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活塞式压缩机基础的动力分析及设计
作者：赵春刚
来源：《中国科技博览》2013年第29期
摘要：通过对活塞式压缩机的基础的动力分析，确立了基础形式和几何尺寸，采取一种新的基础动力计算方法，使基础设计满足工程的使用要求。就活塞式压缩机基础的设计，讨论了动力参数出现偏差的原因及其影响。在动力分析中考虑这些因素，可使基础设计在更大的安全范围内满足工程要求。
关键词：压缩机 大块式基础 地基刚度 动力分析
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-071-01 1.引言
压缩机基础，承受着由机器的机器的自重和不平衡扰力引起的振动，如其振动过大，将会影响机器的加工精度或无法正常运转，甚至损坏机器和影响邻近的设备、仪器和人员的正常工作和生活，严重的还会危及建筑物的安全。因此，设计压缩机基础的基本目标是限制其振动幅值，以满足机器本身和附近设备、仪器的运转和不影响邻近工作人员和居民的工作和生活。按《动力机器基础设计规范》[1]要求，在基础动力分析和设计中必须充分考虑到多方面因素对计算结果的影响，使基础的设计安全可靠。 2. 工程概况
吉林油田伏龙泉气田新增压缩机工程中有一台大型活塞式压缩机，压缩机型号为RAM52，功率560kW，转速987转/min，总质量为37t。设备正常运转时，一谐水平（x向）扰力16.94kN，竖向扰力3.025kN，扭转向力矩12.294kN.m，回转向力矩1.431kN.m； 二谐水平（x向）扰力6.88kN，扭转向力矩3.44kN.m。设备制造厂要求基础的振动线位移不超过50μm。据机器底座的外形及工程地质资料，基础采用块体式混凝土基础，选择粉质粘土作为基础持力层（fk=150kPa），基础的顶面外型尺寸初步定位9.62m×4.56m（ Lx×Ly） ，埋深为-1.8m，块体基础采用C30混凝土。 3.压缩机基础的动力分析
工程设计的首要目标是使压缩机正常运转时基础的振动足够小。基础的振动特性受地基动力参数、基础尺寸等多方面因素的影响。在其他因素确定后可通过调整基础尺寸来改善基础的振动特性，满足振动线位移不超过50μm，最大振动速度不应大于6.3mm/s的要求。通过下面分析来确定基础的设计参数，根据《动力机器基础设计规范》 [1] 进行基础动力计算，根据计算和分析的结果调整基础尺寸，使基础的动力特性满足要求。
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1.地基动力参数的确定
动力计算过程中，扭转振动试验采用常扰力方法，竖向振动和水平回转振动试验均采用变频变扰力方法，地基动力参数是影响动力分析准确性的主要因素。在地基动力参数确定需要考虑各方面因素的影响，下面对基础动力分析中的地基刚度系数C和地基阻尼比ξ这两个重要参数进行详细分析。 1.1地基的刚度系数C
在进行地基动力计算时，天然地基的刚度参数取值必须力求准确。当无条件进行实验并有经验时，天然地基的抗压刚度系数值，可按下列规定确定： ○1当基础底面积大于或等于20m2时，可按表-1采用.
○2当基础底面积小于20m2时，抗压刚度系数值采用表1中的数值乘以底面积修正系数，修正系数 ，式中βR –底面积修正系数；A-基础底面积（m2）。 天然地基的抗压刚度系数CZ值（KN/m3） 表-1 地基承载力的
在基础影响深度范围内可能存在弹性性质差异较大的不同土层，地基抗压刚度也会随土层深度的变化而变化。《地基动力特性测试规范》[2]中在用基底面积进行参数修正时，规定了一个基底面积的上限，当基底的面积A>20m2，就按照A = 20m2 来进行参数修正。而本工程的压缩机基础底面积超过了40m2 ，若简单按照A =20m2进行参数修正可能造成较大的误差。根据弹性半空间理论[4] ，地基垂直向的地基刚度系数Cz和水平向的地基刚度系数Cx，由下式定义：
式中： υ为土的泊松比；G为土的剪切模量，其表达式为G = Ed/2（ 1+ υ） ，Ed 为地基的动弹性模量，Bz，Bx为形状修正系数。 （2） 地基阻尼比ξ
阻尼比的大小不仅与基础的埋置深度有关， 还与基础的振动形式、基础的质量比以及土质有关。在机器基础动力计算中，阻尼比对基础振动起着相当重要的影响，选择合适的基础埋深、基础底面积和基础的质量比，以得到合理的阻尼比，使动力机器基础的设计满足基础振动的使用要求至关重要。地基阻尼比ξ对基础的动力响应起降低的作用，尤其是在共振区，对动力反应的峰值有明显的削弱作用。为了提高设计的安全性，英国标准BSI CP 2012[3] 规定，在共振区（ 0.7 ≤fm/fn ≤1.3） 范围内，ξ的取值不应该超过0.1。 2.基础动力计算和分析
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为使压缩机基础的设计安全可靠，在基础动力分析时需考虑动力参数偏差对设计的影响。动力计算依照《动力机器基础设计规范》[1] 进行，为了提高设计共振时的安全系数，各振型的阻尼比ξ的值在0.17～0.24 之间，对各振型均选取ξ= 0.1。在进行动力计算时允许地基刚度系数在一定范围内变化。通过选取合理的Ly ，使得当地基刚度参数误差和变化在一定范围内时，压缩机基础的设计都能达到足够的安全性。为此，定义地基的刚度系数比r =Ct / C0，其中Ct为实际的地基刚度系数值，C0 为按照《地基动力特性测试规范》[2]修正后得到的地基刚度系数值。比值r反映实际地基刚度与试验测定的地基刚度的差异。在动力计算中允许r在一定范围内变化，分析地基的振幅与r，以及地基宽度Ly的关系，以便最终确定Ly。计算表明，压缩机的基础顶面上点 的振幅最大，以该点作为控制点，计算其振幅与r及Ly的关系。计算中约定r的变化范围在0.5～2.0 之间，基础宽度分别取3.5，4，4.5，6m。结果显示，当刚度系数比r在指定范围内变化时，压缩机基础的振幅随r的增大下降。 4.结论
通过对块体基础的动力计算可以看出，地基动力参数的取值将直接影响到动力计算结果的准确性。机器基础设计时， 尽可能使基组的自振频率和机器工作时的扰力频率相差25%以上，避免基组在其振区内工作；在计算机器基础的动力反应时， 选择地基土的动力参数要力求准确， 并留有适当的安全系数。对于重要或大型的机器基础， 宜用现场试验来取得地基土的动力参数。在设计中可使其自振频率高于机器的扰力频率， 使基组处于共振前工作， 此时， 地基刚度取得低一点， 则算出的自振频率偏小， 因而是偏于安全的。因此，在进行动力计算时应考虑到地基刚度系数的偏差和变化性，以使分析和设计更加安全。地基阻尼比参数在基础共振时对动力计算的结果也有很大影响，在动力计算时应对阻尼比的取值进行限制，动力基础计算需要反复调整基础参数，让扰力频率错开基组频率，以便保障机器设备的安全运行。 参考文献：
[1]《动力机器基础设计规范》（GB 50040-96）.中国计划出版社，1996. [2]《地基动力特性测试规范》（GB/T50269-97）.中国计划出版社，1997.
[3]British Standards Institution （BSI）.Code of practice for foundations for machinery （CP 2012）1974.
[4]林在贯等. 岩土工程手册. 中国建筑工业出版社，1994.