动力机器荷载基础与地基共同作用的数值计算

1、动力机器荷载、基础与地基共同作用的数值计算 唐泽华,王增涛,尹鲁生,张俊红 (济南济钢设计院，山东济南250101) 摘要：以风机为例,对动力机器荷载、基础和地基共同作用的关键问题控制荷载重心与基础底面形心的偏心值进行分析，并对机器基础最大振幅的求解与允许振幅的关系进行了论述，以便对动力机器基础的设计能从数值上加以控制。 关键词：动力机器；地基刚度；荷载；质量中心；转动惯量 中图分类号：TU470+.3 文献标识码： 文章编号：1004-4620(2001)04-0055-03 Numerical Calculus on Affection of Power Machine Load, Bas

2、e and Subgrade   TANG Ze-Hua ,WANG Zeng-tao ,YIN Lu-sheng ,ZHANG Jun-hong (Jigang Design Institute of Jinan,Jinan 250101,China) Abstract：To control the base design of power machine using numeric,taking the blower as an example，the key problem affected by power machine load，base and subgrade-the

3、 off-center value between centroid of control load and poid of foundation subface was analyzed.The relationship of calculating maximum amplitude of machine foundation and permitting amplitude was discussed Key words：power machine；subgrade rigidity；load; center of mass；rotary inertia 1 前言动力机器基础的设计是一项

4、专门而又复杂的课题，它涉及土建和机械两个专业。由于计算太复杂，若缺乏精确的计算将使得设计的基础过于庞大。要合理地解决动力机器基础的设计问题，首先要了解机器传到基础上的动力作用特征,如表1所示,其扰力的变化规律见图。  表1 动力机器分类分类机器类别运动特点代表性的机器名称甲周期性作用的机器匀速旋转运动电机,汽轮机 ,风机乙(有规律运动)匀速旋转和往复匀速往复运动曲柄连杆式机器颚式破碎机丙非周期性作用的机器非匀速旋转或非匀速往复运动轧钢 机组用的拖动电机遮断容量的发电机丁(运动规律非周期性)冲击式运动自由锤锻,模锤锻,碎铁 架装置动力机器基础的结构类型可分为三种:(1)大块式;(2)构

5、架式;(3)墙式。其中，大块式应用范围最广泛，适用于各种类型的机器。下面以风机为例，进行详细说明。 图1 扰力变化规律2设计须知21设计资料设计动力机器基础时，应取得下列原始设计资料：(1)机器的型号、转速、规格及轮廓尺寸图等；(2)机器的重心位置及重量；(3)机器底座外轮廓图，辅助设备及管道位置和坑、沟、孔、洞的尺寸，灌浆层厚度，地脚螺栓，预埋件的位置等；(4)与机器连接的有关管道图；(5)建筑场地的地质勘察资料。如通风机总重1010N，旋转部件重310N,转速960r/min,电动机总重1430N,转子重530N,转速960r/min。黄土状亚粘土容重0为1.65×10

6、4N/m3,地基容许承载力R 为1.2×105N/m2,地基抗压刚度系数CZ为2.32×107N/m3。22地基土容许承载力的降低地基土在重复荷载作用下，土的抗剪强度会相应减小，并随振动加速度的增大而减小。根据设计经验，常采用降低地基容许承载力的方法来控制动沉降。即地基土的强度验算应满足下式要求：P R R                     (1)式中P基础底面的静压力，

7、包括基础自重、基础上的回填土重、机器自重和传至基础上的其他荷载；R修正后地基土的容许承载力；  R地基土承载力的动力折减系数，对汽轮机、电机和风机基础可取0.8。 图2重心位置计算图图3天然地基刚度2.3荷载重心与基础底面形心的偏心值在确定基础底部尺寸时应力求不发生偏心,即机器的扰力作用中心、机器和基础的质量中心和基础底面的几何形心位在同一条铅直线上,这对避免不均匀沉降和减少振动都是必要的。如偏心不可避免时，则偏心值和平行偏心方向基底边长的比值，应符和：对汽轮机、电动机和风机基础不大于3%。    计算基础质量中心坐标xm、ym时,不考虑基础板

8、,坐标原点取在风机重心处,待xm、ym计算后,使基础板的重心与xm、ym重合在同一条铅直上。计算zm时,应考虑基础板坐标原点取在基础板底处2。如图2所示,计算结果为:             3天然地基刚度系数与地基刚度基础受干扰力作用产生变位如图3所示。3.1 地基刚度系数    地基刚度系数分为地基抗压刚度系数CZ、抗弯刚度系数C、抗剪刚度系数C和抗扭刚度系数C,原则上应分别由试验求得。根据试验结果的数理统计,它们之间有某些比例关系存在。当离散性较大时,为近似估

9、计可采用：    C=2.15 CZ                   (2)C=0.7 CZ                       (3)C=1.5 CZ

10、60;                   (4)3.2地基刚度提高系数天然地基的刚度是指均匀土层，基础置于地表面的地基刚度。实际上，基础总有一定的埋置深度，所以计算天然地基刚度时，可考虑基础的埋深和混凝土刚性地面对地基刚度的提高作用(冲击机器基础除外)。按照质弹阻计算模式,对地基刚度修正可作如下解释: (1)当基础竖向振动时,基础四周土体可以看作是一个抗剪的弹簧;(2)当基础水平摇摆耦合振动时,平行于振动方向基础侧

11、面的土体可以看作是抗剪和抗扭的弹簧,垂直于振动方向基础侧面的土体可以看作是抗压和抗弯的弹簧;(3)当基础扭转振动时,基础四周土体可以看作是抗扭的弹簧。  由于这些弹簧增加了地基刚度，使基础的自振频率随着埋深比的增大而相应地提高，振幅也随着埋深比的增大而降低。  提高后的天然地基抗压、抗弯、抗剪刚度，可按下列公式计算：抗压刚度KZ =Z Cz F                  (5)抗弯刚度K=1CIy&

12、#160;           (6)抗剪刚度K=1CF             (7)抗扭刚度K=1CJ                      

13、 (8)式中Z、基础四周填土作用对地基抗压、抗弯、抗剪、抗扭刚度的提高系数。当基础与混凝土地面刚性连接时,地基抗弯、抗剪及抗扭刚度应分别乘提高系数1。对软弱地基1为1.4,对其他地基应适当减小。如基础四周无刚性地面或设计中不考虑地面作用，则1取1;Iy、J基础底面通过其形心轴的抗弯惯性矩及抗扭惯性矩；F基础底面积。采用上述公式考虑基础埋深作用时,应具备以下必要条件:  基础周边填土和地基土为同样的粘土类、亚粘土或砂土类;回填土容重与天然土容重之比不小于0.85;地基土的容许承载力R 不大于350kPa。当地基土的容许承载力R 大于350kPa时，地基刚度不列入本篇范围。4旋转型机器基

14、础扰力及最大振幅的计算4.1扰力计算通风机、电机、水泵机等属于旋转型机器,这类机器的振动是由叶轮、转轴等旋转部件不平衡引起的。如以m 0为旋转部件的总质量，r0为旋转部件总质量m 0对转轴的折算偏心距,0为转速,则机器旋转时，旋转部件的离心力为:P0i = m0 r0 02                     (9)  其在X 轴、Y 轴的投影为:PX(t)=P0isin0t 

15、60;                  (10)PZ(t)=P0icos0t4                (11)通风机干扰力幅值：    P01=m0 r0 f02/250=160(N)电动机干扰力幅值：    P02=0

16、.24m0 f02/(20+f02)=120(N)通风机和电动机的总干扰力为:p0=p01+p02=280(N)4.2基础板质量的确定根据公式    mP0/A02-m                 (12)代入数据,得m不小于28.5kg。4.3基础振幅核算     假定地基对刚体刚度由隔振器支承,每个隔振器在X、Y、Z方向刚度为隔振器的布置对称于XOZ和YOZ平面,隔振器

17、的竖向刚度中心通过刚体总质量中心,刚体振动时体系的自振频率求解换算式参见文献3,计算得:                   刚体质量中心在空间的运动分量X0,Y0,Z0和绕OX,OY,OZ轴的转角X,Y,Z,参照文献2的方法进行计算。为了计算刚体的最大振幅，可假定两干扰力间的相位差为0°或180°，如图4所示。求出刚体质心的最大位移,分别为x0,Y0,Z0,X,Y,Z:                       同理,Y =4.94×10-5,Z =-2.36×10-6图4转子不平衡离心力基础上任一点的位移为:xi=|x0|+|ziy|+|yiz|=0.082(mm)yi=|y0|+|zix|+|xiz|=8.6×10-3(mm)zi=|Z0|+|x