大功率泵基础动力时程分析

河南科技JournalofHenanScienceandTechnology总565期第6期2015年6月Vol.565，No.6Jun，2015收稿日期：2015-5-18作者简介：许如超（1985.03-）男，结构设计师，助理工程师，研究方向：工业结构分析与设计。大功率泵基础动力时程分析大功率泵基础动力时程分析许如超许如超（（武汉金中石化工程有限公司武汉金中石化工程有限公司，，湖北湖北武汉武汉430223430223））摘要：本文根据国标和行标设计规范，采用STAADpro软件建模，进行大功率泵基础动力时程分析，获得基础的最大振动位移和最大振动速度，判断是否满足行业规范要求。再分别改变机组扰力，找到“扰力与机组重力的比值”和结果位移/速度之间的关系，可供为同类工程设计和修改提供参考。关键词：循环水厂；泵基础；天然地基；动力时程分析中图分类号：TU352文献标识码：A文章编号：1003-5168（2015）06-0026-3PowerTimeHistoryAnalysisofHighPowerPumpFoundationXuRuchao（WuhanGoldenSinopecEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223）Abstract：Accordingtonationalstandardandindustrialstandarddesigncode,STAADprosoftwareisusedtomodelforthepowertimehistoryanalysis.Themaximumvibrationdisplacementandthemaximumvibrationvelocityareob⁃tainedtoverifywhetheritmeetstheindustrialspecificationrequirementsornot.Andthen,therelationshipbetweentheratiooftheforcetothegravityoftheunitandthedisplacement/velocityisfoundbychangingtheunitdistur⁃bancerespectively,whichcanprovidereferenceforsimilarengineeringdesignandmodification.Keywords：circulatingwaterplant;pumpfoundation;naturalfoundation;powertimehistoryanalysis1工程概况本文所设计的泵基础位于循环水厂中冷却塔吸水池前。该水泵泵重11750kg，电机重14070kg；配套电机电压10kV，功率2000kW，转速742r/min，基础静荷载30310kg；电机扰力：横向水平和竖向扰力，泵：P1yz=10kN，电机：P2yz=12kN；纵向水平扰力：泵P1x=5kN，电机P2x=6kN。“当地基承载力特征值不小于80kPa，电机功率不大于560kW，且离心泵基础质量不小于机器质量的3倍时，可不做动力计算”［1］。本工程电机功率大于560kW，不适合采用基础质量大于等于机器质量3倍的方法设计。因此该离心泵基础的设计需进行动力分析验算。2基础选型2.1地质条件拟建场地平整，第3层即为粉质黏土，推荐承载力特征值230kPa。2.2基础选型该基础周边场地开阔，首选天然地基。3静力设计3.1尺寸设计设计时尺寸模数均取500mm。根据厂家提供的条件图，设计基础尺寸7000（l）×4000（b）×3000（h）。3.2静力验算泵机组自重Gp=117.5kN，Gm=140.7kN；充水水重Gw=57kN；管道附加重（含充水）Gp=38kN；则：泵：G1=117.5+57+38=212.5kN；电机：Gm=140.7kN；设计埋深h=2.5m。计算合力作用点中心：第6期x=（G×3.5+G1×1.5+G2×5）/（G+G1+G2）=（1850×3.5+212.5×1.5+140.7×5）/（1850+212.5+140.7）=3.40m形心-力心=3.5-3.40=-0.1m，可以考虑为无偏心。基底平均压力：pk=（G+G1+G2）/A=（1850+212.5+140.7）/28=78.7kN/㎡。修正后地基承载力特征值：fa=fak+ηbγ（b-3）+ηbγm（d-0.5）=230+0.3×18×（4-3）+1.6×18×（2.5-0.5）=293kN/m2pk≤fa静力验算满足。4动力分析分析方法：线弹性动力时程分析。分析工具：STAADpro有限元分析软件。首先为了方便软件计算后的结果查看，文中坐标按STAAD软件的坐标系来执行（竖向为y轴，水平为x，z轴）。4.1基本假定使用有限元软件进行动力时程分析，可采用文科勒地基模型，把地基土对每个单元的约束简化为一根土弹簧。文科勒地基模型忽略了地基抗剪，会使计算结果偏大，从工程设计的角度来看，是偏于安全的，假定可用。如此，只需计算单元面上的抗压刚度即可。4.2计算地基抗压刚度因无机床系数的勘察报考，按经验取值计算。基底土：根据经验参数，本地基土的竖向基床系数取值范围为：粉质黏土：黏性土，硬塑，K=4~10×104kN/m3［2］再参考GB50040-96，取CZ=6×104kN/m3［3］水平基床系数：采用砂土回填，并夯实，修正后的侧土抗压刚度：Ch=4×104kN/m3［2］在模型的底面和侧面建立虚拟板单元（仅用于导荷），STAADpro可以对板单元提供“弹性地基”的边界条件。在三个面分别输入上文基床系数的弹性地基支座。4.3阻尼比计算阻尼比：［3］回转，扭转x=0.5×0.18=0.09因振动时必然产生回转偶联，因此阻尼比取小值，偏于安全。因为是埋置的基础，阻尼比提高系数：调整后的阻尼比：x=1.94×0.09=0.174.4建立扰力时程函数泵的扰力多为初始偏心引起，可等效为简谐振动，定义正弦函数。因为已知条件为扰力，所以建立时间——力函数。频率f=742r/min/60min=12.36667r/s；周期T=1/f=0.08086s，T/2=0.04043s，T/4=0.02021s；振幅为1kN（后面输入工况时再乘以相应系数）；设定步长45度。电机和泵是通过传动轴铰链连接，电机和泵应视作双质点。由于制造初始偏心存在各种可能，现列出两种较为不利的组合。设泵为质点1，以脚标1表示，电机为质点2，以脚标2表示；C表示振幅系数，由于振幅系数只能取正值，因此通过不同的到达时间来实现1和2点的相位差。（坐标系为STAAD坐标系）a）1，2在y和z向同向，x向同向（平动为主）到达时间：t1z=0，t2z=0；t1y=T/4，t2y=T/4；t1x=0，t2x=0b）1，2在y和z向反向，x向同向（回转偶联为主）到达时间：t1z=0，t2z=T/2；t1y=T/4，t2y=T/2+T/4；t1x=0，t2x=0振幅系数：C1z=C1y=10；C2z=C2y=12，C1x=5，C2x=6建立时程荷载工况：质量荷载：基础取自重，即自重系数设为1，泵和电机质量以点荷载形式在x，y，z三向加载，所有质量荷载在x，y，z三项均应取正值。分别按以上两种扰力的组合方式进行动力时程分析。4.5分析结果对于分析结果的选取，取基础顶面的位移及速度值更为有效；本案基础B/L=1/2.3＞1/8，可以把其假定为一个刚性体，因此可取基础顶面的平均分布的部分节点代表基顶计算结果的平均值。而对于一个刚性体来说，无论是平动或者扭转偶联，最大位移均出现在某个不确定的角点，因此，取某“位移或速度最大”的角点作为结果的最大值。大功率泵基础动力时程分析··27第6期结果数据如下：1，2在y和z向同向时：平动为主的基顶平均位移如图1，最大值Smax=6.17μm。图1同样，其余结果数据见表1：最大位移，smax=0.067mm≤0.12mm，满足规范要求。最大速度，vmax=5.07mm/s≤6mm/s，满足规范要求。4.6结果分析由以上几组图可以看到：最大位移和最大速度出现在以平动为主时。定性分析：电机和泵扰力同向时，和扰力最大，扰力矩最小；电机和泵扰力反向时，和扰力最小，扰力矩最大。但是埋置基础受5面约束，抗扭转刚度较大，但由于模型假定中忽略土的摩擦阻力，因此单向约束刚度较小，所以最大位移和最大速度出现在以平动为主时。数据与定性分析相符。5不同工况对比分析由于最大位移和最大速度出现在扰力同向时，下面均以扰力同向来讨论。自定义定义参数：扰力重力比（简称扰重比）现假定基础大小不变，机组频率不变，改变泵的扰力（改变扰重比），通过分析计算得到扰重比与位移/速度的关系，作为估算及设计选型时参考。以当前扰力为基本扰力P，现假定以下几组扰力值：0.5P0.7PP1.4P2P2.8P经逐一分析计算，条件及结果结果见表1（由于角点代表性不足，以下数据均为基顶最大位移/速度的平均值）：绘制“——smax曲线”如图2所示：绘制“——vmax曲线”如图3所示：由上两条曲线可以看出：“——smax曲线”与“——vmax曲线”均近似于一定斜率的直线。说明扰重比对最大振动位移和速度影响是线性的。因此控制“挠重比”可以在一定程度上控制最大位移和最大速度。但是，由于影响结果的因素众多，比如扰力频率，地基阻尼，基础形状，埋置深度等，因此，该结果不能直接用于工程设计，仅可作为基础选型和估算时的一种参考。6结论6.1设计分析结果基础设计满足相关规范要求。6.2对比分析结论在大型泵基础设计中，控制扰力与重力的比值可以在一定程度上控制最大位移和最大速度；相似条件下的某台泵基础的动力分析结果——满足规范要求的扰重比，可以为其余泵基础选型及尺寸设计做参考。参考文献：［1］SH/T3057-2007.石油化工落地式离心泵基础设计规范［S］.［2］顾晓鲁.地基与基础（第三版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.［3］GB50040-96动力机器基础设计规范［S］.X-位移（E-3mm）Y-位移（E-3mm）Z-位移（E-3mm）时间-位移80404080-61.758.725.943.480404080-43.7项目位移Smax（μm）速度Vmax（mm/s）平动为主基顶平均61.73.39角点最大69.25.07回转偶联为主基顶平均32.91.29角点最大51.43.72表1扰重比m1位移Smax（μm）速度Vmax（mm/s）0.00530.81.980.00743.22.780.0161.73.970.01486.35.560.021237.940.02817311.1表2图2图3大功率泵基础动力时程分析··28