砂石料加工系统破碎基础设计分析

孟可

【摘要】随着建筑业的飞速发展，商品砂石料的需求量也越来越大，为了保护自然环境，国家出台一系列相关政策法规，对商品砂石料的开采加工提出了更高的要求。砂石料加工系统主要为商品混凝土站提供不同级配的砂石料，系统中破碎设备动力设计分析是系统结构设计的关键点。

【关键词】砂石料；破碎；动力计算

1.砂石料加工系统中破碎设备简介

破碎工艺是砂石料加工系统中的关键工序，一般包含粗碎、中细碎、超细碎等环节，破碎设备主要包含颚式破碎机、圆锥破碎机、立轴冲击破等，用于对不同粒径开采料的破碎。

2.动力设计原则

砂石加工系统中，破碎车间根据工艺需要和结构特点主要采用钢筋混凝土结构型式。在结构计算方面，采用静力计算、动力校核的方法进行。静力计算即不考虑支承结构的动力性能及设备的动力作用，将设备及物料自重按规范（或手册）要求进行荷载组合后，视为作用在支承结构上的荷载，按静力的一般计算方法，计算支承结构的内力及设计结构截面，使支承结构在工作时有足够的强度和稳定性。动力校核即在静力设计所选定结构截面的基础上，按照结构动力学的计算方法，计算支承结构的固有振动频率及动位移，保证支承结构不发生共振，控制动位移在允许范围之内。在必要时尚需校核支承结构的疲劳强度。

静力计算荷载有：结构自重、楼面最大使用荷载、破碎机荷载、破碎机上物料荷载及其他设备荷载、风荷载等。动力校核荷载，是用于确定车间结构自振频率、动位移及必要时核算结构疲劳强度的荷载。主要受力构件承载能力计算参见《水利水电施工组织设计第五卷〈辅企结构设计〉》，多选构件满足规范要求。

3.破碎设备基础设计

根据设备工艺基本资料合理布置基础结构，考虑到砂石生产的不均匀性，破碎机设备基础采用现浇钢筋混凝土箱式基础，箱内设出料胶带机，基础之间设置2cm宽变形缝。设备基础材料一般采用C30混凝土， HPB300、HRB400钢筋。

3.1设计步骤

破碎设备基础设计的一般步骤为：

（1）了解设计任务，内容，收集有关资料（参照《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）3.1.1条）。

（2）根据破碎机特性、工艺要求、地形地质条件，按照基础形式选择的原则（参见《水利水电工程施工组织设计手册》（第5册）第六章第二节），确定基础设计方案。

（3）根据工艺布置，机器设备安装图及地形地质条件，按照拟定基础最小尺寸的要求，参考已建工程有关资料，初步拟定基础各部分尺寸及确定基础顶面标高和基础埋置深度。

（4）计算基组特征值（即几何物理量）。

（5）计算地基有关参数。

（6）基础静力计算。

（7）基础动力计算。

（8）基础构件内力计算。

（9）基礎配筋计算，并使之满足相应的基础构造要求。

（10）绘制基础施工详图。

3.2计算方法

破碎设备基础设计除进行静力计算外，还需要进行动力计算，使破碎机器基础具有足够的强度、刚度、和稳定性，并能满足振动控制要求。实际上，水利水电工程施工企业中所使用的破碎机器设备大都比较粗笨，对振动不敏感，且大多为中、小型号，由于扰力小或转速低，一般按构造要求确定基础尺寸，经过静力计算后能满足机器正常使用要求，可不做动力计算。具体要求为：对于小型号破碎机如进料口尺寸为400×600以下的颚式破碎机、φ1650以下的圆锥破碎机、φ900以下的锤式破碎机、φ500以下的反击破碎机，可以不做动力计算。

当进行静力计算时，荷载应采用设计值；当进行动力计算时，荷载应采用标准值。

3.3计算内容

（1）计算基组特征值

基组是指包括机器、基础、支承在基础上的辅助设备及基础台阶的填土等部分的总称。基组特征值计算包括以下几项：

a.机组总重力W

式中Wi为第i个单元重，kN。

b.基础总质量m

式中m ——基础总质量， kN.s2/m；

g ——重力加速度，m/s。

c.基础底面积F

式中 Fi ——基础底面第i个单元面积，m2；

axi 、ayi——基础底面第i个单元沿x、y轴方向尺寸，m。

d.基础底面形心

；

上二式中 、 ——基础底面形心对x 、 y轴的坐标，m；

、 ——基础底面第i个单元形心对x 、 y轴的坐标，m。

e.基组总质心

； ； ；

上三式中 xo、yo、zo——基组总质心对x、y、z轴的坐标，m；

xoi、yoi、zoi——基组第i个单元重心对x、y、z轴的坐标，m；

mi——基组第i个单元体的质量， kN.s2/m；

f.基组总质心对基础底面形心的偏心率

；

上二式中 εx-基组总质心对基础底面形心在x轴方向的偏心距与基础底面x轴方向边长的比值；

εy-基组总质心对基础底面形心在y轴方向的偏心距与基础底面y轴方向边长的比值；

ax、ay-基础底面第i个单元形心对x 、 y轴的坐标，

《动力机器基础设计规范》（GB50040-96）3.1.14条规定：

当地基承载力标准值fk≤150kPa时，εx、εy≤3%；

当地基承载力标准值fk>150kPa时，εx、εy≤5%。

g.基础底面通过其形心x、y轴的抗弯惯性矩Ix、Iy

上二式中 Ix、Iy——x、y轴的抗弯惯性矩。

其他符号意义同前。

h.基础底面通过其形心的抗扭惯性矩J

符号意义同前

i.基组对通过总质心各轴的质量惯性矩

上三式中 Imx-基组对通过总质心并绕x轴的抗弯质量惯性，kN.s2.m；

Imy-基组对通过总质心并绕y轴的抗弯质量惯性，kN.s2.m；

Jm-基组对通过总质心并绕z轴（重心轴）的抗扭质量惯性，kN.s2.m；

axi、ayi、azi-基组第i单元体在x 、 y、 z轴方向的边长，m。

（2）天然地基有关参数计算

a.地基承载力设计值f

地基承载力设计值是按基础底面宽度和基础埋置深度修正后的地基土承载力，具体内容按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）有关条款计算，详细内容这里不再赘述。

b.地基承载力的动力折减系数αf

旋转式机器基础可取0.8；其他机器基础取1.0。

c.天然地基刚度系数计算

天然地基的抗压刚度系数Cz当基础底面积大于或等于20m2时，查《动力机器基础设计规范》（GB50040-96） 表3.3.2；当基础底面积小于20m2时，抗压刚度系数Cz需乘以底面积修正系数βr，修正系数βr按下式计算：

式中 βr——底面积修正系数；

A——基础底面积。

抗剪刚度系数 Cx=0.7Cz

抗弯刚度系数 Cφ=2.15Cz

抗扭刚度系数 Cψ=1.05Cz

d.天然地基的刚度计算

天然地基的抗压刚度 Kz=CzA

天然地基的抗弯刚度 Kφ=CφI

天然地基的抗剪刚度 Kx=CxA

天然地基的抗扭刚度 Kψ=CψIz

以上式中 I——基础底面通过其形心轴的惯性矩， ；

Iz——基础底面通过其形心轴的极惯性矩，

A——基础底面积， ；

其余符号意义同前。

e.天然地基阻尼比计算

对粘性土：

对砂土、粉土：

式中 ζz——天然地基竖向阻尼比；

——基组质量比；

m——基组质量；

ρ——基组土的密度，KN/m?。

天然地基水平回转耦合振动第一振型阻尼比：

天然地基水平回转耦合振动第二振型阻尼比：

天然地基扭向阻尼比：

埋置基础的天然地基阻尼比，应乘以基础埋深提高系数，具体计算如下：

式中 βz——基础埋深作用对竖向阻尼比的提高系数；

βχφ——基礎埋深作用对水平回转向和基扭向阻尼比的提高系数；

δb——基础埋深比，当δb大于0.6时，应取0.6；

ht——基础埋置深度，m；

A——基础底面积，m?；

（3）基础静力计算

基础底面地基平均静压力设计值应符合下式要求：

αf f

式中 p——基础底面地基平均静压力设计值，kPa；

αf——地基承载力的动力折减系数，破碎设备基础αf取1.0；

f——地基承载力设计值，kPa。

基础底面静压力应计算下列荷载：

①基础自重和基础上回填土重；

②机器自重和传至基础上的其他荷载。

（4）基础动力计算

基础动力计算的目的是确定基础在机器扰力作用下产生的振动。具体而言，就是计算基组的自振频率，并尽可能调整机组的自振频率与机器正常工作时扰力频率相差在25%～30%，以免机组在共振区工作；同时计算基础在机器扰力作用下的振幅（或振动加速度），并通过调整基础尺寸，使之限制在允许范围内。

a.机组垂直振动计算

基组在通过其总质心的竖向扰力Pz作用下，竖向振动如下：

基组竖向固有圆频率：

式中 ωnz——基组竖向固有圆频率，rad/s；

KZ——地基抗压刚度，kN/m；

m——基组总质量，kN。

基组竖向振动线位移：

式中 Az——基组重心处的竖向振动线位移，m；

PZ——机器的竖向扰力，kN；

ωnz——基组竖向固有圆频率，rad/s；

ω——机器的扰力圆频率，rad/s；

ζz——天然地基竖向阻尼比。

b.机组水平回转耦合振动计算

基组在竖向扰力Pz偏心作用下或水平扰力Px及竖向平面内扰力矩Mφ作用下，机组水平回转耦合振动计算如下：

基组水平回转耦合振动的第一、第二固有圆频率：

式中 ωnz——基组x向水平固有圆频率，rad/s；

ωnφ——基组绕y轴回转固有圆频率，rad/s；

h2——基组重心至基础底面的距离，m；

Jy——基础对通过其重心的y轴的转动惯量，t·m；

Kφ——天然地基的抗弯刚度，kN·m；

Kx——天然地基的抗剪刚度，kN·m；

基础顶面控制点的竖向振动线位移：

天然地基的抗剪刚度 Kx=CxA

（5）地基和基础的计算规定

a.基础底面地基平均静压力设计值应符合下式要求：

p=αf f

式中 p——基础底面地基平均静压力设计值，kPa；

αf——地基承载力的动力折减系数，破碎设备基础αf取1.0；

f——地基承载力设计值，kPa。

b.基础底面静压力应计算下列荷载：

①基础自重和基础上回填土重；

②机器自重和传至基础上的其他荷载。

c.破碎设备基础的水平向允许振动线位移见下表

机器转速n

（r/min） 允许振动线位移

（mm）

n<300

300

n>750 0.25

0.20

0.15

4.动力设备施工中的环境保护

砂石料加工过程中，伴随着一些不可避免的环境破坏因素，主要体现在筛分过程中的废水排放、破碎过程中的粉尘污染以及破碎、筛分等动力设备产生的噪音污染等，在系统工艺、结构设计过程中，应充分考虑这些因素，做好动力设备施工中的环境保护，具体措施如下：

（1）砂石料筛分过程产生的废水排放应遵照国家《污水综合排放标准》的有关规定，结合当地具体情况进行适当处理。

（2）砂石料破碎施工过程产生粉尘浓度大的部位，应采取适当的除尘措施。

（3）动力设备运行过程会产生噪音污染，应根据国家《工业企业噪声卫生标准》中的有关规定，采取措施降低或减少噪声影响。

5.职业健康安全和环境风险防范

在设计工作中应贯彻《三标》管理体系文件要求，做好职业健康安全和环境风险防范工作，具体如下：

（1）設计过程中应严格执行相关法律法规和工程建设强制性标准。

（2）设计中采用新结构、新材料、新工艺或者特殊结构时，应在设计文件中应当体现相关的安全生产内容，提出保障施工作业人员安全和预防生产安全事故发生的措施和建议。

（3）设计中应考虑工程施工安全操作的需求，对涉及施工安全的重点部位和环节在设计文件中应注明。

参考文献

[1] GB 50040-1996.动力机器基础设计规范.北京：中国计划出版社，1996

[2] 胡少伟，苗同臣. 结构振动理论及其应用.北京：中国建筑工业出版社，2005.22-25.

[3]王军. 冶金工厂动力设备基础的振动问题探讨.重型机械.2011年3期

2个版面