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摘 要:本文结合工程实例从地基要求、基础设计、振动影响及施工要求等方面对大型龙门铣床基础设计方法及注意事项等进行分析总结,并比较了大型龙门铣床基础与普通设备基础在设计及施工上的区别。
关键词:大型龙门铣床 基础设计 分析总结
中图分类号:TG54 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0073-01
1 引言
大型龙门铣床是机械加工中重要的工作母机,在机械制造、机械加工领域被广泛应用。由于加工精度的需要,该设备对基础的要求极高,尤其对基础的变形差(倾角)控制十分严格(一般为十万分之一),因此该类机床的基础设计具有难度大、工程量大、施工质量要求高等特点。本文结合工程实例从设计、施工等方面对大型龙门铣床基础的几个问题进行分析总结。
2 龙门铣床的受力特点对地基的要求
龙门铣床根据其工作方式不同分两类,(1)由操作平台带动加工件移动而龙门架不动;(2)龙门架带动铣头移动对固定在操作平台上的加工件进行加工。一般的龙门铣床基础对地基土承载力要求不大,但软弱土层或压缩性较大的土层对移动荷载作用较大的龙门铣床基础变形显然不能满足设计要求,因此在采用加大基础厚度和宽度等方法不经济或不可行的情况下,对地基土进行处理是必要的。
在某冶金机械厂W200HD镗铣床基础设计中,工作荷载为:移动平台及加工件总重3000kN,固定龙门架系统800kN;基础面积185m2,深度3.5m;单位面积附加荷载42.2kPa。基础下土层分布,地下水位-1.0m,设备要求在平台移动过程中基础倾角控制在1/100000以内。根据计算,地基承载力满足要求,但变形不能满足要求,同时设备基础在现有厂房内施工,离厂房柱基较近无降水条件。设计采用水泥搅拌桩对基础底7m范围土进行加固处理,处理后复合地基承载力特征值为132kPa,压缩模量提高到16MPa,经计算满足设计要求。
又如某机修厂一重型龙门铣床基础设计中,工作荷载为:移动的龙门架系统2810kN,固定的设备5293kN,加工件14850kN;基础面积1220m2,深5m;基础底土层分布,地下水位-1.5m,设备要求在龙门架移动过程中基础倾角控制纵向为1/100000,横向控制为0.5/100000,且机床基础受已有的厂房柱基制约,天然地基强度、变形都不能满足要求,经计算比较后采用钻孔灌注桩基础。
需要注意的是,无论采用何种地基处理方法,设备安装前对基础地基的预压是必要的,预压荷载取实际使用荷载的1.5倍,分布在基础实际受荷范围内,安装前还可以对基础进行试压,模拟机床工作情况进行变形测试。
3 基础尺寸的确定
大型龙门铣床基础平面尺寸根据机床安装、调试、维修的需要,通常比机床底座外轮廓尺寸大200～500mm。基础厚度确定方法如表1所示[1,2]:
式中Lw为机床外形长度,m;L为基础长度,m;W1为机床的总力,t;W2为最大加工件的重力,t;B为基础的宽度,m;E为混凝土的弹性模量,t/m2;Y 为基础的容许变形量,m。
基础尺寸确定后还应对其进行验算,使其承载力、变形能满足机床的使用要求。首先根据地基、基础相互作用选用合理的地基模型,如文克勒地基模型,半空间地基模型,压缩层地基模型等。根据地基与基础之间的变形协调条件和静力平衡条件,组列解答问题的方程式,结合必要的边界条件求解。但是只有在简单的情况下才能获得微分方程的解析解;而在一般情况下只能求得近似的数值解;对于其它复杂情况,可以借助计算机,采用有限元法或有限差分法求解。
在对某机修厂一重型龙门铣床基础设计时,根据德国Waldrich Coburg公司确定基础厚度的方法计算其基础厚度h=5.7m,由于基础采用桩距3.6×4m的1000钻孔灌注桩,取h=4.8m,代入PKPM/JCCAD进行计算。将地基基础假定为文克勒地基模型,基础刚度系数参考PKPM/JCCAD附录一推荐值打至岩层的支撑桩K=8000000kN/m3,移动荷载2810kN,固定荷载20143kN。采用有限元法,取两点相距2m的A、B在移动荷載移动前后变形量分别为SA1=3.5mm,SB1=3.20mm,SA2=3.65mm,SB2=3.31mm;代入公式计算倾角为:[(SA2-SA1)-(SB2-SB1)]/2000=0.02/1000,结果不能满足0.5/100000的限值;改桩距为3.33m,计算变形为SA1=2.42mm,SB1=2.34mm,SA2=2.50mm,SB2=2.41mm;代入公式计算倾角为:[(SA2-SA1)-(SB2-SB1)]/2000=0.005/1000,结果满足要求。
4 其他需考虑的问题
龙门铣床一般在厂房内工作,在设计时还需考虑厂房内吊车或厂房外车辆的振动影响,因此基础的隔振设计及隔振措施是必要的[3]。此类隔振属消极隔振,首先应知道振源的频率、振幅,根据振源和隔振基础的距离来选择合适的隔振材料,根据基础及设备本身自振频率确定隔振材料的厚度,使基础受到的震动影响控制在容许范围内。
大型龙门铣床基础施工应按大体积混凝土施工要求进行,同时为了保证基础的整体性和刚度要求,不得留设施工缝;在某龙门铣床基础设计施工中,由于对设备缺乏足够的了解,施工时留设施工缝,造成该铣床基础无法正常使用。
总之,大型龙门铣床基础由于使用精度的特殊性,不同于一般的设备基础,在设计,施工中都应采取一定的措施,否则会引起设备不能正常运行或加工精度不能满足使用要求。
参考文献
[1] 李金寿编著.机床基础与机床安装[M].机械工业出版社,1989.
[2] 杨位洸等主编.地基及基础[M].中国建筑工业出版社,1998.
[3] 中国建筑科学研究院.JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S].中国建筑工业出版社,2002.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:大型龙门铣床 基础设计 分析总结
中图分类号:TG54 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0073-01
1 引言
大型龙门铣床是机械加工中重要的工作母机,在机械制造、机械加工领域被广泛应用。由于加工精度的需要,该设备对基础的要求极高,尤其对基础的变形差(倾角)控制十分严格(一般为十万分之一),因此该类机床的基础设计具有难度大、工程量大、施工质量要求高等特点。本文结合工程实例从设计、施工等方面对大型龙门铣床基础的几个问题进行分析总结。
2 龙门铣床的受力特点对地基的要求
龙门铣床根据其工作方式不同分两类,(1)由操作平台带动加工件移动而龙门架不动;(2)龙门架带动铣头移动对固定在操作平台上的加工件进行加工。一般的龙门铣床基础对地基土承载力要求不大,但软弱土层或压缩性较大的土层对移动荷载作用较大的龙门铣床基础变形显然不能满足设计要求,因此在采用加大基础厚度和宽度等方法不经济或不可行的情况下,对地基土进行处理是必要的。
在某冶金机械厂W200HD镗铣床基础设计中,工作荷载为:移动平台及加工件总重3000kN,固定龙门架系统800kN;基础面积185m2,深度3.5m;单位面积附加荷载42.2kPa。基础下土层分布,地下水位-1.0m,设备要求在平台移动过程中基础倾角控制在1/100000以内。根据计算,地基承载力满足要求,但变形不能满足要求,同时设备基础在现有厂房内施工,离厂房柱基较近无降水条件。设计采用水泥搅拌桩对基础底7m范围土进行加固处理,处理后复合地基承载力特征值为132kPa,压缩模量提高到16MPa,经计算满足设计要求。
又如某机修厂一重型龙门铣床基础设计中,工作荷载为:移动的龙门架系统2810kN,固定的设备5293kN,加工件14850kN;基础面积1220m2,深5m;基础底土层分布,地下水位-1.5m,设备要求在龙门架移动过程中基础倾角控制纵向为1/100000,横向控制为0.5/100000,且机床基础受已有的厂房柱基制约,天然地基强度、变形都不能满足要求,经计算比较后采用钻孔灌注桩基础。
需要注意的是,无论采用何种地基处理方法,设备安装前对基础地基的预压是必要的,预压荷载取实际使用荷载的1.5倍,分布在基础实际受荷范围内,安装前还可以对基础进行试压,模拟机床工作情况进行变形测试。
3 基础尺寸的确定
大型龙门铣床基础平面尺寸根据机床安装、调试、维修的需要,通常比机床底座外轮廓尺寸大200～500mm。基础厚度确定方法如表1所示[1,2]:
式中Lw为机床外形长度,m;L为基础长度,m;W1为机床的总力,t;W2为最大加工件的重力,t;B为基础的宽度,m;E为混凝土的弹性模量,t/m2;Y 为基础的容许变形量,m。
基础尺寸确定后还应对其进行验算,使其承载力、变形能满足机床的使用要求。首先根据地基、基础相互作用选用合理的地基模型,如文克勒地基模型,半空间地基模型,压缩层地基模型等。根据地基与基础之间的变形协调条件和静力平衡条件,组列解答问题的方程式,结合必要的边界条件求解。但是只有在简单的情况下才能获得微分方程的解析解;而在一般情况下只能求得近似的数值解;对于其它复杂情况,可以借助计算机,采用有限元法或有限差分法求解。
在对某机修厂一重型龙门铣床基础设计时,根据德国Waldrich Coburg公司确定基础厚度的方法计算其基础厚度h=5.7m,由于基础采用桩距3.6×4m的1000钻孔灌注桩,取h=4.8m,代入PKPM/JCCAD进行计算。将地基基础假定为文克勒地基模型,基础刚度系数参考PKPM/JCCAD附录一推荐值打至岩层的支撑桩K=8000000kN/m3,移动荷载2810kN,固定荷载20143kN。采用有限元法,取两点相距2m的A、B在移动荷載移动前后变形量分别为SA1=3.5mm,SB1=3.20mm,SA2=3.65mm,SB2=3.31mm;代入公式计算倾角为:[(SA2-SA1)-(SB2-SB1)]/2000=0.02/1000,结果不能满足0.5/100000的限值;改桩距为3.33m,计算变形为SA1=2.42mm,SB1=2.34mm,SA2=2.50mm,SB2=2.41mm;代入公式计算倾角为:[(SA2-SA1)-(SB2-SB1)]/2000=0.005/1000,结果满足要求。
4 其他需考虑的问题
龙门铣床一般在厂房内工作,在设计时还需考虑厂房内吊车或厂房外车辆的振动影响,因此基础的隔振设计及隔振措施是必要的[3]。此类隔振属消极隔振,首先应知道振源的频率、振幅,根据振源和隔振基础的距离来选择合适的隔振材料,根据基础及设备本身自振频率确定隔振材料的厚度,使基础受到的震动影响控制在容许范围内。
大型龙门铣床基础施工应按大体积混凝土施工要求进行,同时为了保证基础的整体性和刚度要求,不得留设施工缝;在某龙门铣床基础设计施工中,由于对设备缺乏足够的了解,施工时留设施工缝,造成该铣床基础无法正常使用。
总之,大型龙门铣床基础由于使用精度的特殊性,不同于一般的设备基础,在设计,施工中都应采取一定的措施,否则会引起设备不能正常运行或加工精度不能满足使用要求。
参考文献
[1] 李金寿编著.机床基础与机床安装[M].机械工业出版社,1989.
[2] 杨位洸等主编.地基及基础[M].中国建筑工业出版社,1998.
[3] 中国建筑科学研究院.JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S].中国建筑工业出版社,2002.
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