電液自由鍛錘設備的砧座隔振方法

文/楊云·中船第九設計研究院工程有限公司

電液自由鍛錘設備的砧座隔振方法

文/楊云·中船第九設計研究院工程有限公司

自由鍛錘在工作過程中，錘頭所積蓄的動能在打擊工件時瞬間釋放，錘頭的速度由原來的下行速度突然停止并產生一定的向上反彈的速度，使錘頭的動量突然改變。由于打擊過程中，錘頭對砧座的作用力并不封閉于機身。因此，砧座瞬間獲得一個向下的動量，動量的值等于錘頭動量的改變量，砧座以一定的速度下行，進而將所獲得的動量傳遞給設備基礎和地基，激起設備基礎和地基的振動，從而形成振動波向外傳播，影響和干擾周圍環境。

我國鍛錘隔振從最初的砧座下放置木材和運輸帶，到橡膠彈簧、金屬彈簧（兼有彈性和阻尼特性的疊板彈簧和蝶形彈簧），以及螺旋彈簧與阻尼器組合，經歷了幾十年的過程。目前，鍛錘隔振分為砧座下隔振和基礎下隔振兩種方式。砧座下隔振是將隔振器置于砧座和基礎之間，而基礎下隔振是將隔振器置于內基礎和外基礎之間。由于基礎隔振時內基礎與砧座一起運動發揮慣性塊作用，通常把內基礎稱為慣性塊式，而把外基礎即基礎箱稱為基礎。本文通過對上海某廠鍛造車間幾臺電液自由鍛錘設備的隔振設計和實施效果的總結和分析，介紹自由鍛錘設備的砧座隔振方法，并與自由鍛錘其他隔振方法的特點進行比較。

自由鍛錘設備參數

上海某廠鍛造車間共設6臺自由鍛錘設備，打擊能量在175～5600J之間，自由鍛錘設備詳細參數見表1和表2。鍛錘的沖擊振動影響較大，特別是3t和5t鍛錘，基礎振幅為0.08～0.56mm，振動速度在8～12mm/s之間，振動能量較大，低頻成分較多，振動衰減較慢，傳播較遠。因此，必須采取隔振措施。因該廠周邊環境屬工業區，該鍛造車間距最近的北側廠界約60m。鍛錘設備經隔振后，因振動引起的廠界外環境振動影響將符合《城市區域環境振動標準》（GB 10070－1988）中工業集中區限制值，即鉛垂向振級晝間VLz≤75dB。

表1 電液自由鍛錘的技術參數

表2 空氣錘主要技術參數

自由鍛錘設備砧座隔振

基本原則

⑴隔振后，砧座的最大豎向振動位移應小于允許振動值。砧座振動位移太大，則會影響工人操作。根據《隔振設計規范》（GB 50463-2008）的規定，當砧座下設有隔振裝置時，砧座豎向允許振動線位移應不大于20mm。本設計取值為8mm。為控制隔振后砧座的豎向振幅，必須加大砧座的質量。本設計方案在砧座下設置配重塊（鑄鐵塊），并與砧座剛性連接，組成一體。根據《隔振設計規范》（GB 50463-2008），可以得知砧座豎向最大振幅的計算公式。

圖1 減振墊內力傳播和時間的關系圖

圖2 減振墊的位移波形和時間的關系圖

砧座豎向最大振幅的計算公式：

式中 ωn=（k1/m1）1/2；

AZ1——砧座最大豎向振動位移，m；

m0——鍛錘落下部分質量，kg；

m1——隔振器上部的總質量，kg；

V0——落下部分的最大沖擊速度，m/s；

e1——回彈系數，取0.25；

k1——隔振器的豎向剛度，N/m；

ξz——隔振體系的阻尼比。

將5t鍛錘的設備參數和隔振參數代入該公式，計算出5t鍛錘隔振后砧座的豎向最大振幅AZ1為4.10mm（其他鍛錘數據均不大于8mm，具體數據省略）。

⑵鍛錘在下一次打擊之時，砧座應停止振動。若砧座在打擊的間隔時間內沒能停止振動，則在鍛錘進行連續打擊時，會使砧座振幅越來越大，從而影響工人操作，甚至會引發設備事故。對隔振系統而言，要滿足這個要求，就是要考慮隔振系統的阻尼配備。對于沖擊設備，阻尼可以吸收沖擊能量，使設備受到沖擊干擾后迅速趨于穩定。根據《隔振設計規范》（GB 50463－2008）的規定，鍛錘隔振系統的阻尼比不應小于0.25。

⑶鍛錘打擊后，隔振器上部質量不應與隔振器分離。這就要求隔振系統固有頻率f＞g/（2πV）（其中g為重力加速度，V為打擊結束時的砧座速度。根據動量守恒定律，本案例中的5t鍛錘打擊結束時的砧座速度V=0.29m/s。則f應大于5.4Hz。

砧座隔振方法

⑴針對本次設計中的自由鍛錘設備，經過設計前的多次調研和對隔振方案分析對比，本次鍛錘隔振選用砧座隔振方法，并選用了一種稱為MRM彈性體阻尼模塊作為砧座的隔振系統。MRM彈性體阻尼模塊是在彈簧阻尼液隔振系統之后開發出的又一種適合鍛錘隔振的隔振系統。MRM彈性體阻尼模塊由特殊高分子材料模制而成，具有結構簡單，防水和防油污，使用壽命長和極強的抗蠕變性。垂直動態固有頻率低至8Hz，本案例中，固有頻率f為8.3～10Hz，阻尼比為0.13～0.25，隔振效率為75％～80％。

⑵以本次設計5t鍛錘砧座隔振為例，圖1和圖2為砧座隔振后減振墊位移和力傳播隨時間的變化曲線。從圖1可以看出，5t鍛錘打擊頻次為50次/min，即0.83次/s，當經過0.8s時，砧座已經復位停止振動，滿足隔振基本原則。

⑶圖3為5t鍛錘砧座采用MRM隔振系統的剖面示意圖。從圖中可以看到，砧座和配重剛性連接在一起，放置在MRM隔振模塊上，四周設置硬木為防偏擺的限位裝置。

圖3 5t鍛錘砧座MRM隔振系統的剖面圖

⑷表3為本次設計中，全部鍛錘砧座隔振設計的主要參數。

⑸鍛錘砧座隔振設計中有以下幾個不可忽視的要點：

①隔振鍛錘的錘擊中心（豎向）、砧座-慣性質量塊的重心和隔振元件的剛度中心應布置在一條鉛錘線上，以避免打擊時造成回轉運動。

②由于自由鍛錘的工作環境惡劣，工作時產生油、水和大量氧化皮。而上述這些污染因素，對砧座下的隔振元件會產生較大影響，從而將極大地影響隔振系統的隔振效果。因此，必須在隔振設計中引起足夠的重視。本設計案例中，在砧座坑的底部設有油、水的集中溝及配套的油水抽離系統，定時排出累積的油水。在防氧化皮的措施上，采用了三道屏障，MRM隔振模塊本身在其四周設置保護泡沫材料的密封以防止任何小顆粒和氧化皮進入隔振系統而降低隔振效果；在砧座配重底部和MRM隔振模塊之間設置一層薄橡膠，防止通過砧座與硬木之間的縫隙進入隔振模塊；在砧座底部再設一層屏障，防止氧化皮的墜落。并定時清理砧座坑積累的氧化皮，從而保障隔振系統的正常運行。

表3 鍛錘設備砧座隔振設計基本數據

③在鍛錘設備隔振的設計中，在滿足必須的隔振效率前提下，除應考慮盡可能降低一次性投資成本外，最重要的因素是，應考慮極大地減少隔振系統的日常運行維護成本，增大隔振系統的使用壽命。因為在實際生產中，由于隔振系統的損壞（如隔振器的損壞、粘滯阻尼液的泄漏和氧化皮的堵塞等），造成隔振系統的維修和更換，不僅帶來生產成本的上升，也勢必將影響整個生產進度，嚴重者將影響產品的交貨及合同的履行，給生產企業帶來較大的損失。如果隔振系統的使用壽命難以保證，將使隔振成本大幅上升。

⑹隔振效果測試：為檢測本案例中的上海某廠鍛造車間自由鍛錘設備砧座隔振裝置的隔振效果，在該廠鍛造車間設備投入正常運行后，于2010年7月，對其中的5t鍛錘進行了跟蹤測試。測量時，5t鍛錘正常生產，鍛打工件為直徑600mm的圓柱，鍛打成軸類的產品。測試參考《城市區域環境振動測量方法》（GB/T 10071-1988）和相關振動測試規范。測試點選兩點，一點為距鍛錘10m處，另一點為廠界邊界。測試表明：在距鍛錘10m處，加速度平均峰值為0.09m/s2，速度平均峰值為2.32m/s。而未隔振時的速度平均峰值參考值為9.8m/s，采用MRM隔振后，隔振效率為76.3％。在廠界處（臨近廠界）的測點，加速度平均峰值為0.007m/s2，速度平均峰值為0.22m/s，按加速度有效值換算相當于小于75dB，在廠界處已完全達標，滿足《城市區域環境振動標準》（GB 10070-1988）。另外，鍛錘設備隔振后，除滿足隔振效果的要求外，砧座振幅不大于8mm，完全滿足設計目標（不大于10mm），砧座的隔振對自由鍛錘鍛打工件和設備的其他方面沒有帶來任何不利的影響，自由鍛錘設備的使用滿足設備要求。

不同砧座隔振元件的特點

⑴早期的砧座下放置木材作為隔振元件，由于木材的剛度大，彈性小，隔振效率很低，大約在15％，效果很差。

⑵之后的橡膠墊，提高隔振效率到大約50％，但橡膠的阻尼較小且易老化，壽命短，隔振效果也不理想。

⑶目前比較理想的砧座隔振元件為彈簧阻尼隔振元件。但板簧和碟簧之間會產生干摩擦阻尼，如遇油和水后，阻尼會迅速下降，將會導致鍛錘設備共振或反彈。螺旋鋼彈簧隔振器+粘滯阻尼器的組合是相對來說較好的隔振元件，隔振效率達85％～90％。但也存在阻尼液的更換、泄露及鋼彈簧斷裂等現象，增加了維護頻率和成本。另外，對彈簧阻尼隔振器而言，除了通過彈簧傳遞到基礎上的沖擊力外，帶有阻尼液的阻尼器也增加了小部分力到基礎上。由于自由鍛錘的砧座和機身是分離的，彈簧阻尼隔振器如果安裝在砧座下，砧座和配重四周需留出維修空間，造成占地面積大。因此，彈簧阻尼隔振器不大適合自由鍛錘砧座隔振，比較適合模鍛錘（砧座和機身連在一起）的隔振，也適合于自由鍛錘的整機隔振。

⑷MRM減振系統是一種彈性體阻尼模塊隔振器，由美國一家公司于2000年研制出來，是鍛錘減振后期（彈簧阻尼隔振器之后）開發出來的，主要用于各種沖擊機器（如鍛錘和壓力機）的減振基礎。MRM系統的核心部件是模塊化回彈襯墊，每個模塊根據硬度和減振參數單獨模制。整個系統為組合式，模塊層和柱的數量根據不同要求進行配置。對于彈性體阻尼模塊隔振器而言，材料的滯后阻尼（熱滯阻尼）已經包含在彈性體阻尼模塊本身，使其變成彈性體阻尼模塊隔振系統動態剛度的一部分。MRM彈性體阻尼模塊由特殊高分子材料模制而成，具有結構簡單，防水和防油污，使用壽命長和極強的抗蠕變性，不需維護等特點。在滿足隔振效率大于75％的條件下，是較理想的鍛錘砧座隔振元件。

結束語

自由鍛錘的砧座隔振，由于占地面積小，投入成本少，隔振效率大于75％，在滿足隔振控制目標的情況下，應是隔振設計中的首選。在當前眾多的鍛錘砧座隔振方案中，在滿足必須的隔振效率前提下，除應考慮盡可能降低一次性投資成本外，最重要的因素是應考慮極大地減少隔振系統的日常運行維護成本和提高隔振系統的使用壽命。由于自由鍛錘的工作環境惡劣，工作時，產生油、水和大量氧化皮；而上述這些污染因素，對砧座下的隔振元件會產生較大影響，從而將極大地影響隔振系統的隔振效果，必須在隔振設計中引起足夠的重視。頻繁的隔振系統的運行維護和隔振系統使用壽命難以保證，不僅將無法實現設計中的隔振控制目標，也勢必將極大地影響設備的正常使用，給生產企業帶來經濟影響。

楊云，高級工程師，從事環保專業噪聲與振動控制的設計、科研、咨詢和工程承包近三十年。