机器基础

机器基础按扰力可分为产生周期力的基础，如往复式压缩机基础或透平机基础；和产生非周期力的基础，如锻锤基础。按结构可分为大块式、箱式、墙式、构架式、混合式及片筏基础（见基础）。

一般弹性振动体系有四要素：扰力Q(t）或x(t）、质量m、刚度K与 阻尼系数C。就机器基础-土体系而言，质量是指机器与基础的质量，刚度与阻尼系数由地基土动力特性决定。引起振动的外因是激发，它分自然激发（风、浪、地震）和人工激发（爆炸、车辆、施工、机器）。它们以扰力Q(t）或扰动x(t）的形式作用于基础。扰力是大小或方向随时间改变的力，扰动是大小或方向随时间而改变的运动，故激发是时间的函数。根据该函数形式的不同，激发可分周期激发与非周期激发、连续型与非连续型。

最常见的一种激发是用余弦（或正弦）函数表示的连续型的周期稳态激发。可用Q(t)=Q0cosωt表示稳态扰力，当Q0为常数时，称Q(t）为定幅扰力。当Q0为离心力时，即Q0=meeω2（式中me为偏心块质量；e为偏心距；ω为机器转速即扰频率）时，称Q(t）为频变扰力。这两类稳态扰力的波形都呈余弦型。

动力反应是激发引起的后果。它通常指基础的运动状态，且大都用基础的振动时程曲线（振动波形）表示，但有时也用基础的振幅频率曲线即共振曲线表示。除运动状态外，动力反应也可指基础的动应力状态。

当动力反应以振动波形表示时，它是时间的函数。受稳态扰力的基础，其振动波形总是余弦型而与稳态扰力类型及阻尼无关（阻尼是能量随时间与距离的耗散）。如在稳态扰力作用下基础发生稳态振动，其垂直振动可用z=Acos（ωt-嗘）表示（式中A为振幅；嗘）为相位差，此角来源于地基土的阻尼，它意味着最大位移的出现晚于最大扰力的出现，其间时差折算成角度便是相位差）。

同一基础受两类不同稳态扰力的作用，其振动波形均为余弦型，但共振曲线不同，如图1所示，定幅扰力下的共振曲线有截距、峰点为c、以ω 轴为渐近线；频变扰力下的共振曲线无截距、峰点为e、以平行于ω 轴的直线为渐近线；两者的峰点频率相比，后者大于前者。

其目的在于保证机器本身的正常使用和防止对邻近机器、建筑物的危害及减少对周围人员的影响。设计机器基础时应先确定 基础对动荷载的反应。动荷载引起的惯性力，如果是基础所受的全部荷载中的一个重要部分，则应对基础作动力计算；如果运动是缓慢的，惯性力可以略去不计时，则可以不考虑荷载的动力特性，而将动荷载变为当量静荷载考虑。对后一情况，基础不需要进行动力计算（如一般的机床基础和水压机基础）。

对于需要进行动力计算的机器基础，都应根据当地的地质条件和周围环境，首先满足静荷载下地基土的设计要求，然后再满足动荷载所附加的设计要求，即基础的振动不超过容许振动限值。容许振动限值根据下列条件制定：①应保证机器的正常运转；②由基础产生的振动，对邻近的仪表、机器、建筑物以及附近的人员不产生有害的影响。

设计机器基础前，须收集下列资料作为依据：①机器的技术性能，包括型号、工作转速、重量（机器总重、有些机器还应列出转子或定子的重量）、轴的临界转速、功率、传动方式、重心位置及轮廓尺寸等。②机器的不平衡扰力和扰力矩及作用位置，其他荷载的分布位置、面积、大小、方向等。③工艺布置图，包括各种动力机器的位置（如螺栓安装位置、辅助机器及管道安装位置等），需隔振的机器、仪表的位置及隔振要求。④对基础的要求，包括机器底座的轮廓尺寸和基础平面位置图；辅助机器、管道位置以及沟、坑、洞的位置和尺寸图；二次灌浆的厚度和尺寸；锚固螺栓、预埋件的尺寸和位置等。⑤拟建场地的工程地质和水文地质资料，包括室内或原位测试所得的土动力参数。

① 确定容许振动限值。对承受动荷载的基础应采用工作状态（或某一特定频率）时振幅的极限值，或峰值速度的极限值，或峰值加速度的极限值作为设计标准。这些极限值是根据设计功能遭到“破坏”的原则确定的。

② 确定动荷载。动荷载的类型不同，随时间改变的规律也各异，作用于机器基础上的性质也就不同。如果动荷载随时间的变化是已知的（这种荷载称为非随机荷载，如谐振荷载、周期荷载、冲击荷载等）。则反应分析通常称为数定分析。如果荷载随时间的变化不是完全已知的（这种荷载称为随机荷载），则反应分析可从统计结果中进行，称为非数定分析。

动荷载作用下的基础反应用基础位移表示。数定分析能导出相应于非随机荷载下的位移-时间过程。基础的其他数定反应（如应力、应变、内力等反应）可从位移反应中求得。非数定分析只能提供有关位移的统计资料；由于位移随时间的变化是不确定的，基础的其他数定反应必须用特定的非数定分析方法直接计算。

③ 选择机器基础计算模型。常用的计算模型有基床反力模型和弹性半空间模型（见 机器基础计算模型）。为了尽量避免基础与机器发生共振，必须慎重选择地基土的动力参数。

④ 选择基础方案、确定基础形式和尺寸。基础振动的大小直接与机器本身扰力的大小和扰力作用点的位置有关。因此，要求机器尽量减少扰力并降低作用点的位置，力求机器与基础联合重心与基础底面形心位于同一垂直线上，并尽量使扰力作用线与机组轴线位于基础对称面内。

基础尺寸最后应保证振动计算值在容许振动限值以内，否则应采取减振措施（如调整扰力；增大阻尼、刚度或质量；设置吸振器等）或隔振措施（见 机器基础隔振）。

机器基础不宜与建筑物以及它们的基础连接，以免基础振动对建筑物的影响。对承受振动的管道不宜直接搁置在建筑物上，以免管道振动传到建筑物上引起建筑物局部共振。此外，必须注意机器基础的构造，并保证基础整体刚度，防止构件的过大变形和开裂。

机器基础对激发的动力反应主要表现为振动。振动紧密地联系于激发，首先联系于基础本身机器的运动类型。视机器运动类型的不同，振动有以下几种形式：

是单纯余弦波型的振动。发电机、电动机的基础的振动属于此类（图2a）。简谐振动是最简单的一种周期运动。周期振动是对周期激发的动力反应。

为两个或数个频率不同的余弦型振动的叠加，具有曲柄连杆的空压机基础的振动属于此类（图2b）。复合周期振动虽亦属于周期振动，但其波形不再呈余弦型。

以上都属于强迫振动，其特点是：振动与扰力同时存在，两者同频率，且每有一个扰力即有一个同频的振动与之对应，在连续周期激发下振动的大小周而复始，不随时间衰减和消逝，故也称稳态振动。

是有阻尼的自由振动（图2c），如锻锤基础的振动属于此类。自由振动由初速度引起或由初位移所引起。有阻尼自由振动的特点是：扰力作用时间很短，在扰力撤离之后，基础按其固有频率振动，但因阻尼的存在，振动逐渐衰减，终归于静止，故有阻尼振动亦称瞬时振动。瞬时振动的波形为z=A1ecos（ωdt－嗘0。式中A1、嗘0取决于自由振动所赖以发生的初始条件，如锻锤基础的初始条件为凩0（初速度）厵0，z0（初位移）=0，位移计算公式为

式中D为阻尼比，是实际阻尼对临界阻尼之比；ωn为无阻 尼固有频率；ωd为有阻尼固有频率。

可分别从实测无阻尼和有阻尼自由振动波形的周期中推算出来。

E.劳施著，武汉钢铁设计研究院译：《机器基础》上下册，冶金工业出版社，北京，1981。（E.Rausch,Maschinen-Fundamente　und　andere　Dynamisch Beanspruchte Baukonstruktionen,VDI-Verlag，Ber-lin，1968.）

严人觉等著：《动力基础半空间理论概论》，中国建筑工业出版社，北京，1981。