數控龍門鏜銑床設備基礎精度有限元分析

唐 順 勇

(山東省建筑設計研究院，山東 濟南 250001)

1 工程概況

某國有大型機械集團透平裝備有限公司擬建設壓縮機加工、裝配廠房，廠房總長292.5 m，總寬74.9 m，內設上層300 t吊車，軌高20 m，200 t吊車，軌高20 m，下層75 t吊車，軌高13 m。南面露天跨75 t吊車，軌高14.5 m，北面預留接跨200 t吊車，軌高20 m。廠房內設有大型POWERTEC 9000 AG-S20數控龍門鏜銑床設備，設備外形尺寸：長33 501 mm、寬21 520 mm，總高度20 400 mm，其中：地下高5 000 mm，地上高15 400 mm。

該設備由德國科堡公司生產，高精度重型設備，造價昂貴，對基礎變形、傾斜具有極高的要求。由于該設備對沉降很敏感，而該地區場地條件為濕陷性黃土，天然地基難以滿足沉降及傾斜的要求，故采用樁基方案。樁基礎作為傳統的深基礎形式，因與設備基礎具有良好的共同工作性能，故得到了廣泛的應用。

2 基礎分析

2.1 模型建立

1)本工程采用Midas Gen大型有限元軟件進行計算分析，采用實體塊單元，單元長度采用0.5 m，單元總數34 086(見圖1)。樁采用彈性連接邊界約束。彈性連接選線性連接，輸入樁抗壓剛度系數。模型中設備基礎實體單元的材料取C35混凝土(按國家標準規范)。

表1 樁抗壓剛度系數計算

樁抗壓剛度系數計算樁直徑d/m單樁截面面積Ap/m2單樁周長S/m樁長度L/m0．60．2831．88532土層Cpτi/kN·m-3樁在該土層中深度/mCpτi·Fpτi①素填土60000．89047．79②細砂100001．630159．29③粉質粘土70001．925069．91④粉質粘土120004．6104049．55⑤粘土150006．7189438．04⑥粉質粘土2500016．4772831．79∑Cpτi·Fpτi1130596．36Cpz/kN·m-31600000Cpz·Fpz452388．96kpz=∑Cpτi·Fpτi+Cpz·Fpz1582985．32kN/m

單樁抗壓剛度系數：按GB 50040—96動力機器基礎設計規范的相關規定，計算過程詳見表1。

2)荷載施加。施加均布面載，荷載分布如圖2所示。

a.工作臺機器荷載：

平板：100-G=2 100 kN/(20 m×7.0 m)=15 kN/m2；

工件：100-g=150 kN/m2。

b.床身荷載：

床身：01-1(01-11)=260 kN/(9.1 m×2 m)=14.3 kN/m2；

床身：01-2(01-12)=275 kN/(9.6 m×2 m)=14.3 kN/m2；

床身：01-3(01-13)=260 kN/(9.1 m×2 m)=14.3 kN/m2；

G1=01-i=14.3 kN/m2。

c.龍門機構和銑頭荷載：

龍門：02-1(02-2)=2 100 kN/(4.8 m×2 m)=218.8 kN/m2；

銑頭：50=330 kN/(4.8 m×2 m)=34.4 kN/m2；

G2=218.8 kN/m2+34.4 kN/m2=253.2kN/m2。

工況組合詳見表2。

表2 荷載工況組合表

2.2 精度分析

基礎精度要求：在考慮基礎本身重量以及靜載的基礎上，基礎承受最大動載時的綜合變形滿足：

1)床身導軌基礎，長度方向變形不超過0.005 mm/m;

2)工作臺基礎，橫向、縱向兩個方向變形均不超過0.01 mm/m。

工況1～工況6相對不利。

2.2.1床身導軌基礎

工況4為最不利工況：G1+(100-G)+G2中+(100-g右)。

變形率計算：選取混凝土表面長向一條不利位置線計算變形率(見表3)。

表3 長向變形率(一)

通過提取有限元數據，可看出：最大變形率0.047 1 mm/m，故最大變形率小于0.005mm/m。

2.2.2工作臺基礎

工況1為最不利工況：G1+(100-G)+G2左+(100-g左)。

變形率計算：選取混凝土表面長向及短向各一條不利位置線計算變形率(見表4，表5)。

表4 長向變形率(二)

通過提取有限元數據，可以看出：長向最大變形率為0.009 47 mm/m，故長向最大變形率小于0.01 mm/m；短向最大變形率為0.005 15 mm/m，故短向最大變形率小于0.01mm/m。

2.3 檢測要求

按PAMA檢測要求，加工況見表6，建模計算分析得：

1)任一地腳螺栓處在最大動、靜載荷作用下，X1,X2,Y1,Y2處變形小于0.01/1 000 mm。

表5 短向變形率

表6 檢測荷載工況組合表

2)在最大動載荷作用下，基礎整體彎曲變形不超過0.04 mm；基礎距離載荷2 m處變形不超過0.015/2 000 mm。

3 結語

1)作為一個安全措施，我們要求建設單位進行預壓，預壓重量采用設計重量的1.5倍～2倍，預壓時間為2個～3個月，直到沉降基本完成。通過此方法，減小不均勻沉降。

2)我公司雖進行過多次大型設備基礎的設計，但大多還是按照規范的取值要求進行基礎設計，具體精度能達到多少，沒有確切的數據作為理論支撐。通過本次三維有限元的分析和優化，達到了建設單位提出的要求，為以后的高精度設備基礎設計積累了一定的經驗。

3)待建設單位在實際使用后，提供檢測具體數據，我公司再與有限元分析的結果做比對，為以后的設計提供更加準確的數據支撐。

參考文獻:

[1] GB 50040—96，動力機器基礎設計規范[S].

[2] 瓦德里希·科堡公司.數控龍門鏜銑床機床技術參數[Z].

[3] 劉社紅.大型數控龍門移動式鏜銑床設備基礎設計[J].江蘇冶金，2003(4)：31-33.