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[振动利用] 轨道交通振动对精密仪器的影响

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发表于 2019-7-16 11:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  环境振动会影响精密仪器、设备的正常工作,引起读数不准,甚至造成设备事故等。对于某些灵敏度极高的设备,如电子显微镜,50dB以下的振动就可能造成影响。图1是150000倍率的电子显微镜在振动环境下影像受到影响的频率和振幅范围。目前,轨道交通振动对精密仪器设备的影响已成为一个世界性难题。精密仪器,尤其是某些纳米级超精密电镜对环境的温度、湿度、振动、磁场要求极高,任何微小的振动将有可能导致成像的模糊。图2为精密仪器在无振动和有振动环境下的成像比较。
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  图1 振动影响的频率范围

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  图2 在几乎无振动(左)和振动干扰(右)情况下仪器成像情况

  总的来说,振动对精密仪器和设备的影响主要有以下几个方面:

  1. 振动对精密仪器的影响

    · 影响仪器仪表的正常运行,振动过大时会使仪器仪表受到损害和破坏。

    · 影响对仪器仪表的刻度阅读的准确性和阅读速度,甚至根本无法读数。

    · 对某些精密和灵敏的电器,如灵敏继电器,振动能使其自保持触头断开,从而引起主电路断路等连锁反应,造成机器停转等重大事故。

  2. 振动对精密机电设备的影响

    · 振动会影响精密设备的正常运行,使机械设备本身疲劳和磨损,降低机械设备的使用寿命,甚至使机械设备中的构件发生刚度和强度破坏、某些零件产生变形或断裂,从而造成重大设备事故和人身事故。

    · 对精密机械加工机床,振动会使工件的加工面粗糙度和精度下降,并且还会降低刀具的使用寿命。

  国外案例概况
  在国外,尽管有关精密仪器振动标准及被动隔振的研究开展得较早,但专门针对交通振动对精密仪器影响的案例很少。比较著名的一个例子是,西雅图海湾运输局轻轨线 (LRT) 穿越华盛顿大学既有物理天文楼和规划的生命科学楼等一系列科研建筑的潜在微振动影响问题。

  该轻轨线采用盾构隧道通过的型式,盾构线间距27.4m,线路距离华盛顿大学既有的物理及天文楼和规划的生命科学III号楼分别为128.0m和27.4m。其中在物理及天文楼西侧路段规划修建Pacific大街站,车站采用双圆大盾构,盾构外径约11.3m,埋深53.3m;规划生命科学III楼西侧为常规盾构区间隧道,盾构外径6.4m,埋深45.7m(图3)。

  物理及天文实验楼内的精密仪器主要对6.3Hz内低频有较高要求。为了预测线路通车后的振动影响,研究人员基于对既有波特兰轻轨的现场测试类比分析,预计西雅图轻轨振动不会对物理天文楼内仪器产生影响。通过对物理与天文楼实验室内进行连续振动检测,观察到当室外交通和活动最小时,环境振动在0.1-1.5Hz范围内约为1.34μm,而通过有限差分软件计算预测的最不利轻轨影响为0.048~1.32μm,小于现况最小环境振动水平。同时,还有限差分计算的生命科学III楼轻轨振动预测影响为1.58~7.26μm,大于环境振动;并分析得到在距离隧道中心线152m以外的振动位移会小于现况背景环境振动。
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  图3 区间盾构与车站盾构断面及埋深示意图

  由于华盛顿大学要求:由列车引起的振动要小于等于现行的环境振动水平,并且只接受振源减振。如图4所示,规划线路已经调整远离了物理天文楼和生命科学楼,并设计采用如下减振措施:

    · 车速从30~55km/h降为30km/h;

    · 采用配备普通直接固定式扣件的双带状支承浮置板轨道,自振频率设计为12~16Hz,扣件刚度14kN/mm;

    · 在华盛顿大学车站南侧双向交叉处施作可移动的点辙叉。通过采用经验预测法:不采取减振措施时,校园内15处敏感建筑振动超标;采用减振措施后,超标的实验楼由15处降为5处(图4中紫色标注,编号为5、9、16、19、20,与新规划线路位置关系见表1)。在其余初步满足振动要求的建筑中,距离线路最近的1号楼新电子工程楼,水平距离为103m、隧道埋深37.8m。从这组数据可以看出,要单纯通过振源减振来满足高精密仪器的振动要求,对隧道埋深和水平距离都提出了极高的要求。在密集的大城市中,如果仅从调整振源与敏感目标位置关系和振源减振两方面来降低敏感度,则有可能对线路位置做出大的调整,从而失去吸引客流的意义。因而解决地铁振动与精密仪器的矛盾,有时是需要采取多种减隔振措施的,这也是研究难点所在。
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  图4 新规划线(紫色)与原规划线(黑色)比较

  表1 振动超标建筑与规划线路位置关系
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  图5是美国另一个案例:图中紫色轻轨线路规划从马里兰大学中穿越,校园中部分建筑内安置有对振动要求极高的NIST-A级精密仪器,图中红色斜线所示区域为预测得到的以该级别仪器为研究对象会受到振动影响的区域。目前,针对这一案例的解决方案仍在研究与协商中。
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  图5 轻轨穿越美国马里兰大学振动对精密仪器影响

  2008年,为评价都柏林北线地铁 (Dublin metro north) 未来通车后振动对沿线若干带有精密仪器的医院的影响,咨询单位对沿线Mater私人医院、Mater成人医院、Rotunda医院室内进行了现况环境振动测试(图6)。其中,Mater私人医院提出医院绝大部分精密仪器的振动要求限值近似为VC曲线中的VC-C级。相关预测分析和减隔振措施还在进一步研究中。
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  左:电子显微镜;右:安装有Integra800天平的生物化学实验室
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  左:Thinprep显像系统;右:MRI仪器附近的混凝土底板
  图6 为研究都柏林地铁北线而展开的既有环境振动测试

  国内案例概况
  1999年初,台湾高铁开工动土,但由于高铁引起的振动会对台南科技园区内众多厂商的精密仪器造成影响,使得华邦、硅统等多家厂商相继撤资或考虑撤资。科技园区中现能查到的仪器标准以晶圆厂中0.25μm和0.18μm的工作平台为代表,他们对振动的要求分别为通用振动标准的VC-D级和VC-E级。为了解决高铁振动问题,研究人员考虑了各项减隔振措施,包括:基础加劲构造、设计弹性减振墙(图7)、填充式隔振沟(图8)、蜂窝式波阻块(图9)等。对中标的方案现场测试结果显示,减振措施可以达到预期效果。
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  图7 桥墩下方基础加劲方案(左)及弹性减振墙方案(右)示意图

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  图8 挖沟回填软质材料方案示意图

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  图9 蜂窝式波阻块方案示意图

  大陆地区早在1955年,由于京张铁路位于清华大学校园同侧,列车运行产生的振动严重影响了学校实验室精密仪器的正常工作,致使许多重要试验无法顺利进行,后经有关部门共同协商后决定将京山铁路向东迁移了800m,避开了清华校园。

  重庆菜园坝长江大桥工程南城隧道穿越电子部某研究所,是一个公路交通对仪器影响的案例。该公路隧道双洞四车道,隧道长2*1025m,设计车速60km/h。隧道埋深30.78~15.67m,隧道顶板距离仪器车间直线距离最小只有28.64m。其中,研究所精密仪器要求为:最大位移<5μm,属于对微振动要求较低的仪器。通过采用类似条件既有隧道附近现场测试方法,测试结果介于0.07~0.42μm之间,均小于5μm要求。

  轨道交通与路面公交车流共同作用下,振动对仪器影响的问题比较复杂。在北京,集中了众多科研单位,随着城市轨道交通的修建,因此产生的矛盾也愈加明显。其中,最著名的一个案例当属北京地铁4号线对于临近的北京大学物理实验基地的影响。自2004年9月起,由北京交通大学、北京市政设计院、北京城建设计院、北京地铁科研所、隔而固公司以及比利时天主教鲁汶大学组成的课题组,对该问题进行了一系列创新性的工作,客观上大大推动了地铁振动对精密仪器影响领域的研究发展。此外,类似案例还有北京地铁8号线规划经过数家安置有重要仪器设备的科研单位,地铁14号线规划穿越首都医科大学实验楼,北京地铁15号线规划穿越清华大学校园,北京地铁3号线规划绕行北京大学西侧,北京地铁10号线近距离经过中国空间技术研究院等单位。

  来源:轨道减振与控制实验室微信公众号(ID:Lab_TVAC),本文节选自《地铁列车振动环境影响的预测、评估与控制》,作者:马蒙 刘维宁。

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