[发明专利]一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法

权利要求书

1.一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，其特征在于：该方法工作流程如下，

（1）确定隔振沟长度

隔振沟长度一定要满足圆心角（90°-180°）的要求，并且根据施工及经济因素条件采取直线隔振沟；

（2）隔振沟深度的设计调整

在沟宽、隔振沟位置固定不变及其他设计参数相同的情况下，进行不同隔振空沟深度（1m-20m）的隔振效果对比，并要综合考虑被保护对象的振动要求及施工要求，选择合适沟深；

（3）隔振沟宽度的设计调整

固定隔振沟深度不变，沟位置不变及其它设计参数相同的隔振空沟，沟宽度取为不同数值（1000mm-2000mm之间）；通过不同宽度的隔振空沟隔振效果对比，并综合考虑工程施工和经济因素等各方面要求，确定合适的隔振沟宽度；

(4)隔振沟位置的设计与调整

固定隔振沟的长度、宽度、深度、隔振材料及其他设计参数，通过改变隔振沟离需要隔振的重型数控机床地基基础的距离（0-3000mm），分析隔振沟的位置变化时其隔振效果，并结合工程实际确定隔振沟的合理位置；

（5）隔振沟内填充材料的设计与调整

隔振沟的长度、深度、宽度、隔振沟距离被保护对象距离固定不变，及其他设计参数相同，隔振沟分别采取空沟、填充沟，填充沟又分为柔性材料、刚性材料，柔性材料与刚性材料同时使用，这种情况又分为以下两种：A沿隔振沟宽度方向等分成三层，柔性材料填充在中间一层，两侧填充刚性材料；B沿隔振沟宽度方向等分为三层，中间填充刚性材料，两侧填充柔性材料；C沿隔振沟宽度方向等分成三层，中间一层不填充（相当于填充材料为空气），两侧填充刚性材料；分别对这几种情况进行隔振效果对比，确定每种情况的隔振效果及特点，然后根据工程要求确定采用哪种隔振材料；

在以上设计与调整过程中，首先进行三维模型构建，以单侧振源为激振点，振源产生的波经过传播，到达隔振沟，经过隔振沟隔振后，传播到重型数控机床的地基基础；通过有限元分析软件对三维模型中振动的传播进行仿真分析，以隔振沟隔振后传播到重型数控机床地基基础的竖向振动幅值为分析对象，并且分别对隔振沟的长度、宽度、深度、位置、隔振沟内不同填充材料及填充材料的厚度进行调整，从而使隔振沟达到最好的隔振效果，使振动对重型数控机床造成的影响减到最小，使数控机床加工精度得到提高，满足重型数控机床的加工精度要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，其特征在于：振源为单侧振源，振动方式为简谐振动或者冲击振动，以传递到重型数控机床地基基础上表面的垂直方向的振幅为研究目标，建立包括振源、大地、隔振沟、机床基础的三维模型，以ansys有限元分析软件为工具，进行以下工作；

（1）确定隔振沟长度

首先根据振源的距离确定隔振沟的长度L；对于圆心角小于360°的隔振沟，它所屏蔽的区域是以振源和振源到沟中点连线为45°对称的径向直线相交于隔振沟所包围的面积，对圆心角小于90°的隔振沟是无效的，根据这一原理，如图4所示，使θ₁+θ₂=90°，并且采取直线型隔振沟；

（2）隔振沟深度的设计调整

屏障隔振的实质是非匀质弹性半空间波的传播问题，即弹性波与土介质中屏障的相互作用问题；对于远场被动隔振，瑞利波能量占总能量的67%，横波占25.8%，纵波占6.9%，瑞利波比纵波和横波衰减要慢得多，所以远场振动是瑞利波为主；根据波动理论得瑞利波的位移场：

u=A[2cs2cR2exp(-k2-kp2z)+(1-2cs2cR2)exp(-k2-ks2z)]sin(kx-ωt)=f1(z)sin(kx-ωt)]]>

ω=DA[(1-2cs2cR2)exp(-k2-kp2z)+2cs2cR2exp(-k2-ks2z)]cos(kx-ωt)=f2(z)cos(kx-ωt)]]>

式中是常数，等于地面上竖向位移和水平位移分量振幅比，A是待定常数，可得u2f12(z)+ω2f22(z)=1,]]>

u为水平x方向位移，w为垂直向下z方向位移，C_P、C_S、C_R分别为纵波、横波、瑞利波的传播速度，k=ω/C_R，f(z)为波传播的深度函数

上述表明瑞利波是一种椭圆极化波，波的振幅沿深度按指数规律衰减，质点的位移分量从表面向下大约一个波长深度就基本消失了；

通过上述理论，先假定隔振沟沟宽为1000mm、隔振沟与振源的距离r₁固定不变，隔振沟与重型数控机床地基基础的距离r₂及其他设计参数相同的情况下，进行不同空沟深度的隔振效果对比，隔振沟深度可分别取为1m、4m、7m、10m、15m、20m，通过调整深度并分别进行隔振沟不同深度的隔振效果对比，然后根据重型数控机床的振动级要求，选择满足重型机床隔振要求的隔振沟深度；

（3）隔振沟宽度的设计调整

根据以上（2）中所述原理及波的传播理论，可知瑞利波在水平方向上传播衰减较慢，由于瑞利波波长比较长，隔振沟宽度不能达到一个瑞利波长，所以采取如下方式：

在隔振沟的长度确定后，假定隔振沟深度取10米或者其他某一深度（0-20米），隔振沟离振源的距离r₁固定不变，隔振沟离重型数控机床地基基础的距离r₂不变及其它设计参数相同的情况下，沟宽度取为不同数值（1000mm-2000mm之间）；通过调整宽度并对空沟隔振效果对比，然后选择满足重型机床隔振要求的隔振沟宽度；

(4)隔振沟位置的设计与调整

一般认为被保护对象距离隔振沟越近，隔振效果越好，但是土体内具有一定刚度的屏障，有可能被弹性波激发而产生强烈振动，所以应避免这一现象；根据以上设计分析，固定隔振沟的长度、宽度、深度及其他设计参数，通过调整隔振沟到重型数控机床地基基础的距离r₂（0-3000mm），来分析空沟的位置变化时其隔振效果，进而确定隔振沟的位置；

（5）隔振沟内填充材料的设计与调整

阻抗是衡量隔振效果的一个重要因素，用公式表示为:α=(ρ₂V₂)/(ρ₁V₁)

ρ₁V₁：第一种介质的阻抗，ρ₂V₂：第二种介质的阻抗

α值越大或越小均可获得较好的隔振效果，在其它影响因素不参与情况下，α的值相对于1较大或较小的的介质隔振效果都不错；

基于这一理论，并根据前面的设计分析，隔振沟的长度、深度、宽度、隔振沟离重型数控机床地基基础的距离固定不变，及其他设计参数相同，隔振沟分别采取空沟、填充沟，填充沟又分为柔性材料、刚性材料，柔性材料与刚性材料同时使用，这种情况又分为以下两种：A沿隔振沟宽度方向等分成三层，柔性材料填充在中间一层，两侧填充刚性材料；B沿隔振沟宽度方向等分为三层，中间填充刚性材料，两侧填充柔性材料；C沿隔振沟宽度方向等分成三层，中间一层不填充，两侧填充刚性材料；分别对这几种情况进行隔振效果对比，得出每种情况的隔振效果及特点，最终确定选用的隔振材料；

在振源固定不变时，隔振沟的长度必须满足（1）中所述，采用空沟时隔振沟的深度、宽度、位置、及采用不同隔振材料时隔振沟的长度、宽度、位置的确定，其设计分析调整的先后顺序可以变化，即如上所述中，第（2）-（5）可以调整先后顺序，比如先对宽度进行分析调整，再对深度分析调整，然后进行隔振材料的分析，最后进行位置的分析调整，从而得出满足重型数控机床隔振要求的隔振沟的各个参数；本实施方式为其中一种设计调整的顺序；在隔振沟长度、深度、宽度、位置、隔振材料这些设计参数整体确定后，每个设计参数还可以进行微调，最终确定满足隔振要求的合理的参数；

本设计调整的方法比较灵活，通过对隔振沟长度、深度、宽度、位置、隔振材料这些参数的设计与调整，可以使隔振沟达到较好的隔振效果，满足重型数控机床的隔振设计要求。