機器基礎

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。

正文

 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。
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)。
基礎的激發與反應 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。
最常見的一種激發是用餘弦(或正弦)函式表示的連續型的周期穩態激發。可用Q(t)=Q0cosωt表示穩態擾力,當Q0為常數時,稱Q(t)為定幅擾力。當Q0為離心力時,即Q0=meeω2(式中me為偏心塊質量;e為偏心距;ω為機器轉速即擾頻率)時,稱Q(t)為頻變擾力。這兩類穩態擾力的波形都呈餘弦型。
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)。如在穩態擾力作用下基礎發生穩態振動,其垂直振動可用z=Acos(ωt-嗘)表示(式中A為振幅;嗘)為相位差,此角來源於地基土的阻尼,它意味著最大位移的出現晚於最大擾力的出現,其間時差折算成角度便是相位差)。
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,如圖1所示,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。
機器基礎機器基礎
機器基礎振動的形式 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。
機器基礎機器基礎
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(圖2c),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。瞬時振動的波形為z=A1e機器基礎cos(ωdt-嗘0。式中A1、嗘0取決於自由振動所賴以發生的初始條件,如鍛錘基礎的初始條件為凩0(初速度)0,z0(初位移)=0,位移計算公式為

機器基礎

式中D為阻尼比,是實際阻尼對臨界阻尼之比;ωn為無阻 尼固有頻率;ωd為有阻尼固有頻率
可分別從實測無阻尼和有阻尼自由振動波形的周期中推算出來。

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參考書目
 E.勞施著,武漢鋼鐵設計研究院譯:《機器基礎》上下冊,冶金工業出版社,北京,1981。(E.Rausch,Maschinen-Fundamente und andere Dynamisch Beanspruchte Baukonstruktionen, VDI-Verlag,Ber-lin,1968.)
 嚴人覺等著:《動力基礎半空間理論概論》,中國建築工業出版社,北京,1981。
 D.D.Barkan,Dynamics of Bases and Foundations,McGraw-Hill,New York,1962.

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