ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ им. В. А. КУЧЕРЕНКО ГОССТРОЯ СССР

ИНСТРУКЦИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ОТ МАШИН, УСТАНАВЛИВАЕМЫХ НА ПЕРЕКРЫТИЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

Динамические нагрузки многоцилиндровых машин равны геометрической сумме динамических нагрузок, развиваемых каждым цилиндром (или каждым кривошипно-шатунным механизмом).

При определении динамических нагрузок главный вектор и главный момент динамических сил приводятся к точке, относительно которой вращается кривошип первого цилиндра. В эту точку помещается начало прямоугольных координат, ось х направляется вдоль оси коленчатого вала, ось у — горизонтально в перпендикулярном направлении и ось z — вертикально.

Вычисление динамических нагрузок в случае, когда отдельные механизмы номинально уравновешивают друг друга, производится исходя из того, что номинально одинаковые веса одноименных движущихся частей кривошипно-шатунных механизмов фактически отличаются друг от друга; это отличие учитывается коэффициентом k_t принимаемым по табл. 3 в зависимости от веса машины и числа цилиндров.

Таблица 3

Значения коэффициента к

Вес машины в г Число цилиндров к До 1 2 и больше 0,1 Больше 1 до 5 От 2 до 8 Больше 8 0,2 0,1 » 5 » 10 2 Больше 2 0,3 0,2 > 10 » 20 От 2 до 6 Больше 6 0,3 0,2 Больше 20 От 2 до 8 Больше 8 0,3 0,2

2.2.    Коэффициент перегрузки /г_д принимается равным 1,3.

2.3.    Для аналитического определения динамических сил, развиваемых каждым кривошипно-шатунным механизмом, необходимы следующие данные:

N — число оборотов главного вала машины в минуту;

г — радиус кривошипа;

Г| — расстояние от оси вращения до центра тяжести кривошипа;

L —длина шатуна;

Ц — расстояние от центра тяжести шатуна до пальца кривошипа;

г„—расстояние от оси вращения до центра тяжести противовеса;

G] — вес кривошипа;

0₂ — вес возвратно-поступательно движущихся частей;

G₃ — вес шатуна;

G,г — вес противовеса.

Рис. I. Схема кривошипно-шатунного механизма / — кривошип:    2    шатун;

3 — крейцкопф; 4 — шток; 5 — поршень; б — противовес

13

Схема кривошипно-шатунного механизма приведена на рис. 1.

2.4. Динамические силы, развиваемые каждым цилиндром, могут быть разложены в плоскости действии кривошипно-шатунного механизма на составляющие Q по направлению скольжения поршня и Р перпендикулярно ему, определяемые по формулам:

Qi = гш² [ (т_а, + /л₄.) cos (ш/ + 3,) + а, т„, cos 2 (u>t + 3.)]; (3) Р. = _Гш^г т_а) sin (и;/ + 8_;),    (4)

где    I— номер цилиндра (или кривошипно-шатун

ного механизма); t— время;

2-

■л = —gQ^-Л*—угловая частота вращения главного вала

машины в секг¹\ т_а — масса частей кривошипно-шатунного механизма, приведенная к пальцу кривошипа, определяемая по формуле

g — ускорение силы тяжести; т_ь — масса частей кривошипно-шатунного механизма, приведенная к крейцкопфу (или к поршневому пальцу), определяемая по формуле

Щ = — (^С* + X );    (6)

{I/ — угол заклинивания (в радианах) /-го цилиндра, т. е. угол между кривошипом первого цилиндра и кривошипом рассматриваемого /-го цилиндра, отсчитываемый по направлению вращения коленчатого вала;

а, =—у--характеристическое число кривошиино-

шатунного механизма.

2.5. Составляющие главного вектора динамических сил от машины с линейным расположением п цилиндров равны алгебраической сумме составляющих сил от каждого цилиндра и определяются по формулам (7) и (8):

л

Q = '■“* 2    +    ^т»)    ^cos И + ?,) + tyn*, cos 2 (urf+p,)]; (7)

/=1

P = r«**2^/n_<,_/sin(W + P,)-

i=1

2.6. В случае если все линейно расположенные цилиндры номинально одинаковы, составляющие главного вектора динамических сил определяются по формулам (9) и (10):

(т_а + т_ь) ^ (1 + k,) cos (u>t + 8 ) +

Р = ru>*m_a V(1 -Lk,)sin(Ы +3,). 1=1

При этом коэффициенты ku k₂,..k_n принимают значения 0 или k по различным сочетаниям. Из всех со-

п

четаний, число которых равно z.C_n , выбираются такие,

/-1

при которых получаются наибольшие амплитуды составляющих динамических сил и моментов и соответствующие им фазовые углы.

2.7. Главный вектор динамических сил, развиваемых машиной с угловым расположением цилиндров, разлагается на составляющие R_x , R_y и R_z по направлению координатных осей х, у, z. Для всех существующих машин R_x =0,R_y и /^определяются по формулам (11) и (12):

п

R у =    2 К"Ч + ^ть) cos (wt т?г <?,) f <*; т„. cos 2 (wt +

<=!

т_а. sin (wt +    -    <?,)    cos    9,.;    (11)

R_z = ГШ² V [(m_a. + rn₆) cos (wt + 3,— cp.) + m_b. cos 2 (wt + /=1

+ Р,- - ?,•)] cos tp_f+ roS 2 m_a. sin (wt + Pi — <Pi) Sin <p_f, (12)

/ = 1

где <р/—угол оси /-го цилиндра с вертикалью. Этот

15

угол для всех цилиндров отсчитывается в направлении вращения коленчатого вала.

2.8.    В случае, если все цилиндры номинально одинаковы, составляющие R_y и R_z динамических сил определяются по формулам (13) и (14):

п

R_y = лю² [{т_а + т_ь) ^ (1 + k_t) sin 9,. cos (ш/ + р, - <?,) +

/-1

П

+ *^ть sin 9< COS 2 (о>/ + р, — <p_f) —

/-!

- ««^(l +А,)сов<р,мп(ш/+ Pj —9,)];    (13)

1=1

я

R, = /-ш² [(m_a + m_b) ^(1 +£,) cos 9,. cos (W + ft— 9,)-f /-1

П

+ am_b V cos cos 2 (a>/ -f- p. — <p.)

/=1

n

+ rn_a    (1 + 6,) sin 9; sin H + p( - 9,)].    (14)

При этом коэффициенты k_t принимают так же, как и при линейном расположении цилиндров (см. п. 2.6).

2.9.    Разлагая на составляющие главный момент динамических сил от машин с кривошипно-шатунными механизмами, обозначим для машин с линейным расположением цилиндров через М\ момент, вектор которого направлен перпендикулярно плоскости расположения осей цилиндров, через М₂— момент, вектор которого направлен вдоль осей цилиндров, и через // —расстояние между осями /-го и /+1-го цилиндров. Кроме того, для любого типа машин обозначим через М_у и М_г моменты относительно осей у и z. Моменты М_у и М_г будут равны соответственно моментам и М₂ для машин с вертикальным расположением цилиндров и М₂ и для машин с горизонтальным расположением цилиндров.

Составляющие главного момента динамических сил от машин с линейным расположением цилиндров определяются по формулам (15) и (16):

/* I

Составляющие главного момента динамических сил от машин с угловым расположением цилиндров определяются по формулам (17) и (18):

М_у = rw² 1[(т_а. + т„.) cos (urf + 3, - _?,) +

1=2 '

f~l

+ a,m,. cos 2 (orf + ft - <p,)l cos 9, V/_;. j -f

+ no² У k sin (erf + ft - 9,.) sin 9,2 lj 11    (17)

/“2 *•    /=|    J

м_г = г (и² v f(K. + m„.) cos (erf 4- ft — 9,) +

/—2 '

/—1

+ a, m„, cos 2 (urf + 3, — 9,)] sin 9,2 h} -

/-I    '

~ ЛШ² 2 [m_a. sin (urf 4- ft - 9i) cos 9,Y lj 1 •    (18)

1=2    /=I **

Примечал и e. Частные случаи определения динамических нагрузок от машин с кривошипно-шатунными механизмами при линейном и угловом расположении цилиндров даны в приложении I.

3. МАШИНЫ С КРИВОШИПНО-КУЛИСНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

3.1. Кривошипно-кулисный механизм (рис. 2) состоит из кривошипа, кулисы, серьги и ползуна. При вращении кривошипа кулиса совершает качательные движения, передающиеся с помощью серьги на ползун, совершающий прямолинейные возвратно-поступательные движения с неодинаковой максимальной скоростью хода за каждые смежные пол-оборота вращения кривошипа. За пол-оборота, обеспечивающие рабочий ход ползуна, скорость ниже, чем за последующие пол оборота, во время которого совершается холостой ход.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящей инструкции приведены указания по определению динамических нагрузок от стационарных машин, размещаемых на перекрытиях и полах первых этажей промышленных зданий.

Эти нагрузки необходимы для проектирования и динамического расчета несущих конструкций зданий и для проектирования виброизоляции машин.

Инструкция разработана в развитие пп. 3.4, «б» и 3.8 главы СНиП П-А.11-62 «Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования».

Изучение и уточнение динамических нагрузок от машин произведено для возможности размещения оборудования с большими динамическими нагрузками в многоэтажных промышленных зданиях химической, коксохимической, машиностроительной, легкой и других отраслей промышленности.

Как правило, динамические нагрузки от машин, устанавливаемых на перекрытиях, должны быть указаны в технологическом задании на проектирование. В том случае, когда динамические нагрузки в технологическом задании отсутствуют, а также в целях контроля динамических нагрузок они определяются проектными и строительными организациями по настоящей инструкции.

Инструкция, предназначенная для проектных и строительных организаций в качестве пособия при определении динамических нагрузок, не исключает возможности применения других, более точных способов определения динамических нагрузок, обоснованных результатами экспериментов или аналитического расчета.

Инструкция разработана лабораторией динамики Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций им. В. А. Кучеренко (канд. техн. наук В. И. Сыооевым при общей редакции руко-

3

водителя лаборатории проф. Б. Г. Коренева). Разделы 7—9 разработаны лабораторией динамики Харьковского Промстройниипроекта (канд. техн. наук В. Г. Подольским).

Инструкция рассмотрена и одобрена секцией строительной механики ученого совета ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.

Редактирование инструкции проведено инж. А. Н. Шкиневым и А. 3. Кравченко.

Дирекция ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко

!. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1.    Настоящая инструкция содержит указания по определению динамических нагрузок на междуэтажные перекрытия и полы первых этажей промышленных зданий от стационарных машин:

с конструктивно неуравновешенными движущимися частями (машины с кривошипно-шатунными и кривошипно-кулисными механизмами: поршневые компрессоры, металлообрабатывающие строгальные, плоскошлифовальные и тому подобные станки, дробилки, вибрационные центрифуги, ткацкие станки, штампмашины, поршневые насосы, плоскопечатные типографские машины и т. п.);

с номинально уравновешенными, а фактически неуравновешенными движущимися частями (центрифуги, грохоты, металлообрабатывающие токарные, точильные, шлифовальные и тому подобные станки с вращающимися шпинделями и камнями, вентиляторы и т. п.).

В приложениях к инструкции приведены указания об определении положения центра тяжести и моментов инерции машин.

Инструкция не рассматривает нагрузки от кузнечных молотов, прокатного оборудования и других машин, устанавливаемых на отдельных фундаментах.

1.2.    Динамические нагрузки от данной машины полностью определены, если известны направления действия и законы изменения во времени их главного вектора и главного момента.

Динамические нагрузки для большинства машин изменяются по гармоническому закону и только в отдельных случаях выражаются некоторыми периодическими негармоническими функциями времени. Эти функции разлагаются в тригонометрические ряды, из которых

5

для целей динамического расчета используются первые, а иногда и высшие гармоники.

Динамические силы и моменты вычисляются как геометрические суммы сил и моментов сил инерции движущихся частей, ускорения которых определяются кинематикой механизма машины.

Если машина имеет номинально уравновешенные, а фактически неуравновешенные движущиеся части, то динамическая нагрузка зависит от эксцентрицитетов вращающихся частей или от разности весов возвратно-поступательно движущихся частей, номинально уравновешивающих друг друга.

1.3.    Различаются нормативные и расчетные динамические нагрузки, развиваемые машинами. Нормативные динамические нагрузки определяются согласно п. 1.4, а расчетные — согласно п. 1.5 настоящей инструкции.

1.4.    Нормативная динамическая нагрузка развивается машиной в ее нормальном состоянии, отвечающем техническим требованиям по эксплуатации машин.

Амплитуда динамической силы, изменяющейся по гармоническому закону, определяется по формуле

R — те^^г,    (1)

где    Я —нормативная амплитуда динамической

силы;

т— масса возвратно-поступательно движущихся или вращающихся частей машины, определяемая по формуле

т = ——;    (2)

ё

е— амплитуда перемещения центра масс, равная радиусу эксцентрика, половине хода в машинах с возвратно-поступательным движением массы, нормальному эксцентрицитету вращающейся массы в ротационных машинах или нормальному приведенному эксцентрицитету при сложном движении частей;

2 к

(о=-эд—N—круговая частота вращения главного вала машины в секг^ху где N — число оборотов главного вала машины в мин\

G—номинальный вес возвратно-поступатель-

но движущихся или вращающихся частей машины; g— ускорение силы тяжести.

Для машин с конструктивно неуравновешенными движущимися частями величины G и е известны (например, в машинах с эксцентриковыми механизмами G равно сумме весов движущихся частей, а е — радиусу эксцентрика).

Для машин с номинально уравновешенными вращающимися частями (центрифуги, вентиляторы и т. п.) величина G представляет собой полный вес вращающихся частей (например, в центрифугах — вес барабана и вала вместе с заполнением), а величина е — эксцентрицитет, равный расчетному смещению центра вращающихся масс от оси вращения.

Приведенный эксцентрицитет для вычисления нормативной амплитуды динамической силы по формуле (1) принимается согласно указаниям разделов 4, 5, 6, 10 и 12 настоящей инструкции.

Возмущающая сила R от ротационных машин, определяемая по формуле (1), постоянна по величине и вращается с угловой скоростью со в плоскости, перпендикулярной оси вращения и проходящей через центр тяжести вращающихся частей. Она может быть разложена по любым двум неподвижным взаимно перпендикулярным осям, расположенным в этой плоскости и имеющим начало координат на оси вращения, на составляющие /?sinco/ и Rcosut.

1.5. Расчетная динамическая нагрузка вычисляется путем умножения нормативной динамической нагрузки на коэффициент перегрузки £_д , принимаемый для машин по табл. 1.

В отдельных случаях, указанных в тексте инструкции, коэффициент перегрузки принимает промежуточное значение между значениями 1,3 и 4.

Таблица 1

Значения коэффициента перегрузки

Коэффициент

перегрузки

Машины с конструктивно неуравновешенными движущимися частями.................. 1,3

Машины с номинально уравновешенными, а фактически неуравновешенными движущимися частями....... 4

Коэффициент перегрузки введен в связи с тем, что фактическая динамическая нагрузка может превышать ее нормативное (среднее) значение (и. 1.4) вследствие возможных отклонений величин G и е от их нормальных значений (в особенности большие отклонения возможны в величине е для машин с вращающимися частями), что связано с изменением режима работы машины, увеличением зазоров в подшипниках при их длительной работе и т. д.

1.6.    В инструкции определяются динамические силы и моменты, возникающие в машине, которые при различном опирании машины на перекрытие будут определенным образом распределяться по опорам.

При сосредоточенном опирании машины на перекрытие считается, что динамические силы приложены сосредоточенно в точках опирания согласно схемам табл. 2; при этом если отношение расстояния а между опорами машины по длине (/) элемента перекрытия к длине / меньше 0,2, то сосредоточенные в местах опирания машины силы могут быть заменены силой и моментом, приложенными в точке, являющейся проекцией точки приложения инерционной силы R.

При сплошном опирании машины на перекрытие, а также при любом опирании машины на постамент динамические силы и моменты считаются приложенными к перекрытию сосредоточенно в одной точке, являющейся проекцией точки приложения инерционной силы R, согласно табл. 2.

Для виброизолированных машин динамические силы принимаются приложенными к перекрытию по указанным схемам, при этом под опорами машин понимаются виброизоляторы. На конструкцию передается лишь некоторая доля от динамических сил, возникающих в машине, а остальная часть уравновешивается силами инерции, возникающими при колебаниях виброизолиро-ванной установки. Составляющие амплитуды динамической силы, передающейся в каждой опоре на конструкцию, равны произведениям амплитуд колебаний станины, определенных в месте расположения этой опоры, и жесткостей виброизоляторов, взятых в соответствующих направлениях.

1.7.    Если рабочее число оборотов главного вала машины может изменяться в некоторых пределах, то при вычислении амплитуд динамических нагрузок необходимо принимать максимальное число оборотов главного

10

вала, а при установлении частоты изменения динамических нагрузок с целью проверки строительных конструкций на резонанс необходимо принимать полосу изменения частоты от минимального до максимального значения, соответствующих минимальному и максимальному значению числа оборотов главного вала.

1.8. В инструкции даются динамические нагрузки от действия одной машины. При совместном расположении нескольких машин их суммарное воздействие определяется действующими инструкциями по проектированию и расчету несущих конструкций зданий с динамическими нагрузками. Если расчетная динамическая нагрузка определяется не путем умножения нормативной динамической нагрузки на коэффициент перегрузки, а из условия аварийного режима работы машины (как, например, по молотковым дробилкам), то в таких случаях расчет ведут на нормативную нагрузку от я—т машин и на расчетную нагрузку от т машин, располагая последние на конструкции невыгоднейшим способом. Число m принимается равным 1 при я = 1 + 10, 2 при я = 11 -s-20 и т. д.

2. МАШИНЫ

С КРИВОШИПНО-ШАТУННЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

2.1. Основными динамическими нагрузками машин с кривошипно-шатунными механизмами (дизелей, поршневых компрессоров и насосов, прессов, лесопильных рам, вибрационных центрифуг и т. п.) являются неуравновешенные силы и моменты сил инерции движущихся частей кривошипно-шатунных механизмов, представляемые в виде суммы гармоник, первая из которых имеет частоту вращения главного вала, вторая — удвоенную частоту вращения главного вала и т. д. Эти силы и моменты называются динамическими нагрузками первого, второго и т. д. порядка.

Амплитуды динамических нагрузок высокого порядка по сравнению с амплитудами динамических нагрузок первого и второго порядка малы. Поэтому определение амплитуд вынужденных колебаний строительных конструкций, на которые опираются машины с кривошипношатунными механизмами, обычно производят только с учетом динамических нагрузок первого и второго порядка, пренебрегая влиянием динамических нагрузок более высокого порядка.

11