中国联合工程有限公司 浙江省杭州市 310052
摘要：大型设备的基础受力复杂，应力变化多，其自身强度和可靠性直接影响着设备运行的稳定性。因此，在设计设备基础时，需要详细核算所承载设备对基础的作用力，并充分考虑循环应力造成的影响。本文就某大型卷板机设备基础开裂损坏情况进行分析并提出优化设计方案，主要包含设备基础损坏情况介绍，基础受力分析计算，基础损坏原因分析和优化设计方案四个方面。
关键词：设备基础；分析；优化设计；减速箱；
引言
设备基础是用来支撑设备的、承载设备全部或部分重量的钢筋混凝土构筑物，通常还包含地脚螺栓孔和各类预埋钢板。大型设备的基础受力复杂，应力变化多，其自身强度和可靠性直接影响着设备运行的稳定性。因此，在设计设备基础时，需要详细核算所承载设备对基础的作用力，并充分考虑循环应力造成的影响。以下从设备基础损坏情况介绍、基础受力分析计算、基础损坏原因分析和优化设计方案四个方面做介绍。
1.设备基础损坏情况介绍：
某公司购置有某大型三辊卷板机44"/46"×10'，上辊直径44英寸（1117.6mm），下辊直径46英寸（1168.4mm），工作长度10英尺（3048mm），该设备为早期进口美制设备，部分设计资料已经缺失。
设备采用落地安装方式，基础坑平面尺寸约16m×12m，最深处-2.8m，包含卷板机主机、减速箱、液压站三个主要部分，基础共计称重约950T，为钢筋混凝土结构，原安装时采用二次灌浆方式固定地脚螺栓并使用螺母将卷板机主体与减速箱固定在基础上。卷板机主机与减速箱分别安装在同一设备基础坑内的不同设备安装平台上，通过联轴器连接。
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图1 某大型三辊卷板机设备基础设计图
该设备采用3台液压马达驱动，其中2台液压马达通过大型减速箱减速后，带动卷板机下辊工作，另一台液压马达与上辊采用直连方式传动。
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图2 某大型三辊卷板机侧视图（右侧为减速箱）
设备安装运行约6年后，卷板机减速箱四周混凝土基础出现开裂现象，部分地脚螺栓被设备拔出，设备无法稳定运行。经现场勘察，初步判定混凝土开裂，J形地脚螺栓与基础混凝土分离，无法将减速机于设备基础牢固连接，造成卷板机运行抖动。
查阅原始设计资料后发现，在设备技术要求中，仅提及减速箱区域设备基础承重200T。经现场勘察，得到相关参数如下：
1）减速箱长宽尺寸约1.1m×2.9m；
2）减速箱螺栓通孔直径为70mm；
3）减速箱输入液压马达功率为200马力，共2台；
4）最大功率情况下，下辊线速度4m/min；
2.基础受力分析计算
根据现场勘察的结果，绘制设备受力简图如下：
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Tm-液压马达输入扭矩
Tr-减速箱输出扭矩
F1/F2-设备基础对减速箱反作用力
L-减速箱长边尺寸
由于设备老旧，资料缺失的原因，无法获知各级减速器的准确齿轮比，因此无法直接确定Tm与Tr的关系，于是采用力矩平衡的方式来推断设备基础反力，即设备基础的实际受力情况。
设备基础需要保证设备运行过程中，减速箱被固定在基础表面，处于受力平衡状态，减速箱输出的扭矩需要由其设备基础提供支座反力来平衡，因此在卷板机实际运行时，减速箱必然在某一侧产生对基础的下压力，并在另一侧产生上拔力，循环往复。根据力矩平衡原理，减速箱输出扭矩
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由于该减速箱左右对称，不难得出
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因此扭矩平衡公式改写为
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根据扭矩-功率-转速公式
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P-功率
n-转速
η-机械效率
T-扭矩
根据已知的液压马达输入功率与卷板机下辊的工作转速，可以计算得出卷板机下辊的最大工作扭矩。为了使用扭矩-功率-转速公式，我们首先要将滚筒的线速度转换为输出轴转速（rpm），并将液压马达功率转换成（KW），然后代入公式。
输出轴转速计算：
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双液压马达联合输出功率，依照美制马力换算：
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考虑主减速箱为1级齿轮减速机，液压马达自带3级行星减速机，取整体系统机械效率η=0.85计算减速箱输出轴扭矩：
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计算设备基础对减速箱反作用力
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考虑到卷板机的工作方式存在正反转的情况，因此减速箱对基础的作用力，也是交替变化的。
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图3 某大型三辊卷板机减速箱地脚螺栓分布图（俯视）
查看设备的地脚螺栓分布，减速箱对基础的单侧拉拔作用力主要由8个M65地脚螺栓承担，为了简化计算，仅考虑远离转轴中心的4个地脚螺栓承担拉拔力，拉力均分，则可以计算得到单个螺栓的最大受力为：
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校核计算螺栓拉应力远小于普通地脚螺栓许用应力：
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因此根据计算结果可知，设备基础开裂，地脚螺栓拔出等顺坏问题，并非螺栓断裂。
3.基础损坏原因分析
由于设备基础本身已经顺坏，且根据上述计算分析，无法确定基础失效具体位置及成因，故将卷板机减速箱基础凸台拆除，保留该设备基础坑其余部分。
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图4 某大型三辊卷板机减速箱基础拆除现场照片（黑色为M65地脚螺栓）
从拆除后的现场照片中可以看出，J形地脚螺栓并没有顺坏，但地脚螺栓与基础混凝土之间的结合已经破坏。地脚螺栓与设备基础混凝土的结合力，主要取决于螺栓埋深和抗冲切面大小相关。J形地脚螺栓在混凝土基础中的截面积较小，无法在混凝土中形成足够的抗冲切面，螺栓的拉力主要通过J形地脚螺栓的弯钩承担，与混凝土接触面积不足。可以初步判定在设备运行中，减速箱对地脚螺栓的循环拉压力，造成混凝土和地脚螺栓之间的结合失效，地脚螺栓周边部分混凝土开裂，进一步加剧松动情况，最终使螺栓松脱，无法提供紧固力，产生设备运行震动。
分析破坏成因如下：
1）减速箱对地脚螺栓的循环拉压力，造成混凝土和地脚螺栓之间的摩擦结合失效，地脚螺栓周边部分混凝土开裂；
2）原设计的J形地脚螺栓采用二次灌浆方式埋入，与设备基础主体并非一同浇筑，螺栓上部覆盖的混凝土，不完全参与抗拉拔；
3）地脚螺栓根部面积小，对混凝土产生的压强较大，在反复拉压过程中，造成局部混凝土压溃，形成松动；
4）松动后的混凝土与地脚螺栓之间产生间隙，在运行过程中产生更大的冲击，最终造成混凝土基础的开裂。
4.优化设计方案通过分析基础顺坏原因，在优化设计中，主动寻求这些问题的解决方案，逐项优化设计，满足设备运行需求。
主要优化方案如下：
1）经过受力分析，计算的到螺栓最大拉力为765KN，减速箱自重引起的拉力减小约150KN，该项作为安全放大，不作考虑。结构计算中依然取765KN计算基础抗拉；
2）原设计的螺栓埋深为40英寸（1016mm），优化设计中将该深度调整至50英寸（1270mm），以增加结合力；
3）改变预埋螺栓设计，增加螺栓底部锚板，扩大受力面积并增大混凝土抗冲切面面积，保证混凝土不在循环应力下损坏；
4）改用一次灌浆预埋，消除混凝土内部分次浇筑结合不良问题；
5）通过整体锚板连接各个预埋螺栓并固定螺栓之间的相对位置关系，保证预埋安装精度，避免设备安装错误；
6）非运行状态下，设备基础承载静载荷为减速箱自重，原设计配筋可以满足，故不再修改配筋设计；
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图5 某大型三辊卷板机减速箱预埋锚板螺栓设计图
结论
通过对该卷板机设备基础顺坏情况的分析研判，说明大型设备基础设计过程中需要充分分析运行过程的受力情况，不可单纯考虑重型设备的压力，亦需要分析设备是否存在对基础的拉力、剪切力等情况，通过改变配筋、预埋件等方式，满足使用需求。