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防微振设计(杂谈)----建筑环境控制学的重要分支

2014/07/24


           前言:最近又遇到了防微振的工程,我在这方面的研究和积累工作(也叫“瞎琢磨”)已经荒废了一段时间了,这次结合工程又重新开始琢磨,把之前工程中积累的以及最近向同行学习的、查阅文献的、请教专家的知识经验汇总并整理出了这篇稿子,希望能成为一块抛出的“砖”,对跟我一样的初学者有些启发作用,也希望能引出高手们的“玉”。其实各种类型的工业工程设计都遵循着一个规律,先确定“约束值”,再“概念设计”,然后“数值验算”,最终仪器“检测”。原因就是工程建设和机械加工不一样,机械加工的材料基本相同,精度可保证到毫米甚至微米,但土、石、木、钢筋组成的建筑物(构筑物)的精度只能保证在厘米级,而且材料是各向异性的,没人敢说能找一个相对准的理论计算模型,都是理论计算+构造+试验验证才敢应用的!
    正文:现代工业技术的快速发展,使得超微细加工、装配和测试以及相配套的计量检测,对诸如空气洁净、防微振、防电磁干扰、低噪声以及对超纯水、超纯气体等等的严格要求,使由此产生的建筑环境控制学(高校教材中对建筑室内环境的控制概念仅限于温度、湿度、气流、辐射,属于狭义上的建筑环境控制概念,具体详见)得到了迅速发展。振动环境的控制主要分为两类,即控制设备振动对外部环境的影响(如振动台)和控制外部环境振动对仪器设备的扰动(也叫控制外部环境的微振动污染,即防微振)。防微振是这一学科的一个重要分支。防微振的重要性体现在各行各业:例如感光化学工业的涂布工序,高精度惯导产品的调试和检测工序,微电子工业硅片加工的光刻工序,其他如精密机械加工、光学器件检测、激光实验、超薄金属轧制、计量检测以及理化实验等等,都需要对微振动进行控制。
     我国对防微振的研究及工程实践始于20世纪60年代初期,经历了几代人的努力,不仅建立和完善了防微振理论,开发了防微振用系列化隔振产品,还进行了大量的工程实践,成功地解决了彩色胶片涂布、惯导系统测试、集成电路光刻工序、空间光学系统检测、激光实验、超薄金属轧制、文物保护等方面的防微振问题,为我国现代科技的发展作出了贡献。
想处理好防微振问题,需要有一整套、全面的解决方案,本人结合多方面的资源、信息以及自身的经验、认识,汇总、整理、总结了一套常见防微振设计的流程,供各位参考。
    一、精密设备(包括精密仪器、仪表)微振动控制值的确定
    二、建设地点选择以及场地环境振动测试
    三、工艺平面布置
    四、建筑结构及公用设备专业对精密设备的防微振设计以及对公用设备的隔振设计
    五、厂房、试验室土建工程完工后室内环境振动测试
    六、厂房、试验室公用设备安装完成后室内环境振动测试
    七、厂房、试验室最终室内环境振动测试
    一、精密设备(包括精密仪器、仪表)微振动控制值的确定
    精密设备是防微振的直接目标。当作用于精密设备的微振动超过一定限度时,它就无法正常工作,这一界限,就是其微振动的控制值,或称为容许振动值。
精密设备受振动影响无法正常工作与其本身的结构动力特性有密切关系,它包括结构各阶固有振动频率及阻尼值,当外界某种频率的干扰振动与结构某阶固有振动频率相近(或一致)产生共振时,由于过大的位移(此时结构的阻尼值对位移大小起重要作用)使之难以正常工作,这是精密设备受振的主要机理,或者由于周期性冲击引起结构连续的自振也可能危及正常工作。至于物理量,根据过去的经验对于大多数精密设备,用振动速度作为振动控制值的恒量指标是合适的。而有一些精密设备,也有用振动加速度为恒量指标的,例如某些惯导产品。精密设备微振动控制值应通过试验确定,这是最科学的方法。这种试验的要点是:采用激振法获得精密设备的动力特性,再在不同频率激振力的作用下,采集设备正常工作的振动物理量,采用统计分析的方法确定控制值。在条件不具备时,也可根据经验确定。另外,设备供应商也有可能提供数据。合理的确定控制值,即易于实现,又经济合理,是决定工程成败的首要前提。
    二、建设地点选择以及场地环境振动测试
    当精密设备微振动控制值确定之后,场地选择就是当务之急。有防微振要求的精密厂房和实验室应远离外界振动干扰或在整个建设基地受外界影响最小的区域,,并根据场地微振动测试和自然条件全面论证后确定最合适的位置,当然,也可在后序环节通过设置大质量基础等技术措施,为仪器的安装场所营造一个有利的环境,为后续的隔振处理奠定良好的基础条件。拟建场地应避开地震活动频繁地区、断层地带、飞机航道、铁路干线、交通要道、轨道交通、大河流沿岸及湖泊区、城市工业区及人口密集区、矿区以及有较大设备振动源的区域,对于惯导实验室,拟建场还应避开沿海地区、雷雨及龙卷风区及森林区。微振动控制值相对要求较高的工程在场地选择时,需进行微振动测试,并应采用先进的微振动测量仪器,此类测量仪器应具有良好的频响、高灵敏度及信噪比。在工程建设中应坚持采用实地测试、分析比较的方法选择理想的场地,切忌未经测试分析由行政部门主观指定场地的做法
    三、工艺平面布置
    工艺设计师在设计工艺平面布局时应首先进行区域划分,对振动敏感的精密设备仪器以及建筑物内外产生振动的设备(振源,如空调机、空压机、制冷机、通风机、泵、冷却塔以及这些设备的管道等)都尽量布置在建筑物底层(或地下室),且必须分类集中、分区布置,以减少投资。产生振源及需要防微振的区域间距尽量大一些,尽可能减少干扰。区域间原则上应通过设置结构缝予以区分。
    四、建筑结构及公用设备专业对精密设备的防微振设计以及对公用设备的隔振设计
    建筑结构专业需要考虑增大主体结构的地基基础刚度(地下室需考虑采用桩+筏板基础形式以及适当加厚筏板的方案)、振源设备及管道的主动隔振(集中布置在用结构缝与对振动敏感的精密设备仪器区域隔开的一侧区域中,并对振源设备及管道采取主动隔振措施)、防微振设备仪器的被动隔振(设计时尽可能确定规格型号,让厂商提供微振动控制值,否则就需要调研、同比、分析、论证,)等方案以满足控制要求。
   :防微振设备仪器的被动隔振大致采用以下几种方法:(1)扩大基础,把基础设计为一个大质量块,这是最简便易行的防微振手段,其作用一方面是提供足够的惯性力,以消耗振动能量,另一方面是保证设备底座具有足够刚度,以避免共振的发生;(2)采用桩基础,以提高防微振设备仪器基础的竖向抗压刚度;(3)采用合理的隔振方式(无源隔振系统(无源隔振系统是精密设备使用最广泛、最有效的隔振措施,安装于精密设备与支承结构之间,例如空气弹簧隔振装置)及有源振动控制系统(安装于精密设备仪器上的传感器接收振动信号后.经有源控制器将信号处理并反馈至控制阀,控制阀动作并输出信号或介质至执行机构,由执行机构对精密设备施加反向作用力产生反向振动来减弱原有振动的影响));(4)设置防振沟。方法(1)对于低转速设备比较有效,而方法(4)只对高频振动有效,对于低频振动,因低频波长一般在十几至几十米,由于波的衍射作用,隔振效果甚微,故很少采用。
    下图是多台防微振仪器的隔振基础设计范例,采取了双层隔振台座的方案。下层的隔振台座为公用隔振台座,采用下部支承的方法支承在大底板上;上层是每台检测仪的单独隔振台座,都采用上支承的方法用隔振元件支承在下层隔振台座上。下层隔振台座上设计了多台检测仪隔振台座的安装坑洞,上层隔振台座设计为T字形,用隔振元件支承在下层隔振台座的坑洞四周边沿上,相邻的上层隔振台座之间留有50 mm的间隙。为了较好地控制隔振台座的自身振动,上层及下层隔振台座内都设置了一定比例的铸铁配重块。
    对于单台精密设备仪器的防微振处理,首先应选择合理的结构形式。上部结构应采取现浇钢筋混凝土结构,对于基础形式若有地下室时,采用厚筏板,必要时筏板下可布桩;无地下室时,尽可能在防微振设备基础下布桩。以上基础形式主要依靠大质量来减轻外界对建筑物振动的影响,为精密设备仪器防微振的设计创造良好条件。
    公用设备专业在振源设备选型时尽量选用平衡好、惯性力小的动力设备,安装时应采取隔振措施,有振动的管道应安装隔振吊架及隔振支承。
    当然,精密设备仪器的防微振设计方法多样,设计时要结合具体要求选择最合适的方案,并不是花费越多越合理,要结合具体情况分别计算,经综合比较后确定。此外,不同的精密设备仪器对外界振动的敏感程度具有一定差异,在设计时一定要注意隔振台台面的容许振动值和仪器自身容许振动值之间不是对等的关系。
    最后,关于微振动的验算已经纳入即将颁布的《电子工业防微振工程技术规范》(送审稿)中,但考虑到微振动是物体的微观运动,量值微小,可变因素多,难以用理论公式来描述不同场地、不同环境的微振动,因此,特别强调依靠在工程各阶段的振动实测取得的最真实的数据,据此进行各阶段的防微振设计。即概念设计、现场测试及工程实践还是相当重要的,应给予足够重视
    五、厂房、试验室土建工程完工后室内环境振动测试以及公用设备安装完成后室内环境振动测试
    防微振工程设计是分阶段进行的,只有分阶段进行,才能使工程具有成功的最大可能性。
    六、厂房、试验室最终室内环境振动测试
    这是检验防微振工程成败的最终标准,多说无益。
    结束语:工业工程设计复杂性在于,他与民用工程设计不同,不成熟的地方太多,不管是理论、技术还是标准,最重要的在于现代工业技术还是不断向前演进的,即使今时今刻工业工程设计技术跟得上工业技术的步伐,但还是不能停步,否则只能被淘汰,所以工业工程设计人员(主要是工艺设计师)不止需要有一个工匠(工程师)的素养,还需要有一个研究型学者的素养。工业建筑设计院想要不被淘汰,除了完成工程项目设计之外,还需要与高校、第三方试验室以及检测机构联合建立工业工程技术研究应用中心,通过高校的理论支持和人才支持,第三方试验室以及检测机构设备仪器、试验条件的支持开展工程技术研究以及人才培养,否则就会出现技术跟不上、人才跟不上的被动局面。说多了,有些话只有酒后才敢说,主要是这时候脸皮厚,不怕被人拍砖,搞技术出身的都想把事情做的完美了才抛出来,这是方向,但永远达不到。本人的本事是磨练的脸皮变厚了,别人不敢说的我敢说,别人不敢抛的我愿意抛,希望能引起各位同行的共鸣。我的理想是成为这个行业的学者和老师,为这个行业做些研究工作和人才培养工作。本篇论证中特别感谢彭检波、钟伟同志,他们的精神鼓励了我,谢谢!
    最后说一句,下一、两篇的主题是工厂三维设计以及工业工程设计的行业前景分析,如果各位还有什么需要本人抛砖引玉的,可以将想法发送至lenomail@sina.com。
    注:新入行同志看本篇前请将“工业工程咨询”这个公众号的前三篇学习一下。
引用论文、书籍:《现代科技发展中的防微振技术》、《计量精密仪器的防微振设计》、《噪声与振动控制工程手册》。

   作者 梁玮