機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

機(jī)器基礎(chǔ)綜述

動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)就是針對(duì)不同的動(dòng)力機(jī) 器基礎(chǔ)提出合理的結(jié)構(gòu)形式，平、立面配置，基本構(gòu)件 尺寸和構(gòu)造，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。 概念設(shè)計(jì)不 等于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提條件。 在動(dòng)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(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)。 影響基礎(chǔ)振動(dòng)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(cuò)開。 動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)機(jī)器及環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生不 利的影響，振動(dòng)事故處理的難度也較大，因此，在動(dòng) 力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)伊始，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該對(duì)振動(dòng) 問題產(chǎn)生足夠的重視 。

其目的在于保證機(jī)器本身的正常使用和防止對(duì)鄰近機(jī)器、建筑物的危害及減少對(duì)周圍人員的影響。設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)先確定基礎(chǔ)對(duì)動(dòng)荷載的反應(yīng)。動(dòng)荷載引起的慣性力，如果是基礎(chǔ)所受的全部荷載中的一個(gè)重要部分，則應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)作動(dòng)力計(jì)算；如果運(yùn)動(dòng)是緩慢的，慣性力可以略去不計(jì)時(shí)，則可以不考慮荷載的動(dòng)力特性，而將動(dòng)荷載變?yōu)楫?dāng)量靜荷載考慮。對(duì)后一情況，基礎(chǔ)不需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算（如一般的機(jī)床基礎(chǔ)和水壓機(jī)基礎(chǔ)）。

對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的機(jī)器基礎(chǔ)，都應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和周圍環(huán)境，首先滿足靜荷載下地基土的設(shè)計(jì)要求，然后再滿足動(dòng)荷載所附加的設(shè)計(jì)要求，即基礎(chǔ)的振動(dòng)不超過容許振動(dòng)限值。容許振動(dòng)限值根據(jù)下列條件制定：①應(yīng)保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；②由基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)，對(duì)鄰近的儀表、機(jī)器、建筑物以及附近的人員不產(chǎn)生有害的影響。

機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)前，須收集下列資料作為依據(jù)：①機(jī)器的技術(shù)性能，包括型號(hào)、工作轉(zhuǎn)速、重量（機(jī)器總重、有些機(jī)器還應(yīng)列出轉(zhuǎn)子或定子的重量）、軸的臨界轉(zhuǎn)速、功率、傳動(dòng)方式、重心位置及輪廓尺寸等。②機(jī)器的不平衡擾力和擾力矩及作用位置，其他荷載的分布位置、面積、大小、方向等。③工藝布置圖，包括各種動(dòng)力機(jī)器的位置（如螺栓安裝位置、輔助機(jī)器及管道安裝位置等），需隔振的機(jī)器、儀表的位置及隔振要求。④對(duì)基礎(chǔ)的要求，包括機(jī)器底座的輪廓尺寸和基礎(chǔ)平面位置圖；輔助機(jī)器、管道位置以及溝、坑、洞的位置和尺寸圖；二次灌漿的厚度和尺寸；錨固螺栓、預(yù)埋件的尺寸和位置等。⑤擬建場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，包括室內(nèi)或原位測試所得的土動(dòng)力參數(shù)。

機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟

① 確定容許振動(dòng)限值。對(duì)承受動(dòng)荷載的基礎(chǔ)應(yīng)采用工作狀態(tài)（或某一特定頻率）時(shí)振幅的極限值，或峰值速度的極限值，或峰值加速度的極限值作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這些極限值是根據(jù)設(shè)計(jì)功能遭到“破壞”的原則確定的。

② 確定動(dòng)荷載。動(dòng)荷載的類型不同，隨時(shí)間改變的規(guī)律也各異，作用于機(jī)器基礎(chǔ)上的性質(zhì)也就不同。如果動(dòng)荷載隨時(shí)間的變化是已知的（這種荷載稱為非隨機(jī)荷載，如諧振荷載、周期荷載、沖擊荷載等）。則反應(yīng)分析通常稱為數(shù)定分析。如果荷載隨時(shí)間的變化不是完全已知的（這種荷載稱為隨機(jī)荷載），則反應(yīng)分析可從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中進(jìn)行，稱為非數(shù)定分析。

動(dòng)荷載作用下的基礎(chǔ)反應(yīng)用基礎(chǔ)位移表示。數(shù)定分析能導(dǎo)出相應(yīng)于非隨機(jī)荷載下的位移-時(shí)間過程。基礎(chǔ)的其他數(shù)定反應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等反應(yīng)）可從位移反應(yīng)中求得。非數(shù)定分析只能提供有關(guān)位移的統(tǒng)計(jì)資料；由于位移隨時(shí)間的變化是不確定的，基礎(chǔ)的其他數(shù)定反應(yīng)必須用特定的非數(shù)定分析方法直接計(jì)算。

③ 選擇機(jī)器基礎(chǔ)計(jì)算模型。常用的計(jì)算模型有基床反力模型和彈性半空間模型（見機(jī)器基礎(chǔ)計(jì)算模型）。為了盡量避免基礎(chǔ)與機(jī)器發(fā)生共振，必須慎重選擇地基土的動(dòng)力參數(shù)。

④ 選擇基礎(chǔ)方案、確定基礎(chǔ)形式和尺寸?；A(chǔ)振動(dòng)的大小直接與機(jī)器本身擾力的大小和擾力作用點(diǎn)的位置有關(guān)。因此，要求機(jī)器盡量減少擾力并降低作用點(diǎn)的位置，力求機(jī)器與基礎(chǔ)聯(lián)合重心與基礎(chǔ)底面形心位于同一垂直線上，并盡量使擾力作用線與機(jī)組軸線位于基礎(chǔ)對(duì)稱面內(nèi)。

基礎(chǔ)尺寸最后應(yīng)保證振動(dòng)計(jì)算值在容許振動(dòng)限值以內(nèi)，否則應(yīng)采取減振措施（如調(diào)整擾力；增大阻尼、剛度或質(zhì)量；設(shè)置吸振器等）或隔振措施（見機(jī)器基礎(chǔ)隔振）。

機(jī)器基礎(chǔ)不宜與建筑物以及它們的基礎(chǔ)連接，以免基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。對(duì)承受振動(dòng)的管道不宜直接擱置在建筑物上，以免管道振動(dòng)傳到建筑物上引起建筑物局部共振。此外，必須注意機(jī)器基礎(chǔ)的構(gòu)造，并保證基礎(chǔ)整體剛度，防止構(gòu)件的過大變形和開裂。

一般彈性振動(dòng)體系有四要素：擾力Q(t）或x(t）、質(zhì)量m、剛度K與阻尼系數(shù)C。就機(jī)器基礎(chǔ)-土體系而言，質(zhì)量是指機(jī)器與基礎(chǔ)的質(zhì)量，剛度與阻尼系數(shù)由地基土動(dòng)力特性決定。引起振動(dòng)的外因是激發(fā)，它分自然激發(fā)（風(fēng)、浪、地震）和人工激發(fā)（爆炸、車輛、施工、機(jī)器）。它們以擾力Q(t）或擾動(dòng)x(t）的形式作用于基礎(chǔ)。擾力是大小或方向隨時(shí)間改變的力，擾動(dòng)是大小或方向隨時(shí)間而改變的運(yùn)動(dòng)，故激發(fā)是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)該函數(shù)形式的不同，激發(fā)可分周期激發(fā)與非周期激發(fā)、連續(xù)型與非連續(xù)型。

動(dòng)力反應(yīng)是激發(fā)引起的后果。它通常指基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且大都用基礎(chǔ)的振動(dòng)時(shí)程曲線（振動(dòng)波形）表示，但有時(shí)也用基礎(chǔ)的振幅頻率曲線即共振曲線表示。除運(yùn)動(dòng)狀態(tài)外，動(dòng)力反應(yīng)也可指基礎(chǔ)的動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)。

當(dāng)動(dòng)力反應(yīng)以振動(dòng)波形表示時(shí)，它是時(shí)間的函數(shù)。受穩(wěn)態(tài)擾力的基礎(chǔ)，其振動(dòng)波形總是余弦型而與穩(wěn)態(tài)擾力類型及阻尼無關(guān)（阻尼是能量隨時(shí)間與距離的耗散）。

同一基礎(chǔ)受兩類不同穩(wěn)態(tài)擾力的作用，其振動(dòng)波形均為余弦型，但共振曲線不同，定幅擾力下的共振曲線有截距、峰點(diǎn)為c、以ω 軸為漸近線；頻變擾力下的共振曲線無截距、峰點(diǎn)為e、以平行于ω 軸的直線為漸近線；兩者的峰點(diǎn)頻率相比，后者大于前者。

機(jī)器基礎(chǔ)按擾力可分為產(chǎn)生周期力的基礎(chǔ)，如往復(fù)式壓縮機(jī)基礎(chǔ)或透平機(jī)基礎(chǔ)；和產(chǎn)生非周期力的基礎(chǔ)，如鍛錘基礎(chǔ)。按結(jié)構(gòu)可分為大塊式、箱式、墻式、構(gòu)架式、混合式及片筏基礎(chǔ)（見基礎(chǔ)）。

機(jī)器基礎(chǔ)對(duì)激發(fā)的動(dòng)力反應(yīng)主要表現(xiàn)為振動(dòng)。振動(dòng)緊密地聯(lián)系于激發(fā)，首先聯(lián)系于基礎(chǔ)本身機(jī)器的運(yùn)動(dòng)類型。視機(jī)器運(yùn)動(dòng)類型的不同，振動(dòng)有以下幾種形式：

機(jī)器基礎(chǔ)簡諧振動(dòng)

是單純余弦波型的振動(dòng)。發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)的振動(dòng)屬于此類（圖2a）。簡諧振動(dòng)是最簡單的一種周期運(yùn)動(dòng)。周期振動(dòng)是對(duì)周期激發(fā)的動(dòng)力反應(yīng)。

機(jī)器基礎(chǔ)復(fù)合周期振動(dòng)

為兩個(gè)或數(shù)個(gè)頻率不同的余弦型振動(dòng)的疊加，具有曲柄連桿的空壓機(jī)基礎(chǔ)的振動(dòng)屬于此類（圖2b）。復(fù)合周期振動(dòng)雖亦屬于周期振動(dòng)，但其波形不再呈余弦型。

以上都屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，其特點(diǎn)是：振動(dòng)與擾力同時(shí)存在，兩者同頻率，且每有一個(gè)擾力即有一個(gè)同頻的振動(dòng)與之對(duì)應(yīng)，在連續(xù)周期激發(fā)下振動(dòng)的大小周而復(fù)始，不隨時(shí)間衰減和消逝，故也稱穩(wěn)態(tài)振動(dòng) 。

機(jī)器基礎(chǔ)瞬時(shí)振動(dòng)

是有阻尼的自由振動(dòng)，如鍛錘基礎(chǔ)的振動(dòng)屬于此類。自由振動(dòng)由初速度引起或由初位移所引起。有阻尼自由振動(dòng)的特點(diǎn)是：擾力作用時(shí)間很短，在擾力撤離之后，基礎(chǔ)按其固有頻率振動(dòng)，但因阻尼的存在，振動(dòng)逐漸衰減，終歸于靜止，故有阻尼振動(dòng)亦稱瞬時(shí)振動(dòng)。2100433B

其目的在于保證機(jī)器本身的正常使用和防止對(duì)鄰近機(jī)器、建筑物的危害及減少對(duì)周圍人員的影響。設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)先確定基礎(chǔ)對(duì)動(dòng)荷載的反應(yīng)。動(dòng)荷載引起的慣性力，如果是基礎(chǔ)所受的全部荷載中的一個(gè)重要部分，則應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)作動(dòng)力計(jì)算；如果運(yùn)動(dòng)是緩慢的，慣性力可以略去不計(jì)時(shí)，則可以不考慮荷載的動(dòng)力特性，而將動(dòng)荷載變?yōu)楫?dāng)量靜荷載考慮。對(duì)后一情況，基礎(chǔ)不需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算（如一般的機(jī)床基礎(chǔ)和水壓機(jī)基礎(chǔ)）。

對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的機(jī)器基礎(chǔ)，都應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和周圍環(huán)境，首先滿足靜荷載下地基土的設(shè)計(jì)要求，然后再滿足動(dòng)荷載所附加的設(shè)計(jì)要求，即基礎(chǔ)的振動(dòng)不超過容許振動(dòng)限值。容許振動(dòng)限值根據(jù)下列條件制定：①應(yīng)保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；②由基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)，對(duì)鄰近的儀表、機(jī)器、建筑物以及附近的人員不產(chǎn)生有害的影響。

《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)》是由清華大學(xué)工程系組編的“簡明土木工程系列專輯”中的一本。動(dòng)力基礎(chǔ)主要有大塊式和剛架式兩種類型，《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)》著重介紹了其中的金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)、鍛錘基礎(chǔ)和汽輪機(jī)組基礎(chǔ)。由于動(dòng)力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)還涉及振動(dòng)力學(xué)方面的知識(shí)，所以《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)》也對(duì)此做了相關(guān)介紹，以供從事這方面工作的工程人員參考。

《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)》可供從事建筑工程設(shè)計(jì)、施工、勘察和科研人員使用，也可供大專院校有關(guān)師生參考。

設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)前，須收集下列資料作為依據(jù)：①機(jī)器的技術(shù)性能，包括型號(hào)、工作轉(zhuǎn)速、重量(機(jī)器總重、有些機(jī)器還應(yīng)列出轉(zhuǎn)子或定子的重量)、軸的臨界轉(zhuǎn)速、功率、傳動(dòng)方式、重心位置及輪廓尺寸等。②機(jī)器的不平衡擾力和擾力矩及作用位置，其他荷載的分布位置、面積、大小、方向等。③工藝布置圖，包括各種動(dòng)力機(jī)器的位置（如螺栓安裝位置、輔助機(jī)器及管道安裝位置等），需隔振的機(jī)器、儀表的位置及隔振要求。④對(duì)基礎(chǔ)的要求，包括機(jī)器底座的輪廓尺寸和基礎(chǔ)平面位置圖；輔助機(jī)器、管道位置以及溝、坑、洞的位置和尺寸圖；二次灌漿的厚度和尺寸；錨固螺栓、預(yù)埋件的尺寸和位置等。⑤擬建場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，包括室內(nèi)或原位測試所得的土動(dòng)力參數(shù)。