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外的磨床加工和计量仪器发生严重影响，而后搬出。

2 降低精密仪器、仪表检验精度各类精密计量、理化分析及其他仪器、仪表，均有其相应于正常检验测出时的振动条件，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控制指标时，则精密仪器、仪表的检验测示和指示（或指针）系统发生晃动或颤动，致使无法判定指示值，造成检验测示系统误差，甚至无法工作。

严重时将降低检验精度和使用寿命，甚至造成刀口损坏，指针失灵，内部机构松动或损坏而报废。

因此，许多工厂在生产过程中，将精磨加工设备，精密仪器、仪表的使用时间与有影响的振源设备交替叉开，或改在夜间使用，有的甚至迁走，造成许多不便。

（三）影响生产及人们的身心健康常见的危害之三：是干扰人们的正常生产、工作和生活。

在不同的时间内，根据人们的生理特征，能承受的振动是有限的。

当振动影响到人们的正常生活，特别是外界振动的干扰频率与人体某部位固有频率接近或一致而发生共振，它将致使人们难受，情绪不安，心情烦躁，精神分散，在长期有害振动条件下生产、工作和生活，还会造成“振动病”。

1 造成操作误差为了保证正常的生产操作和操作人员的身体健康，操作区的受振影响在不同条件下的允许振动速度应控制在 3.2～6.4mm/s范围。

否则由于操作区的过大振动，操作人员根据其承受能力，易造成操作误差，产品质量下降，生产效率降低，甚至无法操作。

2造成人们身心健康正常工作和生活环境振动要求，比操作区严格得多。

对不同使用特点的允许振动速度差别较大；要求最高为0.13～0.25mm/s,一般在0.5～1.0mm/s范围内。

车间范围办公区则可放宽到2.8mm/s.当超过允许振动值时，将降低工作效率影响居民的正常休息，由于环境处于长期不安宁的状况，必将损害人们的身心健康。

三、振动危害的防治在工程设计中，必须充分考虑振动引起的危害，采取必要的防振措施，避免或减少振动的影响。

对实际生产过程中发生的振动影响，应及时加以治理，以确保建筑结构的正常使用，确保精密设备的正常工作，满足人们正常的生产、工作、学习的生活等活动。

对振动危害的防治要根据实际情况综合考虑，首先采取减少振源处的振动输出，或采取隔离外界振动输入，必要时同时考虑减少振动输出和隔离振动输入，达到满足生产、设备和人所能承受的允许振动能力。

（一）合理布置振源工程设计时，首先要根据生产的可能性，尽量将较大振源和有精密要求的部分分区设置相互远离。

然后根据振源设备运行的特点，将同类设备布置成对称或反对，避免同类设备多台运行时处于同向、同步状态，以便使其振动在不同相位上互相有抵消．把振源设备的旋转运动方向和水平往复运动方向不对准精密设备，并与支承结构刚度大的方向一致。

在多层厂房内的振源布置时，要充分利用伸缩缝和楼梯间的减振作用，将振源与有防振要求的精密设备分开，并不设置在一个接层单元内；或将有影响的振源．单独设置；当生产需要不能远离时，应单独设置在与接层脱开的构架式基础上，或将该部分楼板简支设置，并在支承处采取减振措施。

在多层厂房内设有精密设备时不应设置吊车；必要时将吊车宜设在底层地面上，并与厂房结构脱开，采取单独设立柱的摇臂吊或悬挂吊，或做成落地门式吊车。

另外，在精密设备周围不宜布置通过重型汽车的主干道，非通过不可时应限速或定时运行。

（二）减少振动输出减少振动输出就是要设法减少振源振动能量。

一般是选择动平衡好的机械设备，对振源采取“刚、柔”法积极隔振。

1、选择动平衡性能好的设备，定期维修或更换设计时，首先要注意到选用动平衡性能好的机械设备，它扰力小，输出的振动能量亦小。

使用中要定期维修，有利于调整平衡性能。

当发现使用中设备动态不平衡增加，应及时检修，调整其联接处间隙的松动和固定松紧不一，使之恢复其平衡性能。