§ 2. Расчет фундаментов под насосные агрегаты

Фундаменты под центробежные насосы и электродвигатели рассчитывают на резонанс колебательных движений агрегата и основания.

Если ротор электродвигателя и рабочее колесо центробежного насоса были бы абсолютно уравновешены, то никаких возмущающих колебаний они бы не создавали. Но достигнуть полного совпадения центра тяжести вращающихся масс с осью вращения вряд ли возможно. Обычно имеется эксцентриситет вращающихся масс r₀, вследствие чего появляется неуравновешенная центробежная сила

где М — масса фундамента и агрегата; ω — частота колебаний, равная числу оборота двигателя.

Под действием этой силы могут создаваться колебания фундамента. Если частота колебаний фундамента совпадает с частотой колебаний насоса, получается резонанс, т. е. колебания могут увеличиться до размеров, опасных для прочности насоса, электродвигателя и фундамента.

Основные собственные частоты колебаний фундамента обычно меньше рабочих частот центробежных насосов и их совпадение маловероятно. Центробежные насосные агрегаты принадлежат к классу машин, хорошо уравновешенных статически и динамически, их действительный эксцентриситет соста­вляет не более 0,2 мм. Поэтому возмущающие нагрузки, которые вызывают вибрации фундаментов, относительно невелики; они даже в самых неблагоприятных условиях не могут вызвать вибрации недопустимой амплитуды, так как масса фундамента по отношению к массе вращающихся частей агрегата велика. Для приближенной оценки этого влияния вычислим амплитуду колебания фундамента в наиболее неблагоприятных условиях — резонанса.

Частота собственных вертикальных колебаний фундамента определяется по формуле

(4.5)

где k — коэффициент упругого равномерного сжатия грунта (значения k даны в табл. 4.1); F — площадь основания фундамента в м²; произведение kF называется коэффициентом жесткости основания и выражается в кг/м; М — общая масса работающих машин и фундамента в кг

m_ф, т_н, т_э — массы фундамента, насоса, электродвигателя соответственна в кг; g — ускорение силы тяжести в м/с².

Таблица 4.1

Значения допускаемого статического давления на грунт и коэффициентов упругого равномерного сжатия грунта

Грунты	Категория грунта	Допускаемое статическое давление на грунт pдоп, МПа	Значения k·106, кг/м3
Слабые (глины и суглинки в пластичном состоянии, супесь и пылевидные пески средней плотности)	I	0,15	3
Средней прочности (глины и суглинки на границе скалывания, пески)	II	0,15÷0,35	3-5
Прочные (глины и суглинки в твердом состоянии, гравий, лёсс)	III	0,35÷0,5	5—10
Скальные основания	IV	>0,5	10

Для отсутствия резонанса необходимо, чтобы расхождение ε между n_z и числом вынужденных колебаний насоса п, выраженное в процентах, для фундаментов центробежных насосов и электродвигателей было ε≥ 40%, где

(4.6)

Поршневые насосы при числе цилиндров менее четырех являются неуравновешенными и поэтому могут вызвать опасные вибрации. Фундаменты таких насосов следует рассчитывать и на амплитуду собственных колебаний. Расчет этот ведется по формуле (4.5). При этом во избежание резонанса при n <200 1/мин принимают ε≥ 100% , а при п > 200 1/мин принимают ε≥50%.

Это означает, что фундаменты низкочастотных поршневых насосов, какими в большинстве случаев являются насосы с кривопшпно-шатунными механизмами, следует проектировать так, чтобы собственные частоты их были выше рабочих частот насосов. Повысить значения п_z проще всего увеличением F при неизменном весе фундамента. А это значит, что надо уменьшить высоту фундамента.

Кроме вышеизложенного динамического расчета, фундаменты рассчитывают еще на статическую нагрузку для определения удельного давления на грунт.

Удельное давление на грунт от веса насоса и фундамента определяют по формуле внецентренного сжатия

(4.7)

где ΣМ — общая масса фундамента М_ф и агрегата с оборудованием (М_н + М_э); F — площадь подошвы фундамента; l — эксцентриситет центра тяжести общей массы фундамента и агрегата относительно центра тяжести площади подошвы фундамента.

Рис.4.7. К расчету фундамента насосной установки

Значение эксцентриситета равнодействующей общей массы для случая, изображенного на рис. 4.7, определяется как

где т — координата равнодействующей массы фундамента и агрегата. Из рис. 4.7 следует, что

Для обеспечения равномерной осадки фундамента эксцентриситет не должен быть более 5% от размера l той стороны подошвы фундамента, в направлении которой смещен центр тяжести.

Найденные по формуле (4.7) значения р_доп должны быть положительными и не превосходить допускаемых значений, приведенных в табл. 4.1.

Отрицательные значения р означают, что фундамент отрывается от грунта.

Фундаменты под насосы выполняют из кирпича, бутобетона, бетона марки 90 и железобетона. Фундаменты в плане делают на 100—150 мм шире и длиннее плиты насоса и несколько приподнимают над полом. Если учитывать, что малые насосы будут заменяться большими, то размеры фундамента следует рассчитывать по большим насосам. Фундаментные болты закладывают в приготовленные для них гнезда и заливают цементным раствором.

На фундаменты под насосные агрегаты не рекомендуется опирать и жестко связывать с ними части сооружения и конструкции, которые могут передавать вибрации основным элементам здания (стенам, колоннам, перекрытиям) насосной.

При невозможности выполнения этого требования (например, для внутренней перегородки в насосной) для уменьшения вибрации между фундаментом насосов и опираемой конструкцией устанавливают упругие прокладки (резину, войлок и др.).

Для предотвращения разрушения бетонной поверхности фундамента от вредных действий нефтяных масел необходимо покрывать их слоем штукатурки с 5%-ным раствором стекла и цемента.