龔宗宜 石 軍 劉華偉

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430080)

目前在我國(guó)冶金行業(yè)中，隨著各個(gè)鋼鐵廠的產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，所使用的動(dòng)力機(jī)器(諸如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電機(jī)、汽輪機(jī)等)功率也越來(lái)越大，轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，對(duì)基礎(chǔ)支撐體系的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。由于機(jī)器設(shè)備廠家各不相同，所提供的用于計(jì)算的荷載存在著一定的差異，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了一定的困難。在多年的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)人對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的荷載使用比較混亂。導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果或者不安全，或者偏于保守。本文就冶金行業(yè)常見(jiàn)的電機(jī)、汽輪機(jī)、透平式壓縮機(jī)進(jìn)行討論，提出動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)荷載的取值及組合中應(yīng)注意的問(wèn)題。

1 基礎(chǔ)永久荷載

永久荷載包括基礎(chǔ)自重和設(shè)備廠商提供的設(shè)備重量?；A(chǔ)自重根據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸計(jì)算。一般情況下設(shè)備廠商會(huì)精確的列出動(dòng)力機(jī)器作用在基礎(chǔ)上的設(shè)備重量和位置。基礎(chǔ)永久荷載按照常規(guī)的方法使用即可。

2 強(qiáng)迫振動(dòng)分析時(shí)的擾力

轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的不均勻產(chǎn)生偏心，在旋轉(zhuǎn)時(shí)受慣性作用產(chǎn)生離心力，即為擾力。擾力是進(jìn)行基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算的主要荷載，用來(lái)驗(yàn)算基礎(chǔ)的振動(dòng)速度和位移。我們分析了國(guó)內(nèi)廠家(杭氧、陜鼓)和德國(guó)的西門(mén)子，MAN TURBO等公司的資料。不同的設(shè)備廠家所提供的擾力是有差別的。

目前框架式動(dòng)力基礎(chǔ)計(jì)算的主要依據(jù)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50040-96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，以下文章中簡(jiǎn)稱《動(dòng)規(guī)》。廠家沒(méi)有提供可以按照《動(dòng)規(guī)》中給出的相應(yīng)的公式進(jìn)行擾力值的計(jì)算。例如陜鼓的資料中會(huì)提供每個(gè)作用點(diǎn)或總的擾力值，而杭氧一般不提供，需要根據(jù)公式來(lái)計(jì)算。而對(duì)于德國(guó)的西門(mén)子，MAN TURBO等公司的資料，它們所提供的擾力是根據(jù)德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)《Machine foundations flexible structures that support machines with rotating elements》(DIN 4024)來(lái)計(jì)算的，以下文章中簡(jiǎn)稱《DIN標(biāo)準(zhǔn)》。下面根據(jù)這兩本規(guī)范對(duì)擾力的取值進(jìn)行論述。

2.1 轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min

GB 50040-96動(dòng)規(guī)中汽輪機(jī)和電機(jī)擾力值的計(jì)算見(jiàn)表1(只適合轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min)，若是大于3 000 r/min則需廠家提供詳細(xì)的資料。

表1 《動(dòng)規(guī)》擾力取值

非表1中轉(zhuǎn)速的擾力值見(jiàn)式(1):

2.2 轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min

透平壓縮機(jī)的豎向和橫向擾力(只適合轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min)按式(2)計(jì)算，縱向擾力值乘以0.5。若是低于3 000 r/min應(yīng)由廠家提供資料。

2.3 國(guó)外設(shè)備資料

國(guó)外設(shè)備資料一般提供兩個(gè)值，一種是正常運(yùn)行(operating rotating)下的擾力值;另一種是破壞狀態(tài)(Failure cond.rotating)下的擾力值，后者是前者的6倍。經(jīng)比較前者與《動(dòng)規(guī)》的經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果較為接近。還有的資料只提供破壞狀態(tài)下的擾力值(Unbalance load factor K due to unbalance)。

其中，fm為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率;L為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，在使用時(shí)注意折減。

德國(guó)《DIN標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范中僅提供了豎向和橫向擾力值計(jì)算，參照《動(dòng)規(guī)》縱向擾力值為橫向擾力值乘以0.5。

破壞狀態(tài)下的擾力值是設(shè)備在完全破壞，無(wú)法正常工作下產(chǎn)生的擾力。這個(gè)值不在我們的動(dòng)力驗(yàn)算范圍內(nèi)。

因此計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)擾力值應(yīng)取外方提供的正常運(yùn)行擾力值，或者根據(jù)《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的擾力值。若用外方提供的破壞狀態(tài)下的擾力值是不合適的。

3 等效靜力荷載(動(dòng)荷載)

等效靜力荷載也叫動(dòng)荷載，是在結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，考慮設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一個(gè)附加力。用于基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算。

3.1 轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》汽輪機(jī)和電機(jī)的動(dòng)荷載見(jiàn)表2。

表2 《動(dòng)規(guī)》等效靜力取值

3.2 轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min

透平式壓縮機(jī)，如氧氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)豎向動(dòng)荷載按式(4)計(jì)算，橫向動(dòng)荷載乘以0.25，縱向動(dòng)荷載乘以0.125:

其中，Wg為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，同《DIN標(biāo)準(zhǔn)》中的L。

3.3 國(guó)外設(shè)備資料

德國(guó)《DIN標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范中豎向靜力等效荷載為F，其中沒(méi)明確其他兩個(gè)方向的靜力等效荷載的取值，計(jì)算中一般取橫向F，縱向?yàn)?0.5F。

F=15K頻率取值見(jiàn)圖1。

綜上所述:以轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)作為算例:

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》公式計(jì)算最大值為64Pgi即12.8Wg;根據(jù)《DIN標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算，則有兩個(gè)值:K若為正常運(yùn)行狀態(tài)下的擾力值，則F=3L;K若為破壞狀態(tài)下的擾力值，則F=18L。

圖1 F=15K頻率取值

在進(jìn)行承載力驗(yàn)算時(shí)應(yīng)保證基礎(chǔ)在設(shè)備非正常運(yùn)行情況下不破壞。因此我們應(yīng)取F=18L。根據(jù)上面計(jì)算可知，根據(jù)《DIN標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算出的動(dòng)荷載比《動(dòng)規(guī)》計(jì)算的值大。國(guó)內(nèi)廠家提供設(shè)備時(shí)采用《動(dòng)規(guī)》中的動(dòng)荷載，國(guó)外廠家提供設(shè)備時(shí)采用《DIN標(biāo)準(zhǔn)》中破壞狀態(tài)下的動(dòng)荷載。若采用《DIN標(biāo)準(zhǔn)》中正常運(yùn)行下的動(dòng)荷載進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)是不安全的。

4 短路力矩

短路力矩是在啟動(dòng)的瞬間產(chǎn)生的一個(gè)很大的力，結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證在該狀態(tài)下的安全。該荷載用來(lái)計(jì)算基礎(chǔ)的強(qiáng)度，該荷載是由廠家提供。但是此荷載只是瞬時(shí)荷載，在設(shè)備正常運(yùn)行下是不存在的。在使用時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)，動(dòng)力系數(shù)大小為2.0。

5 荷載組合

荷載組合考慮荷載實(shí)際狀況:1)動(dòng)荷載和短路力矩不可能同時(shí)達(dá)到最大值。2)短路力矩與地震荷載不可能同時(shí)存在。因此取下列三種組合，進(jìn)行承載力驗(yàn)算時(shí)取三種組合中的最大值。

永久荷載與動(dòng)荷載組合:

永久荷載、動(dòng)荷載與短路力矩組合

永久荷載、動(dòng)荷載與地震荷載組合:

其中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4分別為永久荷載、動(dòng)荷載、短路力矩、地震荷載;ψ1，ψ2，ψ3，ψ4分別為永久荷載、動(dòng)荷載、短路力矩、地震荷載的組合值系數(shù);γ1，γ2，γ3，γ4分別為永久荷載、動(dòng)荷載、短路力矩、地震荷載的分項(xiàng)系數(shù)，詳見(jiàn)表3。

表3 荷載分項(xiàng)系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多個(gè)工程的檢驗(yàn)，上述荷載取值及荷載組合既保證了結(jié)構(gòu)動(dòng)力和靜力計(jì)算的安全，滿足運(yùn)行要求，同時(shí)也保證了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。綜上所述:1)通過(guò)對(duì)《動(dòng)規(guī)》和《DIN標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)比，進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用正常運(yùn)行狀態(tài)下的擾力值。2)在進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)應(yīng)采用破壞狀態(tài)下的動(dòng)荷載。動(dòng)荷載三個(gè)方向(橫向、縱向、豎向)中只同時(shí)考慮一個(gè)方向的力。3)短路力矩要考慮動(dòng)力系數(shù)。

［1］GB 50040-96，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］E.勞施 機(jī)器基礎(chǔ)［M］.武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

［3］DIN-4024-1-(1988)-machine foundations flexible structures that support machine with rotating element.