框架式动力机器荷载探讨

龚宗宜 石 军 刘华伟

(中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430080)

目前在我国冶金行业中，随着各个钢铁厂的产能不断扩大，所使用的动力机器(诸如空气压缩机、鼓风机、电机、汽轮机等)功率也越来越大，转速越来越高，对基础支撑体系的要求也越来越严格。由于机器设备厂家各不相同，所提供的用于计算的荷载存在着一定的差异，给设计工作带来了一定的困难。在多年的设计过程中发现设计人对动力机器基础的荷载使用比较混乱。导致设计结果或者不安全，或者偏于保守。本文就冶金行业常见的电机、汽轮机、透平式压缩机进行讨论，提出动力机器基础荷载的取值及组合中应注意的问题。

1 基础永久荷载

永久荷载包括基础自重和设备厂商提供的设备重量。基础自重根据设计的尺寸计算。一般情况下设备厂商会精确的列出动力机器作用在基础上的设备重量和位置。基础永久荷载按照常规的方法使用即可。

2 强迫振动分析时的扰力

转子质量分布的不均匀产生偏心，在旋转时受惯性作用产生离心力，即为扰力。扰力是进行基础动力计算的主要荷载，用来验算基础的振动速度和位移。我们分析了国内厂家(杭氧、陕鼓)和德国的西门子，MAN TURBO等公司的资料。不同的设备厂家所提供的扰力是有差别的。

目前框架式动力基础计算的主要依据为国家标准GB 50040-96动力机器基础设计规范，以下文章中简称《动规》。厂家没有提供可以按照《动规》中给出的相应的公式进行扰力值的计算。例如陕鼓的资料中会提供每个作用点或总的扰力值，而杭氧一般不提供，需要根据公式来计算。而对于德国的西门子，MAN TURBO等公司的资料，它们所提供的扰力是根据德国的标准《Machine foundations flexible structures that support machines with rotating elements》(DIN 4024)来计算的，以下文章中简称《DIN标准》。下面根据这两本规范对扰力的取值进行论述。

2.1 转速小于3 000 r/min

GB 50040-96动规中汽轮机和电机扰力值的计算见表1(只适合转速小于3 000 r/min)，若是大于3 000 r/min则需厂家提供详细的资料。

表1 《动规》扰力取值

非表1中转速的扰力值见式(1):

2.2 转速大于3 000 r/min

透平压缩机的竖向和横向扰力(只适合转速大于3 000 r/min)按式(2)计算，纵向扰力值乘以0.5。若是低于3 000 r/min应由厂家提供资料。

2.3 国外设备资料

国外设备资料一般提供两个值，一种是正常运行(operating rotating)下的扰力值;另一种是破坏状态(Failure cond.rotating)下的扰力值，后者是前者的6倍。经比较前者与《动规》的经验公式结果较为接近。还有的资料只提供破坏状态下的扰力值(Unbalance load factor K due to unbalance)。

其中，fm为转动频率;L为转子的质量，在使用时注意折减。

德国《DIN标准》规范中仅提供了竖向和横向扰力值计算，参照《动规》纵向扰力值为横向扰力值乘以0.5。

破坏状态下的扰力值是设备在完全破坏，无法正常工作下产生的扰力。这个值不在我们的动力验算范围内。

因此计算时结构扰力值应取外方提供的正常运行扰力值，或者根据《动规》计算的扰力值。若用外方提供的破坏状态下的扰力值是不合适的。

3 等效静力荷载(动荷载)

等效静力荷载也叫动荷载，是在结构进行静力计算时，考虑设备转动对结构产生的一个附加力。用于基础强度验算。

3.1 转速小于3 000 r/min

根据《动规》汽轮机和电机的动荷载见表2。

表2 《动规》等效静力取值

3.2 转速大于3 000 r/min

透平式压缩机，如氧气压缩机空气压缩机竖向动荷载按式(4)计算，横向动荷载乘以0.25，纵向动荷载乘以0.125:

其中，Wg为转子质量，同《DIN标准》中的L。

3.3 国外设备资料

德国《DIN标准》规范中竖向静力等效荷载为F，其中没明确其他两个方向的静力等效荷载的取值，计算中一般取横向F，纵向为 0.5F。

F=15K频率取值见图1。

综上所述:以转速为3 000转的汽轮机作为算例:

根据《动规》公式计算最大值为64Pgi即12.8Wg;根据《DIN标准》计算，则有两个值:K若为正常运行状态下的扰力值，则F=3L;K若为破坏状态下的扰力值，则F=18L。

图1 F=15K频率取值

在进行承载力验算时应保证基础在设备非正常运行情况下不破坏。因此我们应取F=18L。根据上面计算可知，根据《DIN标准》计算出的动荷载比《动规》计算的值大。国内厂家提供设备时采用《动规》中的动荷载，国外厂家提供设备时采用《DIN标准》中破坏状态下的动荷载。若采用《DIN标准》中正常运行下的动荷载进行计算，结构是不安全的。

4 短路力矩

短路力矩是在启动的瞬间产生的一个很大的力，结构应该保证在该状态下的安全。该荷载用来计算基础的强度，该荷载是由厂家提供。但是此荷载只是瞬时荷载，在设备正常运行下是不存在的。在使用时应考虑动力系数，动力系数大小为2.0。

5 荷载组合

荷载组合考虑荷载实际状况:1)动荷载和短路力矩不可能同时达到最大值。2)短路力矩与地震荷载不可能同时存在。因此取下列三种组合，进行承载力验算时取三种组合中的最大值。

永久荷载与动荷载组合:

永久荷载、动荷载与短路力矩组合

永久荷载、动荷载与地震荷载组合:

其中，F1，F2，F3，F4分别为永久荷载、动荷载、短路力矩、地震荷载;ψ1，ψ2，ψ3，ψ4分别为永久荷载、动荷载、短路力矩、地震荷载的组合值系数;γ1，γ2，γ3，γ4分别为永久荷载、动荷载、短路力矩、地震荷载的分项系数，详见表3。

表3 荷载分项系数

6 结语

经过多个工程的检验，上述荷载取值及荷载组合既保证了结构动力和静力计算的安全，满足运行要求，同时也保证了设计的经济性。综上所述:1)通过对《动规》和《DIN标准》对比，进行动力计算时，应采用正常运行状态下的扰力值。2)在进行静力计算时应采用破坏状态下的动荷载。动荷载三个方向(横向、纵向、竖向)中只同时考虑一个方向的力。3)短路力矩要考虑动力系数。

［1］GB 50040-96，动力机器基础设计规范［S］.

［2］E.劳施 机器基础［M］.武汉钢铁设计研究院，译.北京:冶金工业出版社，1982.

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