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动力机器的概念设计形式及内容

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1动力机器基础的概念设计

在动力荷载作用下,如基组固有频率与机器扰力频率相同就会产生共振效应。影响基础振动的主要因素是机器的扰频、地基刚度、基组质量等。防止共振的发生就要使基组的固有频率与扰力频率尽量错开。动力机器基础振动对机器及环境都会产生不利的影响,振动事故处理的难度也较大,因此,在动力机器基础设计伊始,结构设计人员就应该对振动问题产生足够的重视。

2动力机器基础概念设计的基本内容

根据对动力设备基础的研究以及对振动产生危害的总结、多年工程实践经验所形成的设计原则,构成了如下概念设计的基本内容。

2.1动力机器资料的收集

动力设备基础的设计,离不开设备制造厂家资料的提供,尤其是新型关键设备的基础设计,需要厂家配合土建设计人员共同完成设计任务,各有关的动力机器基础设计标准都明确提出了设备制造厂家应该提供的技术资料内容,及建造单位需要配合提供的技术资料。其中动力机器的扰力由设备制造厂家提供尤为重要。考虑设备制造厂家不是都能够提供机器扰力,《有色金属工程设备基础技术规范》(报批稿)(简称“报批稿”)在附录B和有关章节中给出了一些动力设备扰力的计算式,以方便设计时参考使用。

2.2动力机器基础的容许振动标准

目前国内关于动力机器基础设计的几个标准:GB50868—2013《建筑工程容许振动标准》、GB50040—96《动力机器基础设计规范》、GB50463—2008《隔振设计规范》、冶金工业部1977《制氧机等动力机器基础勘察设计暂行条例》、HG20544《活塞式压缩机基础设计规范》、SH3091《石油化工压缩机基础设计规范》、HG/T20643—2012《化工设备基础设计规范》、DL5022—2012《发电厂土建结构设计技术规定》,这些标准都根据不同类型的机器及环境要求,用容许振动线位移或容许振动速度作为控制标准。动力机器基础的设计必须结合具体工程要求,正确选择适合的容许振动限值。“报批稿”对机器基础振动容许标准,选取了振动速度作统一表述,根据不同类型的机器、转速,用容许振动速度作为控制标准汇总在一个表格中,统一了动力机器基础振动控制的口径,并与最近颁布的GB50868—2013基本协调一致,以供设计参考,当需要用其他指标控制时,可按给出的算式换算。

2.3确定天然地基刚度系数及基础的埋深

天然地基的抗压刚度系数Cz值,宜由现场试验来确定,对于特别重要的动力机器基础的设计,应该强调这一要求的必要性;对于一般动力机器基础,在没有试验数据时,可按GB50040—96提供的根据地基承载力特征值确定的天然地基抗压刚度系数Cz值;也可按“报批稿”根据地基土的变形模量确定天然地基抗压刚度系数Cz值,作为对GB50040—96的补充。由于基础四周的回填土能提高地基刚度,从而提高基础的固有频率,基础埋置深度对基底尺寸的比值越大,其影响越大,特别对抗弯和抗剪刚度的提高尤为明显。当基础与刚性地面相连时,地基的抗弯、抗剪和抗扭刚度都有较大的提高。动力基础计算时,应合理调整基底面积,以调整天然地基抗压刚度系数Cz,避免因设计基础的固有频率与机器扰频接近而发生共振。

2.4确定动力机器基础的结构形式

根据动力机器的特性、类型、工艺配置、管道布置和振动限值等要求,应合理地采用大块式基础、墙式基础、构架式基础或隔振基础。

2.5基础与机器的质量比值

这一问题的提出,是由于动力机器基础的计算工作量大且较繁琐,而实践证明大量的中小型动力机器并不需要繁琐的动力计算,也能保证基础能够满足振动限值的要求,因此需要对动力机器基础的设计,区分为可不做动力计算的基础、可简化动力计算的基础、必须进行振动计算等三种。“报批稿”根据以往的设计经验和习惯,提出设计大块式机器基础可以不做动力计算时基础质量与各类机器质量的比值表格,供设计者参考使用。基组质量与地基刚度构成了基组的固有频率。为避免共振,并非基础质量越大就越好,还与基础底面尺寸和埋深等有关。

2.6动力机器基础的偏心率控制

偏心是指基础底面形心与基组质心间的水平距离,设计时应使偏心距与平行于偏心方向的基础底面边长之比满足相关建筑标准的规定,是概念设计的组成部分,必须认真执行。控制偏心率除了防止基组偏心沉降外,同时可使在动力计算中不考虑质量偏心的影响,将竖向振动、扭转振动和水平回转耦合振动分别计算,可简化动力机器基础的振动计算。

2.7动力机器基础应尽量考虑隔振设计

传统的动力机器基础设计,常常不将隔振作为优先的设计方案。而近年来有的新型动力机器、设备本身就带有隔振装置(如有的破碎机带有隔振支座),能减小机器运转时作用于基础上的动力荷载;有的设备工艺要求进行隔振设计,也必须通过隔振设计才能满足环境要求。所以无论是设备本身还是环境要求,动力机器基础的设计都应该优先考虑采用隔振设计来达到经济合理的目的。

3动力机器基础的结构设计

根据动力机器的特性和类型、工艺配置、管道布置等要求,确定基础形式及各部分构件的尺寸及相互连接要求后,继而按合理的力学简图进行结构的动、静力计算,使其满足振动限值和结构强度的要求。

3.1静力计算的内容

包括基础底面平均静压力计算、破碎机和磨机基础底面边缘最大静压力计算,当对地基变形有控制要求时,还应包括静力作用下的地基变形验算。计算基础底面地基的平均静压力时,上部荷载包括基础的重量和基础上的回填土的重量、机器设备的重量以及传至基础上的其他荷载的标准值。计算基础底面边缘的最大静压力时,还应计及机器的当量荷载产生的弯矩作用。按基础上的静荷载和动荷载换算成当量静荷载之和作为设计荷载,对构架式基础构件进行强度和配筋计算。对天然地基应考虑动力荷载和机器重要性对地基承载力的折减,同时也应考虑地基土的种类和特性对地基承载力的折减。对于桩基只考虑机器重要性对地基土承载力的折减。

3.2动力计算的内容

包括机器扰力计算、当量荷载计算、基础的固有频率计算、基础振动线位移、振动速度、振动加速度的计算以及振动的合成。动力计算中的振动合成问题,需要根据各台机器的转速特点、是独立振源还是非独立振源以及相位差等因素,按照相应的理论确定。在荷载分类及其组合中,温度应力、气缸膨胀

4动力机器基础设计中的其他问题

在动力机器基础结构设计中,以下几个问题也应引起设计人员的重视。

4.1大块式、墙式基础的构造要求

对大块式基础不必进行强度计算,但基础体积大于40m3时应沿基础顶面、底面及四周配置钢筋网,目的是防止温度应力和收缩应力导致裂缝。钢筋网要求细而密。基础体积为20~40m3时可只在基础顶面配置钢筋网,目的是防止设备安装、检修时,混凝土表面遭受撞击损坏,所有基础底板和上顶板悬臂部分,配筋均需按强度计算确定。墙式基础由顶板、纵墙(或横墙)、底板三部分构成,基础上部尺寸由机器安装要求确定。基础各构件之间的相互连接应能保证基础的整体刚度,设计和施工时尤其要注意加强各构件之间的连接。墙式基础一般均为构造配筋,沿墙面应配置钢筋网,水平钢筋在墙的端部应搭接形成闭合形式,竖向钢筋直径可根据高度取偏大一些,保证钢筋网片坚挺。

4.2往复式压缩机大块式基础设计的几个问题

4.2.1机器扰力

往复式压缩机的扰力包括旋转部分偏心产生的惯性力及各汽缸质量往复运动产生的惯性力,其中各列汽缸分扰力向曲轴布置中心点平移形成总扰力和扰力矩;电机的短路力矩仅瞬时出现,而大块式和墙式基础强度的安全储备较高,所以电机的短路力矩不必考虑;电机转子不平衡惯性力相对于压缩机扰力而言是很小的,所以一般可不考虑电机扰力的影响。在精度要求较高,振动限值要求很严的压缩机设计时,则应考虑电机扰力的影响。

4.2.2基础的偏心沉降

解决基础的偏心沉降主要有3个途径:1)使基础偏心率不超过规定;2)将基础设置在比较均匀的土层上;3)当地基为软弱土层时,应采用人工地基。

4.2.3基础调频

当基础的固有频率与动力机器的扰频相接近时,会产生很大的振动,此时就需要对基础采用调频措施,以改变基础的固有频率。提高基础固有频率的方法有采用人工地基、采取加大基础底板、减少基础质量、减小基础埋深、基础施工后夯实四周回填土、基础与地面采用刚性连接等措施。

4.2.4联合基础的应用

当机器的扰频较低或扰力数值较大、容许振动限值较严,可采用联合基础的形式。联合基础一般只取2~3台联合。联合基础能大大提高基础的抗弯和抗扭刚度。

4.3关于温度问题

动力机器基础不应设置温度伸缩缝,当基础尺寸过大时,可采取施工缝、用低热水泥、增大骨料直径、降低水胶比、增加基础上表面钢筋设置等措施;混凝土浇灌后的收缩问题非常重要,应该在设计中强调混凝土浇灌后的前期养护工作。

4.4桩基基础

GB50040—96对桩基竖向抗压刚度的计算方法是采用刚性桩的理论,桩的竖向刚度与桩长呈正比增长,桩越长竖向刚度越大;“报批稿”采用变形桩理论计算,即将桩当作埋入土中的弹性杆件,桩周表面与土紧密接触,桩周围土层是由无限薄层组成的线弹性体,此时有一个有效桩长问题,桩并不是越长越好,按照杆件纵向振动理论,并简化后求得的。变形桩理论的计算结果与现场实测的结果比较接近,特别是对于长桩和端承桩,这是因为考虑桩本身刚度修正后,当桩长超过一定值后,桩的抗压刚度不再增加。对于以水平振动为主的机器基础,当采用预制桩基时,为增加地基的水平刚度,可采取加大基础底面积、降低基础高度等措施。

5结语

由于动力机器基础设计与土的动力特性关系极大,计算与实测相差较大,而且与静力问题不同,所以进行概念设计尤为必要。对于设计者来说,掌握振动的原理和基本概念,采用合理的结构形式和构造要求在动力机器基础的设计中是十分重要的。

作者:刘茂盛张应之郭永生单位:中国恩菲工程技术有限公司

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