数控龙门镗铣床设备基础精度有限元分析

唐 顺 勇

(山东省建筑设计研究院，山东 济南 250001)

1 工程概况

某国有大型机械集团透平装备有限公司拟建设压缩机加工、装配厂房，厂房总长292.5 m，总宽74.9 m，内设上层300 t吊车，轨高20 m，200 t吊车，轨高20 m，下层75 t吊车，轨高13 m。南面露天跨75 t吊车，轨高14.5 m，北面预留接跨200 t吊车，轨高20 m。厂房内设有大型POWERTEC 9000 AG-S20数控龙门镗铣床设备，设备外形尺寸：长33 501 mm、宽21 520 mm，总高度20 400 mm，其中：地下高5 000 mm，地上高15 400 mm。

该设备由德国科堡公司生产，高精度重型设备，造价昂贵，对基础变形、倾斜具有极高的要求。由于该设备对沉降很敏感，而该地区场地条件为湿陷性黄土，天然地基难以满足沉降及倾斜的要求，故采用桩基方案。桩基础作为传统的深基础形式，因与设备基础具有良好的共同工作性能，故得到了广泛的应用。

2 基础分析

2.1 模型建立

1)本工程采用Midas Gen大型有限元软件进行计算分析，采用实体块单元，单元长度采用0.5 m，单元总数34 086(见图1)。桩采用弹性连接边界约束。弹性连接选线性连接，输入桩抗压刚度系数。模型中设备基础实体单元的材料取C35混凝土(按国家标准规范)。

表1 桩抗压刚度系数计算

桩抗压刚度系数计算桩直径d/m单桩截面面积Ap/m2单桩周长S/m桩长度L/m0．60．2831．88532土层Cpτi/kN·m-3桩在该土层中深度/mCpτi·Fpτi①素填土60000．89047．79②细砂100001．630159．29③粉质粘土70001．925069．91④粉质粘土120004．6104049．55⑤粘土150006．7189438．04⑥粉质粘土2500016．4772831．79∑Cpτi·Fpτi1130596．36Cpz/kN·m-31600000Cpz·Fpz452388．96kpz=∑Cpτi·Fpτi+Cpz·Fpz1582985．32kN/m

单桩抗压刚度系数：按GB 50040—96动力机器基础设计规范的相关规定，计算过程详见表1。

2)荷载施加。施加均布面载，荷载分布如图2所示。

a.工作台机器荷载：

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

工件：100-g=150 kN/m2。

b.床身荷载：

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.龙门机构和铣头荷载：

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

铣头：50=330 kN/(4.8 m×2 m)=34.4 kN/m2；

G2=218.8 kN/m2+34.4 kN/m2=253.2kN/m2。

工况组合详见表2。

表2 荷载工况组合表

2.2 精度分析

基础精度要求：在考虑基础本身重量以及静载的基础上，基础承受最大动载时的综合变形满足：

1)床身导轨基础，长度方向变形不超过0.005 mm/m;

2)工作台基础，横向、纵向两个方向变形均不超过0.01 mm/m。

工况1～工况6相对不利。

2.2.1床身导轨基础

工况4为最不利工况：G1+(100-G)+G2中+(100-g右)。

变形率计算：选取混凝土表面长向一条不利位置线计算变形率(见表3)。

表3 长向变形率(一)

通过提取有限元数据，可看出：最大变形率0.047 1 mm/m，故最大变形率小于0.005mm/m。

2.2.2工作台基础

工况1为最不利工况：G1+(100-G)+G2左+(100-g左)。

变形率计算：选取混凝土表面长向及短向各一条不利位置线计算变形率(见表4，表5)。

表4 长向变形率(二)

通过提取有限元数据，可以看出：长向最大变形率为0.009 47 mm/m，故长向最大变形率小于0.01 mm/m；短向最大变形率为0.005 15 mm/m，故短向最大变形率小于0.01mm/m。

2.3 检测要求

按PAMA检测要求，加工况见表6，建模计算分析得：

1)任一地脚螺栓处在最大动、静载荷作用下，X1,X2,Y1,Y2处变形小于0.01/1 000 mm。

表5 短向变形率

表6 检测荷载工况组合表

2)在最大动载荷作用下，基础整体弯曲变形不超过0.04 mm；基础距离载荷2 m处变形不超过0.015/2 000 mm。

3 结语

1)作为一个安全措施，我们要求建设单位进行预压，预压重量采用设计重量的1.5倍～2倍，预压时间为2个～3个月，直到沉降基本完成。通过此方法，减小不均匀沉降。

2)我公司虽进行过多次大型设备基础的设计，但大多还是按照规范的取值要求进行基础设计，具体精度能达到多少，没有确切的数据作为理论支撑。通过本次三维有限元的分析和优化，达到了建设单位提出的要求，为以后的高精度设备基础设计积累了一定的经验。

3)待建设单位在实际使用后，提供检测具体数据，我公司再与有限元分析的结果做比对，为以后的设计提供更加准确的数据支撑。

参考文献:

[1] GB 50040—96，动力机器基础设计规范[S].

[2] 瓦德里希·科堡公司.数控龙门镗铣床机床技术参数[Z].

[3] 刘社红.大型数控龙门移动式镗铣床设备基础设计[J].江苏冶金，2003(4)：31-33.