机械系统考试10.ppt

第九章机械基础设计 2 本课提要 机械基础的结构型式和基本要求机械基础的设计要点 机械基础的静力学计算机械基础的动力学计算隔振的布置形式和要求 3 基础 固定机械通常要放置在一个地方 直接放在泥土 砂土或水泥地上常常不行 需要采取措施 制造一个中间结构体 称为基础 机械工作时的载荷通过基础传递到地面 基础附近受机械载荷影响的那部分地层称为地基 机械 地基 机械 基础 地基构成振动系统 在这个系统中 基础将机械的载荷传给地基从而影响周边环境 同时也将周边设备的载荷作用传给机械从而对机械的工作产生影响 基础 4 机械 基础 地基系统 基础 机械和安置地面之间的中间结构体 地基 基础附近受机械载荷影响的那部分地层基组 基础及其上的机械 附属设备和填土的集合 扰力 机械工作时产生的附加动载荷 5 常见的机械扰力 周期性扰力 机械工作时常产生附加的动力载荷 称为扰力 并引起机械 基础 地基系统振动 冲击性扰力 周期性变化的 持续性 扰力主要产生于机械运行时的不平衡和惯性力 作用力大但持续时间很短的扰力主要产生于冲击性工作特性的机械 扰力产生的原因有制造 安装 磨损 动失衡以及工艺特性等因素引起运动部件的瞬时加速度 6 周期性扰力 往复运动的零部件可能产生一阶 二阶或更高阶的不平衡惯性力 转动零部件因不平衡产生离心力 其大小与旋转频率的平方成正比 当扰力引起的振动频率同机组的固有频率相接近时将产生巨大破坏力 产生极大危害 7 机械基础设计的特点 是机械外部设计的内容之一 涉及工程地质学 土力学 建筑施工 机械动力学等多门学科 需要同土建工程师密切配合 作为机械工程师必须掌握基础设计的基本知识和原则 8 机械基础的结构型式 大块式基础 有顶板墙式基础 框架式基础 无顶板墙式基础 顶板 墙板 9 机械基础的特点 大块式基础常用钢筋混凝土做成整体视为刚性体 刚度大 应用最广 动力计算视为一刚性体 框架式基础由固定在一块连续底板上的立柱和与之相连的纵梁 横梁 顶板组成 其上部视为弹性体 常用于较高振动频率的机械 墙式基础由承重的纵墙和横墙组成刚性介于大块式和框架式之间 10 机械基础设计的一般规定 机械基础宜与建筑物的基础 上部结构以及混凝土地面分开 当管道与机械连接有较大振动时 管道与建筑物连接处应采取隔振措施 当基础的振动对邻近人员 精密设备 仪器仪表 工厂生产及建筑物产生有害影响时应采取隔振措施 基础不得产生有害的不均匀沉降 重要的或对沉降有严格要求的机械 应在其基础上设置永久的沉降观测点 应在设计图中注明要求 在基础施工 机械安装及运行过程中应定期观测沉降情况 并作记录 11 机械基础设计的必要资料 机械的几何参数 机械轮廓尺寸 底座尺寸 预埋构件以及预留沟坑洞的位置和尺寸 底脚螺栓和预埋件的位置和尺寸 机械和设备的平面布置等 机械的动力学参数 机械的重量 质心位置 转速 功率和传动方式 机械扰力的方向 大小和作用位置等工程地质和水文地质资料 12 机械基础设计的一般步骤 了解和分析设计任务 收集有关设计资料 绘制基础施工图 根据初步确定的基础尺寸 计算基组的总质心位置 根据地基土壤性质和基组重量计算地基的静强度 根据机械的底座尺寸 预埋构件以及预留沟坑洞的位置和尺寸 机械扰力的大小和特性以及现场地质资料 根据地基土壤性质和基组重量 初步确定基础的几何尺寸和埋置深度 根据机械的工作特性 工艺要求及地质条件 初步确定基础的结构型式 初步确定基础的结构型式 初步确定基础的几何尺寸和埋置深度 力求总质心与基础底面形心在同一垂直线上 其偏心值应控制在允许范围内 根据机械扰力的性质进行基组动力学计算 避免基组共振 其振动量应控制在允许范围内 根据基础的结构型式 按现行钢筋混凝土设计规范 计算基础构件的强度和配置钢筋 13 机械基础的设计计算方法 1 静力学计算 当机械扰力相对于机械重力较小时通常只进行静力学计算 2 将动力载荷转换为当量静载荷作静力学计算3 动力学和静力学计算 机械基础按机械的动力特性可选用三种不同的设计方法 14 机械基础的分析计算要点 力求避免基组共振 合理选择基础型式和尺寸防止基础偏沉 机组共振时基础的振幅将大大增加而影响机械及周围设备的正常运行 同时地基所受的压强也有所增加可能导致超量沉陷 nz 15 机械基础的静力学计算 机械基础静力学计算的目的是保证地基有足够的承载能力 防止基础偏沉和保证基础的强度 9 2机械基础的静力学计算 机械运行时扰力的产生是不可避免的 当扰力比重力小得多时 可不考虑动力效应 仅作静力学计算 当扰力较大时 除进行静力学计算外还要作动力学计算 常将扰力转化为当量静载荷 采用静力学的计算方法来分析计算 16 天然地基和人工地基 地基根据是否进行人工处理分为天然地基和人工地基 人工处理的方法有换土垫层 机械夯实 土桩挤密 堆载预压 电化学加固等 在人工地基中分为桩基 墩基 沉井等 对于不同类型的地基应采用不同的计算方法 17 天然地基的承载力计算 中心受压时 I基础底面过形心在M方向的截面惯性矩 m4 偏心受压时 地基最大压强pmax mtog A Msmax I 1 2 ff kPa 地基平均压强p mtog A ff kPa A基础底面积 m2 mio基组总质量 t f地基承载力的动力折减系数f地基承载力设计值 kPa 重力作用线通过基础底面形心 18 桩基的承载力计算 中心受压时 mio基组总质量 t f地基承载力的动力折减系数fP单桩承载力设计值 kN 平均单桩载荷F mtog nP ffP kN 最大单桩载荷Fmax mtog nP Msmax s2 1 2 ffP kN 偏心受压时 si在平行于M方向由桩台底面形心至第i根桩中心的距离 有 方向 M总扰力矩kNm 19 地基承载力的动力折减系数 f 1 0振动加速度小或低频 如曲柄连杆机构 基础的振动加速度 1 3地基土的动沉降影响因数 表9 1 0 8旋转式机械基础 惯性冲击较小 如汽轮机组 电机锤锻基础 惯性冲击较大 20 基组偏心计算 为防止基础偏沉 应力求使基组总质心与基础底面形心在同一垂直线上 如存在偏心 通常应保证偏心率不超过允许限值 偏心率 偏心距与偏心方向的基础底面边长之比 汽轮机组和电机基础 e 3 一般机械基础 e 地基承载力标准值 对金属切削机床 当基础的倾斜与变形影响加工精度时 应进行变形计算 21 基组的总质心位置基组各组成部分的质量为mi质心坐标为 xi yi zi 地基向上反作用力位置基组底面的形心坐标 xi yi 当基础底面为对称图形时 即x Lx 2y Ly 2 那么有ex 0 5 xo Lx ey 0 5 yo Ly 偏心率 LxLy基础底面的水平尺寸 22 机械基础动力学计算 弹性 由地基的刚度系数计算地基的刚度阻尼 计算地基的阻尼比惯性 机组质量外载 外力或外力矩 动力学计算的目的是得到基组在扰力作用下的响应 包括振幅和振动频率 根据振动分析理论 机械基础动力学方程主要由以下因素组成 23 地基的刚度系数 抗压刚度系数Cz 表9 2 地基的刚度系数是使地基产生单位弹性位移所需施加的压强 kN m3 抗剪刚度系数Cx 0 7Cz抗弯刚度系数C 2 15Cz抗扭刚度系数C 1 05Cz 24 天然地基的抗压刚度系数Cz 25 地基的刚度 明置天然地基Kz CzAKx CxAK C I K C Ipz 地基的刚度是使地基产生单位弹性位移 转角 所需施加的力 力矩 埋置地基 fk 350kPa Kz zCzAKx x CxAK x C I K x C Ipz z 1 0 4 b 2 x 1 1 2 b 2 I 基础底面过形心的截面惯性矩 m4 Ipz基础底面对形心的极惯性矩 m4 b 0 6时取 b 0 6 抗压刚度抗剪刚度抗弯刚度抗扭刚度 埋置地基的刚度与埋置深度有关 设置了埋深系数 基础埋深比 ht b a K A K 26 天然地基的阻尼比 地基的阻尼比是基组振动系统的阻尼系数与临界阻尼系数 振动和不振动的分界点 之比 天然地基的阻尼比可由现场测试确定 或按下表近似选取 mto A b 地基土密度 ht A 27 大块式基础的振动计算 大块式基础的整体刚度较高 其振动可视为弹性地基上的刚体振动 在空间具有6个自由度 即基组沿三轴线的位移和绕三轴线的回转 28 大块式基础的振动分量 沿z轴的垂直振动 水平振动和回转振动同时发生 绕z轴的扭转振动 根据质 弹 阻理论体系和振型分解原理 基组振动可分解为三种相互独立的振动 分别计算然后叠加 在xoz和yoz平面内的水平回转耦合振动 29 基组垂直振动模型 外载惯性阻尼弹性 30 基组垂直振动运动方程 基组总质心的垂直位移dz t Azsin t 其中振幅相位差 固有角频率阻尼比 31 振动方程求解 二阶常系数线性微分方程的解由通解和特解两部分组成其中通解的形式为e t C1sin t C2cos t 是瞬态解可通过特征方程求解 令 特解的形式为C1sin t C2cos t是稳态解可用待定系数法和算子解法求解 32 振动方程特解的算子解法 引入算子 保留虚部 常数项是sin D i 33 振动方程的特解 引入参数 基组总质心的垂直位移dz t Azsin t 34 动力系数及分析 0 75 nz 1 25且 z 0 5时 z大 z越大 z越小 nz Azst z其中垂直静位移Azst Fz Kz动力系数 z 动力系数仅同角频率比 nz及阻尼比 z有关 35 动力系数及分析 0 75 nz 1 25且 z 0 5时 z大 z越大 z越小 nz z 动力系数仅同角频率比 nz及阻尼比 z有关 由于阻尼的作用只有当系统在共振区内运行时才比较明显 因此当系统在非共振区运行时 nz 0 75或 nz 1 25 可不计阻尼的影响 取 z 0 共振区 36 基组的扭转振动计算 运动方程 基组扭转振幅 基础顶面至扭转轴线的水平距离为l处的水平振幅 37 水平回转耦合振动 基组在垂直平面内的扰力矩作用下 绕水平轴的回转振动和水平振动同时产生 产生原因 基组在水平扰力作用下 扰力作用往往不通过基组总质心 基组在偏心垂直扰力作用下 38 水平回转耦合振动受力状况 39 水平回转耦合振动分析 惯性项阻尼项弹性项外载 回转引起基础底面的水平位移和速度 方向向左 所产生的阻尼力方向向右 平动 40 在基础底面上的平动阻尼力方向向左 阻尼转矩为顺时针 重心移动mtogh2 t 水平回转耦合振动分析 转动 惯性项阻尼项弹性项外载 41 水平回转耦合振动运动方程 为得到基本振型 略去阻尼项 重心移动附加力矩和外载后得 42 求解基本振型 其解可取如下的形式 且可解出 代入并消去三角函数 得 即 43 该齐次方程组有解的必要条件如下 即 令 则有 求解基本振型 0 44 两种振型的固有角频率 解得 其中正解 nx 1 nx 2为两种振型的固有角频率 45 两种振型的当量回转半径 由 即 得当量回转半径 两振动方程的解 水平振幅D和回转振幅 的比值为当量回转半径 46 第一振型的当量回转半径 表明水平和回转两种振型导致机组总质心的水平运动方向相同瞬时回转中心位于机组总质心下方 o1 47 第二振型的当量回转半径 dx t o2 48 垂直振幅水平振幅 l基础顶面控制点至回转轴的水平距离 h1机组总质心至基础顶面的距离 49 垂直振幅水平振幅 两种回转振型 M 1 M 2绕回转中心的合扰力矩 振幅 动力系数 l基础顶面控制点至回转轴的水平距离h1机组总质心至基础顶面的距离 50 计算时还要注意 第1振型和第2振型的参数不同 如 M nx 等 绕x或y轴回转的转动惯量不同 当系统在非共振区运行时 nx 1 0 75或 nx 1 1 25 nx 2 0 9或 nx 2 1 1 可不计阻尼的影响 取 n 1 n 2 0 垂直振幅水平振幅 51 土的参振质量变化范围很大 约为基础本身质量的0 43 2 9倍 表9 2天然地基抗压刚度系数未考虑土的参振质量的影响 数值偏小 致使计算的基础振动线位移偏大 应予修正 动力机械基础设计规范 除冲击性扰力机械和热模锻压力机基础外振动线位移修正系数 竖向为0 7 水平向为0 85 活塞式压缩机基础顶面控制点的最大振动线位移应小于0 2mm 最大振动速度应小于6 3mm s 透平压缩机基础顶面控制点的最大振动线加速度应小于5 0mm s 52 地面对振动波的衰减 地面对振动波的传播具有衰减作用 与振动中心相距r处地面上的振动线位移的幅值 r0基础的当量半径 土壤的能量吸收系数 表9 6 基础底面积 动力影响系数 表9 7 A0振动基础的振动线位移的幅值 地基的力学性质和基础底面积大小的影响系数 表9 5 f0机械的扰力频率 对于冲击性扰力可取基础的固有频率 53 机械基础的隔振 隔振器 在振动传播的路径上安装弹性阻尼装置 隔振的基本原理是在振动传播的路径上安装弹性阻尼装置 积极隔振或主动隔振 对有振动机械设备采取的隔振措施 消极隔振或被动隔振 对相邻机械设备或仪器采取的隔振措施 54 隔振器常用材料 橡胶 钢制弹簧 泡沫塑料 聚苯乙烯板及软木等 橡胶具有良好弹性 阻尼较大 成形简单等优点 但强度小寿命不长 钢制弹簧具有力学性能稳定 寿命长 不怕油渍污染 可得到小刚度等优点 但阻尼小 可组合使用 既有稳定的力学特性 又能增加阻尼 55 隔振器的布置形式 支承式悬挂式 悬挂式各向水平刚度极小 对水平振动的隔振效果较好 常用于扰力频率较低的精密机械隔振 根据扰力方向可选用垂直支承式或水平支承式 根据隔振器受力状况分为承拉式和承压式 56 隔振器 57 隔振器的要求 有良好的隔振效果 结构简单 性能稳定 易安装调整 经济性好 隔振效果可用隔振系数来衡量 隔振系数 隔振前后某物理量的比值 表示隔振器的隔振效果 58 隔振系数 其中隔振系统固有频率 积极隔振 F F动载荷最大值之比 扰力角频率或地面的干扰角频率 rad s k隔振器的刚度 kN m m隔振系统 包括机械 基础 隔振器 的质量 t 消极隔振 A A振幅之比F A 隔振后的动载荷最大值和振幅F A隔振前的动载荷最大值和振幅如不计阻尼的影响 当振源是简谐振动时隔振系数 59 隔振系数应小于1 隔振系数越小 隔振效果越好 隔振系数 为减小 应使 ni 隔振系统固有频率 oi应充分小 通常取 ni 2 5 5 使得 0 2 意味着将有80 以上的振动被隔离 为此应适当减小隔振器的刚度k和增大隔振系统的质量m 其中隔振系统固有频率 60 隔振器的参数 隔振器的刚度隔振系统的质量 主动隔振 其中隔振系统固有频率 61 隔振器的参数 一般情况下 常用隔振材料的阻尼比不大 设计隔振器时可不考虑阻尼的影响 但当隔振系统存在通过 共振现象 时 应设法增大隔振器的阻尼比 以便减小机械在起动和停止过程中因扰力角频率通过共振区时出现最大振幅 此时应采用如磁感应阻尼 空气阻尼 液体阻尼等的隔振器 62 隔振器设计举例 2 n 60 2 960 60 100rad s 扰力角频率隔振后允许振幅要求的隔振系数要求隔振系统的固有频率 解 ni 50rad s ni2 2 1 1 10000 4 2500 63 隔振器设计举例 2 n 60 2 960 60 100ra