機器基礎

裝有各種動力機器設備的、在激發作用下發生振動的基礎。 振動是物體對其靜力平衡位置所作的往復運動。基礎振動常用周期、頻率與幅值表達。 周期T是振動一次所需時間；每秒鐘的振動次數稱為頻率f=1/T,將之換算成角速度則稱（角）圓頻率ω=2πf；幅值是指從靜力平衡位置算起的擾力、位移、速度或加速度的最大值，其中擾力的幅值稱為擾力幅Q0，位移的幅值稱為振幅A。

基本介紹

• 中文名：機器基礎 
• 外文名：machine foundation  
• 含義：在激發作用下發生振動的基礎 
• 分類：大塊式、箱式、牆式等 
• 要素：擾力 質量等
• 形式：振動

分類

機器基礎按擾力可分為產生周期力的基礎，如往復式壓縮機基礎或透平機基礎；和產生非周期力的基礎，如鍛錘基礎。按結構可分為大塊式、箱式、牆式、構架式、混合式及片筏基礎（見基礎）。

激發與反應

一般彈性振動體系有四要素：擾力Q(t）或x(t）、質量m、剛度K與阻尼係數C。就機器基礎-土體系而言，質量是指機器與基礎的質量，剛度與阻尼係數由地基土動力特性決定。引起振動的外因是激發，它分自然激發（風、浪、地震）和人工激發（爆炸、車輛、施工、機器）。它們以擾力Q(t）或擾動x(t）的形式作用於基礎。擾力是大小或方向隨時間改變的力，擾動是大小或方向隨時間而改變的運動，故激發是時間的函式。根據該函式形式的不同，激發可分周期激發與非周期激發、連續型與非連續型。

動力反應是激發引起的後果。它通常指基礎的運動狀態，且大都用基礎的振動時程曲線（振動波形）表示，但有時也用基礎的振幅頻率曲線即共振曲線表示。除運動狀態外，動力反應也可指基礎的動應力狀態。

當動力反應以振動波形表示時，它是時間的函式。受穩態擾力的基礎，其振動波形總是餘弦型而與穩態擾力類型及阻尼無關（阻尼是能量隨時間與距離的耗散）。

同一基礎受兩類不同穩態擾力的作用，其振動波形均為餘弦型，但共振曲線不同，定幅擾力下的共振曲線有截距、峰點為c、以ω 軸為漸近線；頻變擾力下的共振曲線無截距、峰點為e、以平行於ω 軸的直線為漸近線；兩者的峰點頻率相比，後者大於前者。

設計

綜述

動力機器基礎概念設計就是針對不同的動力機 器基礎提出合理的結構形式，平、立面配置，基本構件 尺寸和構造，以保證結構設計的合理性。 概念設計不 等於結構設計，僅是結構設計的基礎和前提條件。 在動力荷載作用下，如基組固有頻率與機器擾 力頻率相同就會產生共振效應。 影響基礎振動的主 要因素是機器的擾頻、地基剛度、基組質量等。 防止 共振的發生就要使基組的固有頻率與擾力頻率儘量 錯開。 動力機器基礎振動對機器及環境都會產生不 利的影響，振動事故處理的難度也較大，因此，在動 力機器基礎設計伊始，結構設計人員就應該對振動 問題產生足夠的重視。

其目的在於保證機器本身的正常使用和防止對鄰近機器、建築物的危害及減少對周圍人員的影響。設計機器基礎時應先確定基礎對動荷載的反應。動荷載引起的慣性力，如果是基礎所受的全部荷載中的一個重要部分，則應對基礎作動力計算；如果運動是緩慢的，慣性力可以略去不計時，則可以不考慮荷載的動力特性，而將動荷載變為當量靜荷載考慮。對後一情況，基礎不需要進行動力計算（如一般的工具機基礎和水壓機基礎）。

對於需要進行動力計算的機器基礎，都應根據當地的地質條件和周圍環境，首先滿足靜荷載下地基土的設計要求，然後再滿足動荷載所附加的設計要求，即基礎的振動不超過容許振動限值。容許振動限值根據下列條件制定：①應保證機器的正常運轉；②由基礎產生的振動，對鄰近的儀表、機器、建築物以及附近的人員不產生有害的影響。

設計依據

設計機器基礎前，須收集下列資料作為依據：①機器的技術性能，包括型號、工作轉速、重量（機器總重、有些機器還應列出轉子或定子的重量）、軸的臨界轉速、功率、傳動方式、重心位置及輪廓尺寸等。②機器的不平衡擾力和擾力矩及作用位置，其他荷載的分布位置、面積、大小、方向等。③工藝布置圖，包括各種動力機器的位置（如螺栓安裝位置、輔助機器及管道安裝位置等），需隔振的機器、儀表的位置及隔振要求。④對基礎的要求，包括機器底座的輪廓尺寸和基礎平面位置圖；輔助機器、管道位置以及溝、坑、洞的位置和尺寸圖；二次灌漿的厚度和尺寸；錨固螺栓、預埋件的尺寸和位置等。⑤擬建場地的工程地質和水文地質資料，包括室內或原位測試所得的土動力參數。

設計步驟

① 確定容許振動限值。對承受動荷載的基礎應採用工作狀態（或某一特定頻率）時振幅的極限值，或峰值速度的極限值，或峰值加速度的極限值作為設計標準。這些極限值是根據設計功能遭到“破壞”的原則確定的。

② 確定動荷載。動荷載的類型不同，隨時間改變的規律也各異，作用於機器基礎上的性質也就不同。如果動荷載隨時間的變化是已知的（這種荷載稱為非隨機荷載，如諧振荷載、周期荷載、衝擊荷載等）。則反應分析通常稱為數定分析。如果荷載隨時間的變化不是完全已知的（這種荷載稱為隨機荷載），則反應分析可從統計結果中進行，稱為非數定分析。

動荷載作用下的基礎反套用基礎位移表示。數定分析能導出相應於非隨機荷載下的位移-時間過程。基礎的其他數定反應（如應力、應變、內力等反應）可從位移反應中求得。非數定分析只能提供有關位移的統計資料；由於位移隨時間的變化是不確定的，基礎的其他數定反應必須用特定的非數定分析方法直接計算。

③ 選擇機器基礎計算模型。常用的計算模型有基床反力模型和彈性半空間模型（見機器基礎計算模型）。為了儘量避免基礎與機器發生共振，必須慎重選擇地基土的動力參數。

④ 選擇基礎方案、確定基礎形式和尺寸。基礎振動的大小直接與機器本身擾力的大小和擾力作用點的位置有關。因此，要求機器儘量減少擾力並降低作用點的位置，力求機器與基礎聯合重心與基礎底面形心位於同一垂直線上，並儘量使擾力作用線與機組軸線位於基礎對稱面內。

基礎尺寸最後應保證振動計算值在容許振動限值以內，否則應採取減振措施（如調整擾力；增大阻尼、剛度或質量；設定吸振器等）或隔振措施（見機器基礎隔振）。

機器基礎不宜與建築物以及它們的基礎連線，以免基礎振動對建築物的影響。對承受振動的管道不宜直接擱置在建築物上，以免管道振動傳到建築物上引起建築物局部共振。此外，必須注意機器基礎的構造，並保證基礎整體剛度，防止構件的過大變形和開裂。

形式

機器基礎對激發的動力反應主要表現為振動。振動緊密地聯繫於激發，首先聯繫於基礎本身機器的運動類型。視機器運動類型的不同，振動有以下幾種形式：

簡諧振動

是單純餘弦波型的振動。發電機、電動機的基礎的振動屬於此類（圖2a）。簡諧振動是最簡單的一種周期運動。周期振動是對周期激發的動力反應。

複合周期振動

為兩個或數個頻率不同的餘弦型振動的疊加，具有曲柄連桿的空壓機基礎的振動屬於此類（圖2b）。複合周期振動雖亦屬於周期振動，但其波形不再呈餘弦型。

以上都屬於強迫振動，其特點是：振動與擾力同時存在，兩者同頻率，且每有一個擾力即有一個同頻的振動與之對應，在連續周期激發下振動的大小周而復始，不隨時間衰減和消逝，故也稱穩態振動。

瞬時振動

是有阻尼的自由振動，如鍛錘基礎的振動屬於此類。自由振動由初速度引起或由初位移所引起。有阻尼自由振動的特點是：擾力作用時間很短，在擾力撤離之後，基礎按其固有頻率振動，但因阻尼的存在，振動逐漸衰減，終歸於靜止，故有阻尼振動亦稱瞬時振動。