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1、第第8章章 机器基础机器基础 本章要点本章要点：机器基础的3种结构型式；机器基础的4项要求；机器基础的8步设计过程；机器基础的计算要点；地脚螺栓；机器基础的材料与浇灌。1.机器基础的结构型式与设计要求机器基础的结构型式与设计要求 机械系统的工作质量和它们的工作寿命，在很大程度上，取决于是否正确地安装在它们的基础上。基础要均匀地把作用在其上的机器和加工工件重量，以及加工运转对产生的载荷，传给承载它的地基。因此，应对地基的承载能力提出要求；作为固定式动力性机械的机器应有一个合适的基础，以保证机器的正常工作和不干扰相邻机器、仪表及人员的工作。机器基础设计是机械外部系统设计的内容之一。机器基础设计是一
2、个很复杂的工程问题，涉及工程地质学、土力学、建筑施工、机械动力学等多门学科。搞好机器基础设计，需要机械工程师与土建工程师的良好合作。机械工程师应重视机器基础的设计，掌握机器基础设计的基本知识和原则。1.1 机器基础的概念机器基础的概念 地基地基：受机械载荷影响的那一部分地层。基础基础：机械向地基传递载荷的中间结构体。图8-33 基组基组：基础、基础上的机械和附属设备以及基础上填土的总称。基组是由机械-基础-地基系统构成的一个振动综合体。扰力扰力：由于制造、安装、磨损、动失衡以及工艺特性等原因，引起机械运动零部件瞬时速度变化而产生的附加动力载荷。1.2 机器基础的结构型式机器基础的结构型式 机器
3、基础的结构型式主要有三种，图8-34。大块式大块式：常用钢筋混凝土做成整体。应用最广，其特点是基础刚度大，动力计算时可视基础本身为一刚性体，即不考虑其变形。墙式墙式：由顶板、纵墙、横墙和底板构成的基础。它的刚度介于大块式基础和框架式基础二者之间，应保证底板、纵横墙和顶板各构件的刚度及构造连接的整体刚度，如其构造符合规范要求，则其动力学计算可视同大块式基础。当机械要求安装在一定高度时常采用墙式基础。框架式框架式：由顶层梁板、柱和底板构成的基础。它的上部属弹性的框架结构，因此常用于工作转速较高的机械，动力计算时一般按多自由度空间力学模型计算。一般说来对重型机器，如大型电动机、活塞式压缩机、锻压机及
4、轧钢机等基础相当大者，则多采用块式、墙式及框架式组合而成。而中、小型机器，例如一般机床基础则多采用单独块式和混凝土地坪式结构。自动线上的机床，取宽度为1.53m，长度到6m，厚度为300600连续实体板式基础。1.3 机器基础的基本要求机器基础的基本要求 地基和基础应具有足够的刚度，避免在载荷作用下产生过大的变形或倾斜。基础应具有足够的强度，避免在静力和动力载荷作用下产生破坏和开裂。基础在扰力作用下不应产生过大的振动，以免影响机械本身的正常工作及邻近机械、设备、仪器的正常使用，更不允许产生危害操作者身体健康的剧烈振动。基础应具有良好的经济性。1.4 机器基础设计的一般规定机器基础设计的一般规定
5、 基础设计时应取得所需资料资料；机器基础宜与建筑物建筑物的基础、上部结构以及混凝土地面分开分开；当管道管道与机械连接而产生较大振动时，管道与建筑物连接处应采取隔振隔振措施；当基础的振动对邻近邻近的人员、精密设备、仪器仪表、工厂生产及建筑物产生有害影响时，应采取隔振隔振措施；基础不得产生有害的不均匀沉降沉降；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沉降观测点，并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。201111222.机器基础的设计步骤与结构设计机器基础的设计步骤与结构设计 2.1 机器基础设计的一般步骤机器基础设计的一般步骤
6、 了解和分析分析设计任务任务，并收集收集有关设计资资料料；根据机械的工作特性、扰力和扰力矩状况、工艺要求及地质条件，初步确定确定基础的结构形式结构形式；根据机械及设备的底座尺寸，预留沟、坑、洞及地脚螺栓的位置及尺寸，机械扰力和扰力矩的大小和特性，以及现场地质资料，初步确定确定基础的几何尺寸尺寸和埋埋置深深度；根据地基土壤性质和基组基组重力计算地基的计算地基的静强度静强度；根据初步确定的基础尺寸，计算基组的总质计算基组的总质心心位置，并力求使其与基础底面形心在同一垂直线上，其偏心率应控制在允许范围内；根据机械扰力和扰力矩的性质进行基组动力动力学计算学计算，避免基组共振，并控制基础的最大振动线位移
7、、速度或加速度不超过允许的极限值；根据基础结构型式，按现行混凝土结构设计规范、钢结构设计规范计算计算基础构件的强强度度和配置钢筋配置钢筋；绘制基础施工图绘制基础施工图。2.2 基础设计时应取得的设计资料基础设计时应取得的设计资料 机械的型号、转速、功率、规格及轮廓尺寸图；机械自重及质心位置；机械底座外廓图；辅助设备、管道位置和坑、沟、孔洞尺寸以及灌浆层厚度、地脚螺栓和预埋件的位置；机械的扰力和扰力矩大小及其方向；基础的位置及其邻近建筑物的基础图；建筑场地的地质勘察资料；地基动力试验资料。2.3 机器基础的计算机器基础的计算 1.机器基础的计算情况，按机械的动力特机器基础的计算情况，按机械的动力
8、特性分三种：性分三种：不作动力计算，只作静力计算不作动力计算，只作静力计算。扰力和扰力矩相对于机械本身的重力小得多。虽不作动力计算，但需将动载荷转化为当当量静载荷量静载荷后，作静力计算作静力计算。既作动力计算，又作静力计算既作动力计算，又作静力计算。扰力和扰力矩较大的机械。2.确定基础的几何尺寸确定基础的几何尺寸 增大基础的质量有利于增加稳定性，但不经济。机床基础的质量与机床及工件质量的关系按经验公式计算：m基K(m机+m件)（5-4）式中 m基基础质量，t；m机机床质量，t；m件最大可加工工件质量，t；K系数，一般机床取1.11.3。重心较高的机床取1.51.7。上述K值仅指机床类，而对大重
9、型机器则不适用。例如冶金行业中轧钢机器的基础质量与机器质量的比值，一般都在5倍以上；而对锻锤在采取各种防振措施后，基础的质量要比落下锤头质量大出20倍以上。当我们知道了基础的质量及它的底面积后，按下式算出基础的厚度：H基=m基/(基基)式中，H基基础的厚度；基基础材料的密度；F基基础的底面积。基础对地基的平均单位压力，按下式计算：(m基g+P)/F基R式中：P机器作用于基础上垂直外力的总和；R地基的许用压力，从专业技术资料查获。它越大越有利于工程质量和可靠性。但对大、重型机器设备的地基耐压力，须经地质勘探部门提供的技术资料来确定。有时为了提高R值不得不采用各种加强措施，打桩就是其方法之一。另外
10、，对某些刚度差的机器，对它们的基础又提出附加要求通过地脚螺栓将机身紧固于基础之上，使之形成一个封闭的受力环，以达到增加刚度的要求。3.机器基础的静力学计算机器基础的静力学计算 目的目的：保证地基有足够的承载能力和防止基础偏沉。在基础静力学计算时，载荷应采用设计值，包括基础自重、基础上的回填土重、机械和设备自重及传至基础上的其他载荷。地基承载力计算地基承载力计算 基础底面地基的承载力应根据其受力情况按公式计算。图8-35 (a)中心受压，天然地基：计算：p基础底面地基的平均静压力设计值，kPa；(b)中心受压，桩基：计算：F平均单桩静载荷设计值，kN。(c)偏心受压，天然地基：计算：p；pmax
11、基础边缘处的最大静压力，kPa：(d)偏心受压，桩基：计算：F；Fmax单桩上的最大静载荷，kN。基组偏心计算基组偏心计算 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。如存在偏心时，应控制其偏心距与平行偏心方向基础底边长之比，即偏心率e不超过允许限值：对汽轮机组和电机基础，e3；对一般机器基础，当地基承载力标准值fk150kPa时，e3；当fk15OkPa时，e5；对机床基础，当基础倾斜与变形对机床加工精度有影响时，应进行变形验算。当变形不能满足要求时，应采取人工加固地基或增加基础刚度等措施。加工精度要求较高且重力在5OkN以上的机床，其基础建造在软弱地基上时，宜对地基采取
12、预压加固措施，预压的重力可取机床的重力及加工件最大重力之和的1.42.0倍，并按实际载荷分布情况分阶段达到预压重力，预压时间可根据地基固结情况决定。iiiiiiiiimzmzmymymxmx000 基组总质心的位置，应根据机械、附属设备及基础(包括基础上的填土)的质量和它们的质心位置计算式中，x0，y0，z0基组总质心的坐标；xi，yi，zi基组各单块体质心的坐标；mi基组各单块体的质量。基础底面的形心位置O(x，y)按底面几何形状计算。如图8-36所示，基组沿x方向和y方向的偏心率分别为 式中，lx，ly分别为基础底面沿x和y方向的长度。对建造在软弱地基上的大型和重要机械的基础及1t和1t以
13、上的锻锤基础，除应满足上述基础偏心率限值要求外，还宜采用人工地基，以免发生基础偏沉或沉降过大。4.机器基础的动机器基础的动力学计算力学计算 目的目的：计算基组在扰力作用下的响应.以控制基础的最最大振动线位移（振幅大振动线位移（振幅）A A、速度速度v v或加速度加速度a a不超过允许值。大块式基础的振动计算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，即基组沿三根垂直轴线的位移和绕三根垂直轴线的回转。图8-37为大块式基础的坐标系及振动分量示意图。基组的实际振动情况很复杂，根据质-弹-阻理论体系及振型分解原理，基组的振动可以分解为三种相
14、互独立的振动：沿z轴的竖向振动。竖向振动的计算简图见图8-38。绕z轴的扭转振动。在xOz或yOz平面内的水平回转耦合振动。这三种振动可分别计算，然后叠加。2.4 机器基础的结构设计机器基础的结构设计1.基础结构基础结构 基础顶面尺寸应比安装在其上面的机械设备的底面尺寸稍大，每边大出尺寸不宜小于100mm。降低基础高度既有利于减小扰力矩，也有利于提高经济性。大块式基础和墙式基础均需预留有安装和操作机械所必需的沟槽和孔洞。除锻锤基础外，在机械底座下应预留二次灌浆层，其厚度不宜小于25mm。二次灌浆层应在设备安装就位并初调后，用微膨胀混凝土填充密实，且与混凝土基础面结合。地脚螺栓轴线至基础边缘的距
15、离不应小于4d(d为地脚螺栓直径)或80mm。预留螺栓孔边至基础边缘的距离不应小于100mm，否则应采取加强措施，如设置钢筋网或局部配筋。预埋地脚螺栓底面下的混凝土净厚度不应小于50mm，当为预留孔时则不应小于100mm。2.地脚螺栓地脚螺栓 用地脚螺栓将机器固定在基础上时，地脚螺栓在基础中的埋设方法可分为：可更换螺栓和予埋不可更换螺栓二种。前者多用于受冲击及振动载荷大的大、重型机器，如轧钢机、冲压机、锻锤等，见图8-39。后者大、中、小型机器都有使用。不可更换地脚螺栓又可分为一次浇灌法及二次浇灌法。一次浇灌法地脚螺栓与基础连接牢固，如图8-40a，但当地脚螺栓位置偏移时不易校正；二次浇灌可避
16、免位置偏差问题，但其连接强度又不如前者见图8-40b。也有采取先将地脚螺栓一次浇灌在基础内，然后在上端留出位置调整方孔的办法，以达到取长补短的目的，如图8-41c。地脚螺栓的材质，一般用A3A5或碳素结构钢2045#。地脚螺栓经常承受拉应力及剪力，一般是被拉断或剪断，按经验用下式计算其直径尺寸：1.35p(d12/4)式中 d1螺栓丝扣的内直径；1.35考虑予紧力系数；地脚螺栓材质的许用应力。地脚螺栓应避免过粗过长，以免增大基础的宽度和高度。由于混凝土对地脚螺栓的握裹力，仅在距混凝土表面约15 d的深度范围内有明显作用。地脚螺栓按长度又可分为长、短两种。中、小型或以静载荷为主的机器，用短地脚螺栓。地脚螺栓底端部应制成弯钩状。一般，带弯钩地脚螺栓的埋置深度不应小于20 d1，它的总长度按下式计算：L20d1+A+(510)式中，L螺栓总长度，mm；A安装垫铁高度、机器底座凸缘和螺母、垫圈厚度的总和，mm；d1螺栓丝扣的内直径，mm。为缩短地脚螺栓长度，可采用图8-41地脚螺栓。地脚螺栓的埋置深度以不超过(3040)d为宜。带锚板和预埋套管地脚螺栓的埋置深度不应小于15 d。长地脚螺栓，用
