高，尤其是IC(半导体)厂房，TFT(液晶显示器)厂房，TFT-LCD(彩色滤光片)厂房和其他精密光学仪器实验室等等。作者在上海广电富士光电建设公司建设五代TFT-LCD(彩色滤光片)生产线中参加对防微震机台设置、制作、安装、调试工作。表1为GB 50463-2008隔振设计规范中光刻设备容许振动值，对应为集成电路应用领域。

表1 光刻设备的容许振动值

对应如此高精度的振动容许要求，在目前工业领域中采用较多的隔振方法为空气弹簧隔振方法，本文所研究的内容为微振动工程领域空气弹簧减振和支座调平设计方法及施工要求。

微振动工程空气弹簧隔振研究和应用方面，郭荣生(1992)［1，2］对空气弹簧悬挂的振动特性和参数进行了大量的计算分析，得到在车辆应用系统中空气弹簧的动力分布规律;楼京俊(2000)［3］介绍了空气弹簧的基本特性、结构形式和基本原理，以单曲囊式空气弹簧为例讨论了空气弹簧动、静刚度的求解方法;李东升(2009)［4］对空气弹簧隔振平台调平精度影响因素分析，其(2010)［5］针对四点支撑的空气弹簧隔振地基设计自动调平控制系统建立隔振地基数学模型，并根据其多点耦合特性提出一种解耦调平方案。

1 空气弹簧隔振分析理论

工业振动隔振对象在设计和分析过程中，主要的理论依据是单质点单自由度体系动力学分析原理，实际中的工程见图1，对应的简化理论模型见图2。单自由度体系动力学分析理论建立基础为牛顿第二运动定律，其运动方程参见式(1)。

一般情况下，因为微振动领域的分析均为完全线弹性响应范畴，可以通过隔振措施将复杂的多质点多自由度体系简化为一个简单的单质点多自由度体系，所以也可以将隔振系统统一简化为一个单自由度体系的结构体系进行分析，然后在各个需求自由度上进行叠加，这样便可以获取隔振系统的基本动力特性，比如基本质量、刚度、基本振动频率等，实现利用单自由度体系解决单质点多自由度体系问题。单自由度体系具有较好的封闭性，可以得到完整的解析解，所以也可以获取单自由度体系结构响应的动力放大系数。式(2)为单自由度体系结构考虑粘滞阻尼体系时的动力响应解析解形式，图3为单自由度体系简谐荷载作用瞬态响应，对应在不同粘滞阻尼体系下与静力响应解的放大系数，可以参见图4单自由度体系位移稳态最大反应动力放大系数。通过得到动力放大系数，就可以根据输入荷载轻易获取结构的动力响应。

2 空气弹簧隔振设计基本方法

上面介绍了微振动问题的基本分析理论，在实际工程中主要是利用上述原理进行隔振设计的。微振动问题前面已经说明属于完全线性问题，因此从设计方法角度而言，即是按照一定的振动要求，满足一定的使用功能，确定合理有效的传递参数，并最终建立符合实际的线性系统。

对于线性系统的设计方法，工程应用上主要是利用反应谱或者是FFT谱的分析方法，即频域分析方法，该方法的优点在于可以快速的建立其输入、结构系统、输出之间的线性关系，通过这种关系高效的确定结构设计需要的各种振动参数。式(3)为空气弹簧隔振线性系统的输入和输出数学描述。

通过变换可以将式(3)转换为式(4):

如果按照单自由度体系振动理论进行分析，可以快速得到对应的传递函数解析解表达式(5)。

为了更加清楚的说明式(5)的意义，表2为单自由度体系不同基本频率和阻尼比对应传递函数最大值列表，图5为单自由度体系不同基本频率和阻尼比对应传递函数最大值曲线簇。

表2 单自由度体系不同基本频率和阻尼比对应传递函数最大值列表

通过上面所述，可以知道只要确定的振动参数，满足传递函数和输入值的频域求积，得到的输出反应在容许振动范围之内，则说明隔振设计有效。然而，实际隔振设计过程远没有这么简单，在实施的过程中需要做很多的相关准备和工作，一般其设计和分析流程包括九个步骤:

1)工程设计和施工概况;2)微振动一般工业设计分析;3)微振动测试分析;4)确定微振动设计目标;5)进行常规和FE数值分析，并选择合适的隔振原件、设备或装置;6)判断基本隔振设计是否满足要求，如果不满足，进入5)，如果满足进入7);7)进行工艺灯辅助工业设计;8)组织现场施工;9)项目验收及各项指标测试。

这些设计和施工步骤详情可参见图6，图7。

3 橡胶空气弹簧特点

目前，应用较多的空气弹簧为橡胶空气弹簧，一般按照气囊种类可分为膜式、囊式和混合式三大类。空气弹簧是由橡胶和帘布所组成的柔性部分与上下连接部件所密封成的总成。高强度纤维硫化于高质量的胶层之间，形成空气弹簧的骨架，特别柔软且具有高度的防破损能力，这取决于纤维帘线的结构角度，帘线密度和强度。两端钢丝圈经过硫化嵌入橡胶中。底座多为钢板或轻质铸钢，并且表面镀铬处理，以减小气囊与底座之间的摩擦。

橡胶空气弹簧主要是通过送气泵控制气压来实现隔振的。这种空气弹簧在承受荷载过程中，位移不随载荷的增加而变化，具有不变压缩量的特性，这也是空气弹簧在微振动隔振领域中应用较为广泛的重要原因之一。工作时，可通过充气泵进行充气，一般隔振充气气压范围在0.1MPa～0.6MPa，气压的大小会直接影响空气弹簧的刚度，随着承载量的增加，弹簧的高度减少，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，当承载量减小时，弹簧的高度增加，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。

橡胶空气弹簧具有较好的隔振特性，其单个的自振频率在1.1Hz～1.6Hz，而上层隔振台座为了保证有效隔振一般会按照刚体进行设计和施工，其单体自振频率会在100Hz以上，因此橡胶空气弹簧和隔振台座组成的体系可以构成一个较为完整的单质点体系，该质点体系对应有6个自由度，通过振型分解法进行解耦，可以将单质点多自由度体系转化为求解单自由度体系，进而可以进行计算每个分量自由度对应的振动频率和振型。

该橡胶隔振系统具备的基本隔振性能是对于中高频的荷载，则降低至设计目标值下;对于低频振动荷载，则可以通过阻尼的使用和出场调试试验，将阻尼调至可满足低频设计目标下。但是其自身也具有一定的缺点，如对于低频或者超低频荷载无法降低很多，这个主要是空气弹簧的固有特性所决定的，如果隔振要求更高，或者低频段有较多较大振动源存在，那么需要采用主动控制隔振装置或者混合隔振装置(可参看中国电子工程设计院防微振动工程设计研究所工程成功案例)。

在橡胶式空气弹簧相关研究和应用过程中，莫荣利(2005)［6］对空气弹簧隔振性能进行了试验研究，研究了其刚度和阻尼特性;郑明军(2008)［7］对利用工程热力学理论，建立了有、无附加气室空气弹簧的力学模型，推导出空气弹簧刚度与频率的数学表达式，并对影响空气弹簧特性的主要因素进行了分析。研究结果表明:空气弹簧具有明显的非线性特性，在外载荷变化大时，自振频率基本保持不变;空气弹簧的工作气压、有效面积变化率、工作容积、工作状态及节流孔直径是影响空气弹簧性能的主要因素。图8为空气弹簧帘线层模型示意图，图9为空气弹簧实物图。

4 空气弹簧隔振系统施工基本要求

传统的空气弹簧隔振系统从隔振方式角度讲属于被动隔振装置，其自下而上包括地基基础、隔振装置承载基础、隔振装置连接固定装置、空气弹簧隔振装置、隔振台座五个部分。本文主要从实际工程角度简单列举空气弹簧隔振系统施工基本要求。

首先，严格按照GB 50011-2010建筑抗震设计规范中要求，在进行地基基础设计时，根据场地类别、抗震等级、烈度分属等信息进行地基承载力、抗震、抗倾覆等设计和验算，尤其是在沿海地区等4类场地条件下，一定要采用筏基或者桩筏混合基础设计方法，确保地基稳定性，提高地基的抗倾覆能力，同时提高地基的整体刚度。

在建立隔振装置承载基础前，要事先在地基基础浇筑时预留搭接钢筋接头，承载基础的选取位置，应确保和隔振台座平面内形心位置一致或者偏差不大，因为有可能上部承载较大，而且空气弹簧隔振装置水平面内具有平整度要求，所以可采用型钢混凝土或者配筋率较高的普通混凝土基础。在基础浇筑完毕后，必须进行各个基础顶面标高找平工作，确保每个基础顶面标高误差不超过设计容许值，一般可建议在2mm/m以内。基础顶面需安装连接空气弹簧底座的连接板，板上设预留孔。

隔振装置连接固定装置以及调平装置，可以同时通过两阶段进行控制施工，第一阶段为工厂内进行机械加工，通过机械控制保证空气弹簧本身满足土建或隔振设备要求，第二阶段为体内通过土建现场施工手段进行控制，如现场测试、调平、灌浆等等措施。

空气弹簧隔振装置本身需要通过机械加工的方式确保其水平面平整度达标，出厂前需要对单个和组合后的空气弹簧隔振体系进行拟加载配重测试，检验其隔振性能。

隔振台座的设计和施工主要原则为要确保隔振台座重心、几何形心、刚度中心重合，同时要确保隔振台座的基本频率越高越好，而且其承载中心要尽量和重心重合，施工时可采用型钢混凝土方式，尽量不要采用普通的钢筋混凝土方式，主要原因是为了确保台座的整体刚度较好，其局部振型对应频率要比普通钢筋混凝土高，与空气弹簧组合起来，抗震性能更好。

5 结语

本文根据空气弹簧隔振体系在工业微振动领域中的应用情况、现有研究成果，通过基于单质点单自由度体系动力学理论，简要说明微振动隔振原理和方法，并说明了空气弹簧隔振设计基本方法，对橡胶式空气弹簧基本特性进行了说明，并对空气弹簧隔振体系现场施工注意事项进行了简单介绍。

［1］郭荣生.空气弹簧悬挂的振动特性和参数计算(上)［J］.铁道车辆，1992(5):1-6.

［2］郭荣生.空气弹簧悬挂的振动特性和参数计算(下)［J］.铁道车辆，1992(5):1-6，18.

［3］楼京俊.空气弹簧特性研究［J］.噪声与振动控制，2000(5):6.

［4］满 楠，禹 静，李东升.空气弹簧隔振平台调平精度影响因素分析［J］.计量学报，2009，30(Z1):32-33.

［5］满 楠，李东升.空气弹簧隔振地基自动调平系统研究［J］.液压气动与密封，2010(1):28-29.

［6］莫荣利，谢建藩，杨 军.空气弹簧隔振性能和试验研究［J］.噪声与振动控制，2005，12(6):11-12.

［7］郑明军，陈潇凯，林 逸.空气弹簧力学模型与特性影响因素分析［J］.农业机械学报，2008，39(5):3-4.