動力機(jī)器的概念設(shè)計形式及內(nèi)容范文
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在動力荷載作用下，如基組固有頻率與機(jī)器擾力頻率相同就會產(chǎn)生共振效應(yīng)。影響基礎(chǔ)振動的主要因素是機(jī)器的擾頻、地基剛度、基組質(zhì)量等。防止共振的發(fā)生就要使基組的固有頻率與擾力頻率盡量錯開。動力機(jī)器基礎(chǔ)振動對機(jī)器及環(huán)境都會產(chǎn)生不利的影響，振動事故處理的難度也較大，因此，在動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計伊始，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就應(yīng)該對振動問題產(chǎn)生足夠的重視。
2動力機(jī)器基礎(chǔ)概念設(shè)計的基本內(nèi)容
根據(jù)對動力設(shè)備基礎(chǔ)的研究以及對振動產(chǎn)生危害的總結(jié)、多年工程實踐經(jīng)驗所形成的設(shè)計原則，構(gòu)成了如下概念設(shè)計的基本內(nèi)容。
2.1動力機(jī)器資料的收集
動力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計，離不開設(shè)備制造廠家資料的提供，尤其是新型關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計，需要廠家配合土建設(shè)計人員共同完成設(shè)計任務(wù)，各有關(guān)的動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都明確提出了設(shè)備制造廠家應(yīng)該提供的技術(shù)資料內(nèi)容，及建造單位需要配合提供的技術(shù)資料。其中動力機(jī)器的擾力由設(shè)備制造廠家提供尤為重要。考慮設(shè)備制造廠家不是都能夠提供機(jī)器擾力，《有色金屬工程設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(報批稿)(簡稱“報批稿”)在附錄B和有關(guān)章節(jié)中給出了一些動力設(shè)備擾力的計算式，以方便設(shè)計時參考使用。
2.2動力機(jī)器基礎(chǔ)的容許振動標(biāo)準(zhǔn)
目前國內(nèi)關(guān)于動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計的幾個標(biāo)準(zhǔn):GB50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》、GB50040—96《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、GB50463—2008《隔振設(shè)計規(guī)范》、冶金工業(yè)部1977《制氧機(jī)等動力機(jī)器基礎(chǔ)勘察設(shè)計暫行條例》、HG20544《活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、SH3091《石油化工壓縮機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、HG/T20643—2012《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、DL5022—2012《發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，這些標(biāo)準(zhǔn)都根據(jù)不同類型的機(jī)器及環(huán)境要求，用容許振動線位移或容許振動速度作為控制標(biāo)準(zhǔn)。動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計必須結(jié)合具體工程要求，正確選擇適合的容許振動限值。“報批稿”對機(jī)器基礎(chǔ)振動容許標(biāo)準(zhǔn)，選取了振動速度作統(tǒng)一表述，根據(jù)不同類型的機(jī)器、轉(zhuǎn)速，用容許振動速度作為控制標(biāo)準(zhǔn)匯總在一個表格中，統(tǒng)一了動力機(jī)器基礎(chǔ)振動控制的口徑，并與最近頒布的GB50868—2013基本協(xié)調(diào)一致，以供設(shè)計參考，當(dāng)需要用其他指標(biāo)控制時，可按給出的算式換算。
2.3確定天然地基剛度系數(shù)及基礎(chǔ)的埋深
天然地基的抗壓剛度系數(shù)Cz值，宜由現(xiàn)場試驗來確定，對于特別重要的動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)這一要求的必要性;對于一般動力機(jī)器基礎(chǔ)，在沒有試驗數(shù)據(jù)時，可按GB50040—96提供的根據(jù)地基承載力特征值確定的天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz值;也可按“報批稿”根據(jù)地基土的變形模量確定天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz值，作為對GB50040—96的補(bǔ)充。由于基礎(chǔ)四周的回填土能提高地基剛度，從而提高基礎(chǔ)的固有頻率，基礎(chǔ)埋置深度對基底尺寸的比值越大，其影響越大，特別對抗彎和抗剪剛度的提高尤為明顯。當(dāng)基礎(chǔ)與剛性地面相連時，地基的抗彎、抗剪和抗扭剛度都有較大的提高。動力基礎(chǔ)計算時，應(yīng)合理調(diào)整基底面積，以調(diào)整天然地基抗壓剛度系數(shù)Cz，避免因設(shè)計基礎(chǔ)的固有頻率與機(jī)器擾頻接近而發(fā)生共振。
2.4確定動力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)動力機(jī)器的特性、類型、工藝配置、管道布置和振動限值等要求，應(yīng)合理地采用大塊式基礎(chǔ)、墻式基礎(chǔ)、構(gòu)架式基礎(chǔ)或隔振基礎(chǔ)。
2.5基礎(chǔ)與機(jī)器的質(zhì)量比值
這一問題的提出，是由于動力機(jī)器基礎(chǔ)的計算工作量大且較繁瑣，而實踐證明大量的中小型動力機(jī)器并不需要繁瑣的動力計算，也能保證基礎(chǔ)能夠滿足振動限值的要求，因此需要對動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計，區(qū)分為可不做動力計算的基礎(chǔ)、可簡化動力計算的基礎(chǔ)、必須進(jìn)行振動計算等三種。“報批稿”根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗和習(xí)慣，提出設(shè)計大塊式機(jī)器基礎(chǔ)可以不做動力計算時基礎(chǔ)質(zhì)量與各類機(jī)器質(zhì)量的比值表格，供設(shè)計者參考使用。基組質(zhì)量與地基剛度構(gòu)成了基組的固有頻率。為避免共振，并非基礎(chǔ)質(zhì)量越大就越好，還與基礎(chǔ)底面尺寸和埋深等有關(guān)。
2.6動力機(jī)器基礎(chǔ)的偏心率控制
偏心是指基礎(chǔ)底面形心與基組質(zhì)心間的水平距離，設(shè)計時應(yīng)使偏心距與平行于偏心方向的基礎(chǔ)底面邊長之比滿足相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是概念設(shè)計的組成部分，必須認(rèn)真執(zhí)行。控制偏心率除了防止基組偏心沉降外，同時可使在動力計算中不考慮質(zhì)量偏心的影響，將豎向振動、扭轉(zhuǎn)振動和水平回轉(zhuǎn)耦合振動分別計算，可簡化動力機(jī)器基礎(chǔ)的振動計算。
2.7動力機(jī)器基礎(chǔ)應(yīng)盡量考慮隔振設(shè)計
傳統(tǒng)的動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計，常常不將隔振作為優(yōu)先的設(shè)計方案。而近年來有的新型動力機(jī)器、設(shè)備本身就帶有隔振裝置(如有的破碎機(jī)帶有隔振支座)，能減小機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時作用于基礎(chǔ)上的動力荷載;有的設(shè)備工藝要求進(jìn)行隔振設(shè)計，也必須通過隔振設(shè)計才能滿足環(huán)境要求。所以無論是設(shè)備本身還是環(huán)境要求，動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計都應(yīng)該優(yōu)先考慮采用隔振設(shè)計來達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。
3動力機(jī)器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)動力機(jī)器的特性和類型、工藝配置、管道布置等要求，確定基礎(chǔ)形式及各部分構(gòu)件的尺寸及相互連接要求后，繼而按合理的力學(xué)簡圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動、靜力計算，使其滿足振動限值和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。
3.1靜力計算的內(nèi)容
包括基礎(chǔ)底面平均靜壓力計算、破碎機(jī)和磨機(jī)基礎(chǔ)底面邊緣最大靜壓力計算，當(dāng)對地基變形有控制要求時，還應(yīng)包括靜力作用下的地基變形驗算。計算基礎(chǔ)底面地基的平均靜壓力時，上部荷載包括基礎(chǔ)的重量和基礎(chǔ)上的回填土的重量、機(jī)器設(shè)備的重量以及傳至基礎(chǔ)上的其他荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。計算基礎(chǔ)底面邊緣的最大靜壓力時，還應(yīng)計及機(jī)器的當(dāng)量荷載產(chǎn)生的彎矩作用。按基礎(chǔ)上的靜荷載和動荷載換算成當(dāng)量靜荷載之和作為設(shè)計荷載，對構(gòu)架式基礎(chǔ)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和配筋計算。對天然地基應(yīng)考慮動力荷載和機(jī)器重要性對地基承載力的折減，同時也應(yīng)考慮地基土的種類和特性對地基承載力的折減。對于樁基只考慮機(jī)器重要性對地基土承載力的折減。
3.2動力計算的內(nèi)容
包括機(jī)器擾力計算、當(dāng)量荷載計算、基礎(chǔ)的固有頻率計算、基礎(chǔ)振動線位移、振動速度、振動加速度的計算以及振動的合成。動力計算中的振動合成問題，需要根據(jù)各臺機(jī)器的轉(zhuǎn)速特點(diǎn)、是獨(dú)立振源還是非獨(dú)立振源以及相位差等因素，按照相應(yīng)的理論確定。在荷載分類及其組合中，溫度應(yīng)力、氣缸膨脹
4動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計中的其他問題
在動力機(jī)器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以下幾個問題也應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。
4.1大塊式、墻式基礎(chǔ)的構(gòu)造要求
對大塊式基礎(chǔ)不必進(jìn)行強(qiáng)度計算，但基礎(chǔ)體積大于40m3時應(yīng)沿基礎(chǔ)頂面、底面及四周配置鋼筋網(wǎng)，目的是防止溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力導(dǎo)致裂縫。鋼筋網(wǎng)要求細(xì)而密。基礎(chǔ)體積為20～40m3時可只在基礎(chǔ)頂面配置鋼筋網(wǎng)，目的是防止設(shè)備安裝、檢修時，混凝土表面遭受撞擊損壞，所有基礎(chǔ)底板和上頂板懸臂部分，配筋均需按強(qiáng)度計算確定。墻式基礎(chǔ)由頂板、縱墻(或橫墻)、底板三部分構(gòu)成，基礎(chǔ)上部尺寸由機(jī)器安裝要求確定。基礎(chǔ)各構(gòu)件之間的相互連接應(yīng)能保證基礎(chǔ)的整體剛度，設(shè)計和施工時尤其要注意加強(qiáng)各構(gòu)件之間的連接。墻式基礎(chǔ)一般均為構(gòu)造配筋，沿墻面應(yīng)配置鋼筋網(wǎng)，水平鋼筋在墻的端部應(yīng)搭接形成閉合形式，豎向鋼筋直徑可根據(jù)高度取偏大一些，保證鋼筋網(wǎng)片堅挺。
4.2往復(fù)式壓縮機(jī)大塊式基礎(chǔ)設(shè)計的幾個問題
4.2.1機(jī)器擾力
往復(fù)式壓縮機(jī)的擾力包括旋轉(zhuǎn)部分偏心產(chǎn)生的慣性力及各汽缸質(zhì)量往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力，其中各列汽缸分?jǐn)_力向曲軸布置中心點(diǎn)平移形成總擾力和擾力矩;電機(jī)的短路力矩僅瞬時出現(xiàn)，而大塊式和墻式基礎(chǔ)強(qiáng)度的安全儲備較高，所以電機(jī)的短路力矩不必考慮;電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡慣性力相對于壓縮機(jī)擾力而言是很小的，所以一般可不考慮電機(jī)擾力的影響。在精度要求較高，振動限值要求很嚴(yán)的壓縮機(jī)設(shè)計時，則應(yīng)考慮電機(jī)擾力的影響。
4.2.2基礎(chǔ)的偏心沉降
解決基礎(chǔ)的偏心沉降主要有3個途徑:1)使基礎(chǔ)偏心率不超過規(guī)定;2)將基礎(chǔ)設(shè)置在比較均勻的土層上;3)當(dāng)?shù)鼗鶠檐浫跬翆訒r，應(yīng)采用人工地基。
4.2.3基礎(chǔ)調(diào)頻
當(dāng)基礎(chǔ)的固有頻率與動力機(jī)器的擾頻相接近時，會產(chǎn)生很大的振動，此時就需要對基礎(chǔ)采用調(diào)頻措施，以改變基礎(chǔ)的固有頻率。提高基礎(chǔ)固有頻率的方法有采用人工地基、采取加大基礎(chǔ)底板、減少基礎(chǔ)質(zhì)量、減小基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)施工后夯實四周回填土、基礎(chǔ)與地面采用剛性連接等措施。
4.2.4聯(lián)合基礎(chǔ)的應(yīng)用
當(dāng)機(jī)器的擾頻較低或擾力數(shù)值較大、容許振動限值較嚴(yán)，可采用聯(lián)合基礎(chǔ)的形式。聯(lián)合基礎(chǔ)一般只取2～3臺聯(lián)合。聯(lián)合基礎(chǔ)能大大提高基礎(chǔ)的抗彎和抗扭剛度。
4.3關(guān)于溫度問題
動力機(jī)器基礎(chǔ)不應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫，當(dāng)基礎(chǔ)尺寸過大時，可采取施工縫、用低熱水泥、增大骨料直徑、降低水膠比、增加基礎(chǔ)上表面鋼筋設(shè)置等措施;混凝土澆灌后的收縮問題非常重要，應(yīng)該在設(shè)計中強(qiáng)調(diào)混凝土澆灌后的前期養(yǎng)護(hù)工作。
4.4樁基基礎(chǔ)
GB50040—96對樁基豎向抗壓剛度的計算方法是采用剛性樁的理論，樁的豎向剛度與樁長呈正比增長，樁越長豎向剛度越大;“報批稿”采用變形樁理論計算，即將樁當(dāng)作埋入土中的彈性桿件，樁周表面與土緊密接觸，樁周圍土層是由無限薄層組成的線彈性體，此時有一個有效樁長問題，樁并不是越長越好，按照桿件縱向振動理論，并簡化后求得的。變形樁理論的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測的結(jié)果比較接近，特別是對于長樁和端承樁，這是因為考慮樁本身剛度修正后，當(dāng)樁長超過一定值后，樁的抗壓剛度不再增加。對于以水平振動為主的機(jī)器基礎(chǔ)，當(dāng)采用預(yù)制樁基時，為增加地基的水平剛度，可采取加大基礎(chǔ)底面積、降低基礎(chǔ)高度等措施。
5結(jié)語
由于動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計與土的動力特性關(guān)系極大，計算與實測相差較大，而且與靜力問題不同，所以進(jìn)行概念設(shè)計尤為必要。對于設(shè)計者來說，掌握振動的原理和基本概念，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造要求在動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計中是十分重要的。
作者：劉茂盛張應(yīng)之郭永生單位：中國恩菲工程技術(shù)有限公司
