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作者： 泉琳 来源： 发布时间：2016-9-14 15:41:24
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2011年6月11日，江苏无锡。
一个重达2900吨的“大家伙”在无锡透平叶片有限公司正式投产，它就是迄今为止全球最先进、最大规模的两台螺旋压力机之一——3.55万吨高能螺旋压力机。
作为国家级重点战略装备，它是专门生产大飞机和核电汽轮机的叶片、涡轮盘的高端装备。其安装投产不仅能满足核电特大叶片的生产需要，也为大型飞机高性能锻件的研发生产奠定了坚实的基础。
值得一提的是，这台巨型机器能够在与工件短暂的接触中以巨大的打击力成型金属产品，最大打击力可达3.55万吨。可是，巨大的打击力会产生强烈的振动，无论对于螺旋压力机本身还是对于周围环境，都会产生不利的影响。
如果采用传统基础，在这种软土地基上，每次打击的惯性力产生的土壤振动都会波及方圆数百米的相邻工厂，而且基础会因为强大的冲击力而需要经常维修。
就在业主为振动问题苦苦求解之时，隔而固（青岛）振动控制有限公司的研究团队带来了他们为“大家伙”量身定制的弹簧阻尼隔振系统和振动分析预测技术。
经过现场精密勘测以及严格的设计、安装、测试等过程之后，时隔一年，科研人员在无锡透平叶片有限公司现场展示了3.55万吨高能螺旋压力机锻造高温合金发动机涡轮盘、核电67英寸长叶片和TA15大型飞机隔框这三类产品的全过程，同时还对其振动进行了现场测试。结果显示，距机器中心20米处地面测得的最大振动速度单峰值为4.6mm/s，仅相当于一台2吨模锻锤常规基础的振动水平。
如此圆满的结果，让在场所有人都为之振奋。这套大型抗冲击隔振系统的应用不仅避免了对周围环境的干扰，还保证了这台“大国重器”的及时投产和免维护运行，对国家核电和航空工业的关键部件制造起到了关键的保障作用。
然而，这不过是振动控制技术在工业装备领域应用的冰山一角。
关系国民经济之命脉
工业可谓国之基础，装备制造乃国之重器。工业装备制造业不仅是国民经济的重要支柱，其技术水平和现代化程度也决定了国民经济的发展水平和现代化程度。因此，只有工业装备强大，国家才能真正强盛。
自建国以来，特别是改革开放之后，中国逐步建立起了门类齐全、具有相当规模和一定技术水平的装备制造业体系。不过，早期的工业装备基础比较简单，大部分配以大块式基础，不需要考虑基础的弹性，基础不会发生共振，只要具有足够大的质量就行，也无需考虑环保扰民等问题。
伴随着科学技术的不断进步，我国的工业现代化也得到快速发展，大型工业装备的结构变得越来越庞大，越来越复杂，工作时产生的激振力也越来越大，振动控制方面的需求日益增长。
在大型发电装备领域，过去40年里，我国火电机组单机容量从1970年的200MW发展到2000年的1000MW，蒸汽参数由亚临界发展到超临界，现在甚至到了超超临界；核电机组单机容量则由300MW发展到到1700MW。机组容量越来越大，轴系越来越长，振动控制要求也越来越高。
在大型锻压装备方面，虽然锻压生产总是需要压力或冲击力，但是以前的装备额定吨位低、冲击力小、设备尺寸小，工厂土地宽敞，周围没有人员和设备防干扰要求，没有振动控制方面的环保标准和要求，设备基础只要足够大、足够结实就行。
可是随着我国工业现代化进程的加快，锻压装备的额定吨位、冲击力、装备尺寸越来越大，而土地变得越来越珍贵，设备之间的距离和设备与厂界的间距越来越小，环保标准越来越与国际接轨，导致很多锻压装备如不采取振动控制措施，几乎就无法使用。
在大型精密加工机床方面，比如广泛应用于钢铁、冶金、造纸等行业的大型数控轧辊磨床，主要是用来磨削精密轧辊，用于轧制高精度薄板、薄膜和箔等高精度材料。随着工业发展的需要，这些大型轧辊磨床的磨削直径变得越来越大，长度也越来越长，其磨削精度目前已经发展到了1μm级，磨床长度达30米，工作时对环境振动控制的要求也日趋“苛刻”。
如果没有现代化的振动控制技术，周围汽车、吊车和叉车的一举一动都可能会在轧辊上留下记录，所磨出的轧辊和轧制出的产品就会像唱片一样，带着磨削时周围环境振动的波纹。
如果说工业装备制造业是国民经济的支柱，那么将大型装备振动控制技术看作是工业装备制造业的基础一点也不为过，毕竟它承载着关系整个国民经济的生命线装备、支柱产业装备和工作母机。其质量的高低不仅影响到数不胜数的行业，甚至还会影响到整个国民经济的运转和工业升级换代的实现。
自主创新 后来居上
然而，这样一项关系国民经济命脉的重要技术，在我国的起步并不早。
我国工业装备基础设计的理论体系主要源自前苏联。20世纪70年代，有限元分析技术开始传入国内，但是由于受到计算机技术的限制，其在实际工程设计中的应用较为罕见。仅有少数几个小型专用有限元软件在电力设计院内使用，而工程设计主要还是按照经典力学方法和经验公式进行简化计算与设计。
1996年，我国颁布了《动力机器基础设计规范》（GB50040-96），规范对常规动力设备基础设计的一般规定、构造要求和静、动力计算都有具体规定。然而关于动力计算，规范仅对扰力取值及振动控制限值作了规定，对影响设备运行的其它基础动力特性，特别是汽轮发电机组振动控制设计方面，几乎是一片空白。
这一时期，大型工业装备振动控制设计，如大型锻造装备，压力机，大型精密、超长等装备基础的工程设计主要为大块式常规基础设计，即仅从构造、强度、承载力方面考虑，无法进行基础的详细动力计算，更不用说采用振动控制系统。
其设计的主要目标在于保证装备的正常工作，还谈不上振动预测或振动控制，也顾及不到对周围的振动影响，最多是用隔振沟、沙垫层、隔振桩来隔一隔、挡一挡，作用十分有限。装备工作产生的振动波无法在短距离内衰减，振动仍然会传递到周围环境，影响人们的正常工作和生活，因为振动扰民而发生环保纠纷的事件层出不穷。
为此，设计人员又不得不让锻压装备与厂界“保持距离”，但是这又会造成工厂搬迁费用和土地资源的巨大浪费。而那些大型精密、超长装备的基础（如轧辊磨床基础）因无法考虑基础的动力特性，难以发挥其本来的精度，不仅影响使用，还往往会造成装备资源“大材小用”。
除了大型工业装备振动控制设计的落后，振动控制产品的研发也不尽如人意。
上世纪末，我国能够设计制造小型橡胶隔振器、弹簧隔振器或弹簧阻尼隔振器。但是，弹簧隔振器一般没有阻尼。虽然有的配有摩擦阻尼，有的利用橡胶提供阻尼，但阻尼比较小，大多在10%以下，很不稳定，而且一般只在竖直方向具有阻尼。
不仅如此，产品承载力大多在50 kN以下，往往只能用于小型回转设备和冲压设备，如风机、水泵、冲床、空压机等等，根本无法在大型工业装备上应用。
然而同期，国外大型装备基础振动控制技术的研究，特别是弹簧隔振基础由于发展较早，应用已比较成熟，例如工业领域中的锻造装备、精密超长装备隔振，轨道交通领域中的钢弹簧浮置板隔振等。
技术水平上的巨大“鸿沟”让中国振动控制领域的科研人员清醒地认识到，通过学习发达国家的先进技术固然可以缩小技术上的“落差”，不过这样的学习既需要付出成本，也并不一定能学到最新的技术，因为可能会“被人牵着鼻子走”。
技术依附是没有出路的。一个国家一旦在技术来源上主要依靠技术引进，就会在核心关键技术上受制于人。这就如同跛足的巨人，无法阔步前行。要实现技术追赶，填平技术水平上的巨大“鸿沟”，实现“弯道超车”，唯有依靠自主创新，掌握核心关键技术。
思深方益远，谋定而后动。进入新世纪，新一轮科技革命和产业变革正在加速推进，为中国振动控制技术创新的迎头赶超提供了历史机遇。
时至今日，在大型工业装备领域，我国已研制出一系列振动控制的关键技术和产品，创新出了一套适合中国国情的大型工业装备振动控制系统的施工工艺和方法，彻底改变了我国大型装备高端振动控制产品此前依赖进口、而且罕有应用的状况，填补了该领域的国内空白，打破了国外的技术封锁。
2014年，由中国机械工业集团和隔而固公司等单位完成的“工业工程振动控制关键技术研究与应用”项目获得了国家科技进步二等奖。国外同行也对中国振动控制领域的自主创新力表示认同。
德国著名振动学专家、柏林工业大学史迪勒教授曾指出，“大型冲击装备的振动预测和控制非常困难……这一项目建立的基于实测参数修正模型的预测方法提供了一种新的很有效的冲击设备环境振动预测方法。”
国际原子能机构国际地震安全中心委员、俄罗斯动力机器专家科斯塔勒夫则表示：“项目取得的这些成就让我感到非常钦佩”。
短短十余年，我国大型装备振动控制技术就从研究示范发展到大规模普及应用，在航空航天、国防军工、核电站、高端装备制造等领域都能看到它的“身影”，有力地保障了我国大飞机、核电站等重大项目的建设和投产，促进了我国工业装备的现代化发展。
以应用规模、技术创新能力、核心技术掌握等方面来衡量，我国大型振动控制技术和应用水平已经达到国际领先水平，弥补并超越了曾经落后40年的巨大差距。
也许，自主创新的道路并不平坦，但是“自主创新之路不能不走”的信念却不容动摇。
填补空白 奏响行业最强音
在大型工业装备领域中，大型回转装备（如大型汽轮发电机组）的基础振动控制一直处于振动控制的“金字塔”顶端，代表着一个国家工业装备振动控制领域的最高水平。
随着我国经济建设的快速发展，我国汽轮发电机组单机容量由30万千瓦发展到100万千瓦，百万千瓦级汽轮发电机组长达50米以上、自重可达3000多吨，加上基础台板总重最高可达8000多吨。这样的庞然大物，其汽机基础最大振动容许值却仅为0.02mm或2.8mm/s，这对汽机基础的设计提出了新的技术挑战，汽轮机组基础的振动控制成为了通往“金字塔”顶端的关键技术。
迎难而上，砥砺前行。中国振动控制领域的科研人员不惧挑战，敢啃“硬骨头”，敢于“涉险滩”。
传统汽轮发电机组基础是由汽机台板、立柱、中间平台和底板组成，属于空间框架，振动模态丰富，不易避开共振频率，立柱和中间平台的振动往往会影响汽机台板的振动。
针对这一实际情况，科研人员另辟蹊径，在立柱与台板底面之间设置了大型弹簧阻尼隔振器，使振动得到隔离，立柱及以下可按照静力基础考虑，而台板则与立柱以下动力学解耦，模态得到简化，容易避开工作转速附近的共振模态，问题便迎刃而解。
岭澳二期核电站便是第一个“吃螃蟹”的核电项目。这是我国第一个采用半速汽轮发电机组的核电站。从岭澳二期核电站开始，在我国建设的所有百万千瓦以上大容量的核电站都采用了半速汽轮发电机组。
2005年，我国准备在广东岭澳建设两台1000MW核电半速机组，汽轮发电机组引进的是法国的Alstom Arabelle机型。尽管Alstom Arabelle核电半速机组在欧洲的核电站已经运行多年，但在国内，当时所有的电力设计院都没有接触过半速机组，更不用说设计半速机组的基础。
不仅如此，半速机组基础的固有频率易与机组的额定转速产生共振。对于研究团队而言，这无疑是巨大的挑战。研究团队经过大量的工程调研和理论分析以及多次专家论证，最终选择了弹簧隔振基础。
当机组运行后，技术人员对岭澳二期机组弹簧隔振基础进行了五个阶段的振动实测：顶台板振动速度仅为1.17mm/s，远低于国际标准2.8mm/s优区（Ａ区）的上限。
岭澳二期工程的大获全胜，使汽轮发电机组弹簧隔振基础在4×1000MW红沿河核电站，2×1160MW田湾核电站3、4号机组等一系列后续的工程中得以广泛应用。目前，我国新建的38台核电机组中，已有28台机组采用弹簧隔振基础，已运行的机组基础振动水平均处于优区（Ａ区）。
在丰硕成果的面前，研究团队并未就此放慢脚步，开拓与创新仍在继续。
在装备制造业领域，国内无法生产一些大型装备的零部件，在一定程度上是受到各种大型冲击设备技术水平的局限，尤其是各种大型锻压设备。之前提到的3.55万吨高能螺旋压力机，或许已让你印象深刻。
这类设备在工作时会产生强烈的冲击振动和噪声，不仅会影响设备本身、提高故障率，而且对周围环境及人员也会带来不利的影响。汽车制造厂的车身冲压线亦不例外。
车身冲压，换句话说就是用压力机将钢板冲压成车身形状，这时会产生很大的冲击和压力，导致周围百米范围内都会产生振动。
一汽解放汽车有限公司（简称“一汽”）车身厂里就有这样的车身冲压线。其中最大的一条是额定压力为2050吨的俄制压力机，冲压工作时产生的冲击振动很大，附近的测量设备（三坐标测量机等）根本无法正常工作。
更严重的是，车间三楼办公室办公桌上的水杯在振动的作用下居然可以自动滑落到地面。压力机水平振动的主频与三楼楼板固有频率产生的共振，已经严重影响到办公人员的日常工作。
这条压机生产线的振动问题困扰着这个汽车行业“老大”达数十年。
面对这一“拦路虎”，尹学军团队大胆提出将冲压线整体隔振改造的设想。这意味着要将总重上千吨的6台压力机由原来的刚性基础原地置换到弹簧基础上。这在国内从未有过，国外也仅有类似报道，没有资料借鉴。
然而科研人员们敢想敢干。他们设计了专用的钢梁基础和钢弹簧阻尼隔振器，并制定了详细的隔振改造工艺，包括钢梁基础切割加腿、顶升、放置弹簧隔振器、调平、高压油管柔性改造、恢复导轨等。
短短10天，全球范围内首条压机整线的振动改造工作完成。压机线重新开动后，原来地动山摇似的振动不见了，压力机平稳地工作，地面振动速度仅有1.57mm/s，邻近办公楼里面也感觉不出冲压线是否工作，这竟让习惯了振动感觉的“一汽”集团领导略感“不适应”。
如今，几乎中国所有新上的汽车生产线都采用了这项隔振技术。
当然，振动控制技术在大型工业装备领域的“大显身手”绝不止于此。在三峡水电站等多个水电站水轮机组平台隔振上的应用，保证了水电站的安全运行；在太阳宫燃气电厂等十几个城市燃气电厂的机力冷却大型风机隔振上的应用，解决了“城市电厂”墙体固体声超标的难题；大型高频动力吸振器的研制则成功解决了像秦山核电站中间平台这一类的振动难题，拓宽了国内外大型高频TMD的应用极限。
逐个击破 为设备“消声”
在交通噪声之外，大型工业设施的机器设备所带来的噪声同样是人们无法摆脱的噩梦。
设备在工作时由于回转运动或冲击，会产生振动和噪声。其中，通过空气直接传播的噪声被称为一次噪声；振动通过设备基础—地基—土壤向周围传播，形成地面环境振动，从而引发建筑物楼板和墙壁振动所发出的结构噪声是二次噪声。
为了控制这些振动和噪声污染，人们可谓使出了浑身解数：垫枕木、橡胶垫，挖防震沟……但一直收效甚微。
随着现代化噪声控制措施的诞生，一些常用且切实可行的降噪措施陆续得到认可并广泛应用。其中最具代表性的当属弹性隔振基础和隔声设备。
北京太阳宫燃气发电厂作为奥运配套工程之一，是一座先进的热冷电联供的高效节能环保电厂。由于电厂位于北京四环以内，因此按照北京市环保部门的要求，全部法定厂界噪声必须达到《工业企业厂界噪声标准》I类标准。
为此，在设计之初，工程师特地采用了当前较为先进的低噪声节水型冷却塔，在塔的进出口采用消声降噪装置，并在冷却塔外建设了带有建筑外观的、厚度为200mm的混凝土隔声墙。可事与愿违的是，工程实施过程中发现，隔声墙外噪声值依然超标。
为了找出隔声墙外噪声超标和风机平台处噪声振动突出的原因并彻底解决问题，工程师们对冷却塔风机平台的部位进行了振动测试。
几经辗转，噪声来源终于被发现：原来，风机平台附近的隔声墙在风机减速器的激励下出现了主频为298Hz的强迫振动，与墙体辐射噪声峰值中心频率315Hz较好吻合，出现明显的固体传声现象。
无论是什么原因引发的振动，机械振动的源头都来自电机和减速机，解决隔声墙振动的最有效方法就是对电机和减速机采取隔振和阻尼减振措施，将振动的传递彻底切断。
对此，研究团队开始对噪声源逐个击破：一方面在电机底座下垫弹性元件并锁紧，隔离50Hz的倍频和298Hz的高频振动；另一方面，采用隔振器为减速机隔振，并装备带有延长臂的钢框架，以尽量减少减速机在电机扭矩作用下的扭转角。噪声问题终于迎刃而解。
除了弹性隔振系统，隔声棚、隔声罩、隔声屏以及隔声门窗等“武器”也频频亮相于大型工业设施中。
沙洲电厂一期工程两台600MW燃煤发电机组于2006年投产运行，并已通过环保验收。但随着发电机组及其附属设备运行时间的加长，产生的噪声对东厂界及厂界外少数住宅产生了影响。为控制噪声污染、改善环境、实行必要的环境保护，电厂决定对影响厂界及厂界外住宅的噪声源设备或场所进行必要的噪声治理。
发电机组锅炉风机和磨煤机作为火力发电厂主要的噪声源之一，具有噪声级高、辐射面大、噪声随距离衰减慢、噪声治理难度高、噪声治理工程量大的特点。考虑到这些层面，减振工程师们决定首先对锅炉风机噪声进行治理。
通过采用隔声棚、隔声罩等噪声治理措施，技术人员成功使隔声棚外1米处的平均噪声级降低至80dB以下，4台风机的噪声对东厂界处的影响可基本满足《工业企业厂界噪声标准》的Ⅲ类区规定。
攻坚克难 永无止境
在自主创新的道路上，机遇和挑战总是并存的。每当遇到传统技术无法解决的问题时，就是自主创新、挑战自我的好时机。
然而，机遇总是垂青有准备的人，只有见微知著，未雨绸缪，才能在激烈竞争中脱颖而出。十几年来，中国“振控人”的努力与坚持推动了我国工业装备领域振控技术的迅速崛起。如今，我国自主研制的各类工业装备振控技术和产品已经逐渐应用到全国各省市和各行业，成为发电、汽车、精密设备等行业不可或缺的支撑技术。无论是西电东送，还是南水北调，在诸多国家重大项目中都能看到振控技术“活跃的身影”。
面对今天的成绩，中国“振控人”并不自满，而是将更多的精力投入到新产品和新技术的研发上。因为他们深深懂得，只有敢于创新，才能赢得主动。
当前，结合国内外发展大势，国家提出了《中国制造2025》，又一次为中国隔振技术的未来发展指明了新的前进方向。
“随着新设备的不断出现，工业装备朝着大型化、智能化方向的发展，对于装备的工业环境也提出了全新的要求。在这种情况下，我们必须要不断研发新的技术才能满足新的市场要求。”隔而固（青岛）振动控制有限公司多年从事工业装备隔振技术研发工作的副总经理王伟强告诉《科学新闻》。
还有一些研究人员从振控技术的通用性角度考虑，认为目前很多针对不同大型工业设备的隔振技术和产品都是量身定制的，不具备通用性。以后的研究应围绕探索各种类型振控技术的通用性展开。
创新永无止境。回首中国工业装备领域振控技术的崛起之路，正是一条矢志不渝的自主创新之路。而如今，这种自主创新精神已流淌在以科技服务社会、心怀百姓福祉的中国“振控人”的血脉之中，并化为坚不可摧的前进动力，激励着他们迎浪前行。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年7月刊 领域优势)
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