[科普中国]-机器基础

装有各种动力机器设备的、在激发作用下发生振动的基础。 振动是物体对其静力平衡位置所作的往复运动。基础振动常用周期、频率与幅值表达。 周期T是振动一次所需时间；每秒钟的振动次数称为频率f=1/T,将之换算成角速度则称（角）圆频率ω=2πf；幅值是指从静力平衡位置算起的扰力、位移、速度或加速度的最大值，其中扰力的幅值称为扰力幅Q0，位移的幅值称为振幅A。

分类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）。

激发与反应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。

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）。

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，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。

设计综述动力机器基础概念设计就是针对不同的动力机 器基础提出合理的结构形式，平、立面配置，基本构件 尺寸和构造，以保证结构设计的合理性。 概念设计不 等于结构设计，仅是结构设计的基础和前提条件。 在动力荷载作用下，如基组固有频率与机器扰 力频率相同就会产生共振效应。 影响基础振动的主 要因素是机器的扰频、地基刚度、基组质量等。 防止 共振的发生就要使基组的固有频率与扰力频率尽量 错开。 动力机器基础振动对机器及环境都会产生不 利的影响，振动事故处理的难度也较大，因此，在动 力机器基础设计伊始，结构设计人员就应该对振动 问题产生足够的重视1。

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。

设计依据设计机器基础前，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。

设计步骤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。

形式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：

简谐振动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。

复合周期振动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2。

瞬时振动是有阻尼的自由振动，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。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学