框架式動力機器荷載探討

龔宗宜 石 軍 劉華偉

(中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430080)

目前在我國冶金行業中，隨著各個鋼鐵廠的產能不斷擴大，所使用的動力機器(諸如空氣壓縮機、鼓風機、電機、汽輪機等)功率也越來越大，轉速越來越高，對基礎支撐體系的要求也越來越嚴格。由于機器設備廠家各不相同，所提供的用于計算的荷載存在著一定的差異，給設計工作帶來了一定的困難。在多年的設計過程中發現設計人對動力機器基礎的荷載使用比較混亂。導致設計結果或者不安全，或者偏于保守。本文就冶金行業常見的電機、汽輪機、透平式壓縮機進行討論，提出動力機器基礎荷載的取值及組合中應注意的問題。

1 基礎永久荷載

永久荷載包括基礎自重和設備廠商提供的設備重量。基礎自重根據設計的尺寸計算。一般情況下設備廠商會精確的列出動力機器作用在基礎上的設備重量和位置。基礎永久荷載按照常規的方法使用即可。

2 強迫振動分析時的擾力

轉子質量分布的不均勻產生偏心，在旋轉時受慣性作用產生離心力，即為擾力。擾力是進行基礎動力計算的主要荷載，用來驗算基礎的振動速度和位移。我們分析了國內廠家(杭氧、陜鼓)和德國的西門子，MAN TURBO等公司的資料。不同的設備廠家所提供的擾力是有差別的。

目前框架式動力基礎計算的主要依據為國家標準GB 50040-96動力機器基礎設計規范，以下文章中簡稱《動規》。廠家沒有提供可以按照《動規》中給出的相應的公式進行擾力值的計算。例如陜鼓的資料中會提供每個作用點或總的擾力值，而杭氧一般不提供，需要根據公式來計算。而對于德國的西門子，MAN TURBO等公司的資料，它們所提供的擾力是根據德國的標準《Machine foundations flexible structures that support machines with rotating elements》(DIN 4024)來計算的，以下文章中簡稱《DIN標準》。下面根據這兩本規范對擾力的取值進行論述。

2.1 轉速小于3 000 r/min

GB 50040-96動規中汽輪機和電機擾力值的計算見表1(只適合轉速小于3 000 r/min)，若是大于3 000 r/min則需廠家提供詳細的資料。

表1 《動規》擾力取值

非表1中轉速的擾力值見式(1):

2.2 轉速大于3 000 r/min

透平壓縮機的豎向和橫向擾力(只適合轉速大于3 000 r/min)按式(2)計算，縱向擾力值乘以0.5。若是低于3 000 r/min應由廠家提供資料。

2.3 國外設備資料

國外設備資料一般提供兩個值，一種是正常運行(operating rotating)下的擾力值;另一種是破壞狀態(Failure cond.rotating)下的擾力值，后者是前者的6倍。經比較前者與《動規》的經驗公式結果較為接近。還有的資料只提供破壞狀態下的擾力值(Unbalance load factor K due to unbalance)。

其中，fm為轉動頻率;L為轉子的質量，在使用時注意折減。

德國《DIN標準》規范中僅提供了豎向和橫向擾力值計算，參照《動規》縱向擾力值為橫向擾力值乘以0.5。

破壞狀態下的擾力值是設備在完全破壞，無法正常工作下產生的擾力。這個值不在我們的動力驗算范圍內。

因此計算時結構擾力值應取外方提供的正常運行擾力值，或者根據《動規》計算的擾力值。若用外方提供的破壞狀態下的擾力值是不合適的。

3 等效靜力荷載(動荷載)

等效靜力荷載也叫動荷載，是在結構進行靜力計算時，考慮設備轉動對結構產生的一個附加力。用于基礎強度驗算。

3.1 轉速小于3 000 r/min

根據《動規》汽輪機和電機的動荷載見表2。

表2 《動規》等效靜力取值

3.2 轉速大于3 000 r/min

透平式壓縮機，如氧氣壓縮機空氣壓縮機豎向動荷載按式(4)計算，橫向動荷載乘以0.25，縱向動荷載乘以0.125:

其中，Wg為轉子質量，同《DIN標準》中的L。

3.3 國外設備資料

德國《DIN標準》規范中豎向靜力等效荷載為F，其中沒明確其他兩個方向的靜力等效荷載的取值，計算中一般取橫向F，縱向為 0.5F。

F=15K頻率取值見圖1。

綜上所述:以轉速為3 000轉的汽輪機作為算例:

根據《動規》公式計算最大值為64Pgi即12.8Wg;根據《DIN標準》計算，則有兩個值:K若為正常運行狀態下的擾力值，則F=3L;K若為破壞狀態下的擾力值，則F=18L。

圖1 F=15K頻率取值

在進行承載力驗算時應保證基礎在設備非正常運行情況下不破壞。因此我們應取F=18L。根據上面計算可知，根據《DIN標準》計算出的動荷載比《動規》計算的值大。國內廠家提供設備時采用《動規》中的動荷載，國外廠家提供設備時采用《DIN標準》中破壞狀態下的動荷載。若采用《DIN標準》中正常運行下的動荷載進行計算，結構是不安全的。

4 短路力矩

短路力矩是在啟動的瞬間產生的一個很大的力，結構應該保證在該狀態下的安全。該荷載用來計算基礎的強度，該荷載是由廠家提供。但是此荷載只是瞬時荷載，在設備正常運行下是不存在的。在使用時應考慮動力系數，動力系數大小為2.0。

5 荷載組合

荷載組合考慮荷載實際狀況:1)動荷載和短路力矩不可能同時達到最大值。2)短路力矩與地震荷載不可能同時存在。因此取下列三種組合，進行承載力驗算時取三種組合中的最大值。

永久荷載與動荷載組合:

永久荷載、動荷載與短路力矩組合

永久荷載、動荷載與地震荷載組合:

其中，F1，F2，F3，F4分別為永久荷載、動荷載、短路力矩、地震荷載;ψ1，ψ2，ψ3，ψ4分別為永久荷載、動荷載、短路力矩、地震荷載的組合值系數;γ1，γ2，γ3，γ4分別為永久荷載、動荷載、短路力矩、地震荷載的分項系數，詳見表3。

表3 荷載分項系數

6 結語

經過多個工程的檢驗，上述荷載取值及荷載組合既保證了結構動力和靜力計算的安全，滿足運行要求，同時也保證了設計的經濟性。綜上所述:1)通過對《動規》和《DIN標準》對比，進行動力計算時，應采用正常運行狀態下的擾力值。2)在進行靜力計算時應采用破壞狀態下的動荷載。動荷載三個方向(橫向、縱向、豎向)中只同時考慮一個方向的力。3)短路力矩要考慮動力系數。

［1］GB 50040-96，動力機器基礎設計規范［S］.

［2］E.勞施 機器基礎［M］.武漢鋼鐵設計研究院，譯.北京:冶金工業出版社，1982.

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