机械系统设计(2).pptx

第五章 支承系统设计5.1 支承系统的功用和基本要求5.2 支承系统的静刚度5.5 支承系统的热特性5.6 机械系统（机器）的基础5.3 支承系统结构设计5.4 支承系统的动态特性5.1 支承系统的功用和基本要求 支承系统支承系统：机械系统的子系统，机械系统中用于支承和安装其他系统的支承件（称又基础件）所构成的总体。 支承件：支承件：底座、床身、立柱、横梁、支座、支架、箱体、门架、桁架、刀架、工作台、升降台和箱体等。它们一般都比较大，故也称为“大件”。 一、支承系统的功用一、支承系统的功用支承系统的基本功用： 支承和安装机械系统中的其他系统。 承受各种静态力和动态力。 保证各零部件之间的相对位置精度和运动部件的运动精度。 支承件的内部用作电气箱、液压油、润滑油或冷却液压的储存器等。5.1 支承系统的功用和基本要求 支承系统是机械系统的一个重要组成部分，在整个机械系统的总重量中占有相当大的比例(在机床中约占70%90%)，通常是结构最复杂、制造最费工、造价最昂贵的零部件。 一个机械系统的支承件往往不只一个，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。 机械系统工作时，执行件所受的力和力矩都通过支承件作用在基础和地基上。如，机床在切削加工时，刀具和工件间的作用力都要通过支承件逐个传递，故支承件会变形。5.1 支承系统的功用和基本要求 机械系统所受的动态力（如机床上变化的切削力、机械系统中旋转件的不平衡等）会使支承件和整个机械系统振动。严重的变形和振动会破坏被支承零、部件的相互关系。 支承件在很大程度上影响着机械系统的安装精度、工作精度、抗振性和可靠性。因此，正确设计支承系统，对减轻重量、节约材料、降低成本、提高系统性能和寿命等至关重要。5.1 支承系统的功用和基本要求 梁类梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件。 例：床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。 板类板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件。 例：底座、基础板、工作台、刀架等。 箱类箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件。例：箱体、壳体、机匣、升降台等。 框架类框架类：又称机架类。例：支架、桥架、桁架等。按结构可分为整体式整体式和装配式装配式。 5.1 支承系统的功用和基本要求二、支承系统的分类二、支承系统的分类按形状可分为四类：三、支承系统的基本要求三、支承系统的基本要求 根据支承件的功用可知，对支承件的基本要求是： 1.1.足够的静刚度足够的静刚度 2. 2.较好的动特性较好的动特性 3.3.良好的热特性良好的热特性 4. 4.小的内应力小的内应力 5.5.其他其他 在设计支承件时，应考虑吊运安全方便，液压、电器布置合理以及便于加工和装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。5.1 支承系统的功用和基本要求 按制造方法又可分为铸造、焊接、铆接铸造、焊接、铆接和组合式组合式四类。 支承件的设计步骤：支承件的设计步骤： 首先进行受力分析，受力分析，再根据受力和其他要求（如排屑、安装其他零件等）参考同类机械系统设计支承件的设计支承件的形状和尺寸，形状和尺寸，然后，在计算机上用有限元法进行验算，求出它的静、动态特性求出它的静、动态特性。经多次修改，并从几个方案中选出最好的方案。选出最好的方案。这样，可在设计阶段预测支承件的性能，从而避免盲目性。 5.1 支承系统的功用和基本要求5.2 支承系统的静刚度支承件的静刚度支承件的静刚度 支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力。1.1.自身刚度自身刚度2.2.局部刚度局部刚度3.3.接触刚度接触刚度图 5-1 截面畸变FF（b）（c）（a）Fc1Fc2图 5-2 局部变形 2. 2.局部刚度：局部刚度：局部变形发生在载荷集中之处。5.2 支承系统的静刚度 1. 1.自身刚度：自身刚度：支承件抵抗自身变形的能力。 支承件所受的载荷主要是拉压和弯扭，其中弯扭是主要的。因此，支承件的自身刚度，主要考虑的是弯曲刚度和扭转刚度。 3. 3.接触刚度：接触刚度：两个平面接触时，不可能是理想的平，因而实际接触面积只是名义接触面积的一部分。再加上微观的不平，两平面真正接触的只是一些高点。5.2 支承系统的静刚度 影响接触刚度的因素有：接触表面的粗糙度、接触表面的实际接触点及其均匀分布程度、构件材料的弹性和塑性、载荷(相对运动接触面)或预加载荷(固定接触面)的大小及其分布。 对于螺栓固定联接的接触面，通过确定紧固螺栓的数量及其分布，对于螺栓固定联接的接触面，通过确定紧固螺栓的数量及其分布，规定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。规定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。 对于重要表面可通过合理确定其表面硬度，增加单位面积内的接触对于重要表面可通过合理确定其表面硬度，增加单位面积内的接触点数等措施来进一步提高接触刚度。例：对于机床固定接触面，高精点数等措施来进一步提高接触刚度。例：对于机床固定接触面，高精度机床要求每度机床要求每25mm25mm25mm25mm接触点达接触点达1212点，精密机床点，精密机床8 8点，普通机床点，普通机床6 6点。点。5.3 支承系统结构设计 选择支承件截面形状的原则： 具备较高的刚度和强度； 便于安装其他零部件。 支承件承受的载荷主要是弯矩和扭矩，其变形主要是弯曲和扭转。抗弯、抗扭刚度与截面面积和截面形状(惯性矩)有密切关系。常见截面形状的抗弯、抗扭惯性矩如表5-1一、截面形状选择一、截面形状选择序 号1234截面形状抗弯惯性矩cm480024164027%100302503抗扭惯性矩cm4160048328054108%1003025037表表5.1 5.1 截面形状和惯性矩的关系截面形状和惯性矩的关系5.3 支承系统结构设计中的几个问题序 号5678截面形状抗弯惯性矩cm4833246041706930%104308521866抗扭惯性矩cm41460415170375590%882594403505.3 支承系统结构设计中的几个问题5.3 支承系统结构设计中的几个问题由惯性矩的相对值可以看出： 1.1.空心截面惯性矩比实心的大空心截面惯性矩比实心的大，因此，加大轮廓尺寸、减小壁厚，可有效提高截面刚度。 2.2.方形截面方形截面抗弯能力大，圆形截面圆形截面抗扭能力强，矩形截面矩形截面抗弯能力更好。 3.3.封闭截面封闭截面比非封闭截面的刚度大刚度大的多。 二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条 一般说来，提高支承件的强度和刚度有两种方法： 增加壁厚；设置肋板和肋条。增加壁厚；设置肋板和肋条。 通常设置肋板和肋条的方法更为有效，既可保证质量，又可减轻重量。 1.1.隔板隔板( (肋板肋板) ) 在两壁之间起连接作用的内壁称为隔板(或肋板)。隔板的功用在于将支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，由整个支承件各壁板共同均匀地承受载荷，从而提高支承件的自身刚度。5.3 支承系统结构设计中的几个问题(a) 纵向隔板AA(b) 横向隔板图5-4 隔板的布置形式(c) 斜向隔板 图5-4a为纵向隔板，其隔板布置在弯曲平面内，能够有效地提高支承件的抗弯刚度。 图b为横向隔板，主要用于提高空心支承件的抗扭刚度。 图c为斜向隔板，兼有提高抗弯和抗扭刚度的效果。5.3 支承系统结构设计中的几个问题隔板有纵向隔板、横向隔板和斜向隔板三种基本形式。 2.2.肋条肋条 肋条又称为加强筋，它与隔板的区别在于筋条不是连接两壁而是布置在某壁上，高度一般较小。主要是为了减少局部变形和抑制薄壁振动，这对于需在内部安装其他机构而妨碍设置隔板的支承件来说，是一种行之有效的方法。(e) 米字形筋(a) 直筋(f) 井字形筋(b) 三角形筋(c) 交叉筋(d) 蜂蜜形筋图5-5 筋条的布置形式 例例：图5-5是壁板上的几种肋条布置形式。5.3 支承系统结构设计中的几个问题 设计支承件的结构必须重视它的工艺性，包括铸造、焊接以及机械加工的工艺性。 例如，铸件的壁厚应尽量均匀或截面变化平缓，要有出砂孔使于水爆清砂或机械化清砂（风轮能进入铸件内），要有起吊孔等。 结构工艺性不单是个理论问题，因此，除要学习现有理论（参阅手册等文献）外，还要注意在实践中学习，注重积累经验。5.3 支承系统结构设计中的几个问题三、材料的选择和时效处理三、材料的选择和时效处理 1.铸铁铸铁 5.天然岩石及陶瓷天然岩石及陶瓷 2.钢钢 6.时效处理时效处理 3.轻合金轻合金 7.焊接支承件焊接支承件 4.混凝土混凝土 5.3 支承系统结构设计中的几个问题 1.1.铸铁铸铁 铸铁的铸造性能好，易于铸造结构复杂的支承件，并具有良好的减振性和耐磨性减振性和耐磨性，价格便宜，应用最广。但铸件需作木模，制造周期较长。支承件常用的铸铁材料有灰铸铁(HT100、HT150、HT200、HT250、HT300)、球墨铸铁(QT450-10、QT800-02)及耐磨铸铁等。5.3 支承系统结构设计中的几个问题2.2.钢钢 铸钢的弹性模量较大，强度大于铸铁，且抗拉和抗压强度接近相等。有些特种钢还有耐热、耐蚀等特殊功能。但铸造性能和抗振性不如铸铁。一般只有需要支承件的强度高、刚度大且形状又不复杂时，才考虑采用铸钢。支承件常用的铸钢材料有ZG200-400、ZG230-450 ZG270-500等。5.3 支承系统结构设计中的几个问题5.3 支承系统结构设计中的几个问题3.3.轻合金轻合金 轻合金应用于支承件较多的是铝合金。铝合金。它的密度只有铁的1/3，且有些铝合金还可以通过热处理进行强化，使其具有足够高的强度，并有较好的塑性、良好的低温韧性和耐热性。目前，日本轿车的发动机缸体已全部采用高强度铝合金，部分变速箱也开始采用铝合金。所以，对于减轻支承件重量具有重大意义的运行式机械如飞机、汽车、拖拉机、起重机等来说，应考虑采用轻合金。 支承件常用的铸铝合金材料有ZAlSi7Mg、ZAlSi9Mg、ZA1Si12Cu2Mg1、ZalZn11Si7。5.3 支承系统结构设计中的几个问题4.4.混凝土混凝土 这类支承件主要应用于机床中的床身、立柱、底座等。混凝土的比重是钢的1/8，弹性模量是钢的1/101/16，阻尼高于铸铁、且成本低廉，适用于制造受载面适用于制造受载面积大、抗振性要求高的支承件。积大、抗振性要求高的支承件。 目前，在高速切削机床，持别是超高速切削机床的床身制造中，由于主轴直径的圆周速度已达到或超过125m/s，为了获得良好的动态性能，床身完全由聚合水泥混凝土材料制成。5.5.天然岩石及陶瓷天然岩石及陶瓷 这一类材料膨胀系数小，热稳定性好，膨胀系数小，热稳定性好，又经长期自然时效，残余应力小，性能稳定、精度保特性好性能稳定、精度保特性好，阻尼阻尼系数系数比钢大大16倍，耐磨性耐磨性比铸铁高高610倍。目前在三坐标测量机工作台、金刚石车床床身的制造中，已将花岗岩、大理石作为其标准材料，国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。5.3 支承系统结构设计中的几个问题5.3 支承系统结构设计中的几个问题6.6.时效处理时效处理 支承件在铸造或焊接过程中所产生的残余应力，必须予以消除，以免在使用过程中因残余应力重新分布或逐渐消失而产生变形。普通粘度的支承件，安排一次时效处理即可。精密支承件则常在粗加工前后各安排一次时效处理。至于高精度支承件，除进行两次时效处理外，还应将支承件坯件放在露天一年左右，以进行自然时效处理。5.3 支承系统结构设计中的几个问题7.7.焊接支承件焊接支承件 据统计，全世界约有约有45%45%的钢材采用焊接方法来成形，的钢材采用焊接方法来成形，其中大部分用作支承件。其中大部分用作支承件。焊接支承件一般由钢板和钢管等型钢焊接而成。由于焊接结构壁厚薄、重量轻、固有频率高，并能通过有效措施提高抗振性，且能大大缩短生产周期，因而在改型和单件小批生产中，特别是大型、重型机械中应用得较为普遍。支承件常用的焊接材料有Q235、20和25号碳钢、15Mn、16Mn、20Mn、16MnTi、15MnSi等。5.3 支承系统结构设计中的几个问题四、其它四、其它 在支承件上开孔时，应注意合理开孔并加盖；合理开孔并加盖； 注意提高支承件的局部刚度和接触刚度；局部刚度和接触刚度； 重视支承件的结构工艺性等。5.4 支承系统的动态特性 支承系统除要满足静刚度外，还要满足动态特性动态特性的要求。 动态特性：动态特性：n固有频率固有频率:不与激振频率重合；n具有较高的动刚度动刚度:（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）n较大的阻尼阻尼:使支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值较小。 5.4 支承系统的动态特性一、固有频率和振型一、固有频率和振型 单自由度振动系统只有一个固有频率和一个振型，其力学模型如图a所示。它的集中质量（将系统质量简化为集中质量）m装在无质量的弹性杆上，刚度为K，振动的两个极限位置在图中用双点划线表示。 二自由度振动系统的力学模型如图b和c所示。它的两个集中质量ml和m2装在两根无质量的弹性杆上，刚度分别为Kl和K2。它有两个振型： 图b ：第一个振型是ml和m2同时向上或向下； 图c：第二个振型是ml和m2的相位差180。 这两个振型各有自己的固有频率。 5.4 支承系统的动态特性 振型和固有频率合称为模态模态。 一般把各模态按固有频率从小到大排列，其序号称为“阶阶”。 图5-6b的固有频率比图c的低，因此，称图b为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态。 图c为第二阶振型，其固有频率为第二阶固有频率，合称第二阶模态。5.4 支承系统的动态特性5.4 支承系统的动态特性 支承件是一个连续体，质量和弹性都连续分布，有无穷多个自由度，也就有无穷多阶模态。 在大多数机械系统上激振力的频率一般都不太高，只有最低几阶模态的固有频率才可能与激振力频率重合或接近。 高阶模态的固有频率远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对系统的工作质量影响不大。 因此，只需研究最低几阶模态即可。 现以某车床床身的水平方向的振动为例说明它的最低几阶模态。 （a）（b）（c）（d）xyOz图5-7 车床床身的振型5.4 支承系统的动态特性1.1.第一阶模态第一阶模态整机摇晃振动整机摇晃振动 床身作为一个刚体在弹性基础上作摇晃振动，其振型如图5-7a所示。主振系统是床身和底部的连结面。振动的特点是床身各点的振动方向一致，同一水平线上各点的振幅相差不大，离结合面越远的点振幅越大。整机摇晃的固有频率取决于床身的质量、固定螺钉和接触面处的刚度。其值较低，大约在1530Hz范围内，常见的是2025Hz。2.2.第二阶模态第二阶模态一次弯曲振动一次弯曲振动 振动的特点是各点的振动方向一致，上下振幅相差不大，但沿床身纵向（其振型如图5-7b）越接近中部的振幅越大，越接近两端的振幅越小。其固有频率约为l10 Hz左右，一般在80140Hz范围内。3.3.第三阶模态第三阶模态一次扭转振动次扭转振动 主振系统仍是床身本体，振型如图c所示。振动的特点是床身两端的振动方向相反，振幅值分布呈两端大中间小。而且，在靠近中部有一条线AB，在这条线上及附近，振幅等于零或接近于零。在这条线的两侧，振动方向相反，称该线为节线。A、B点称为上、下节点。频率范围约在30l20Hz，常见的是4070Hz。 4.4.第四阶模态第四阶模态二次扭转振动二次扭转振动 主振型仍是床身本体，其振型如图5-7d所示。振动的特点是有两条节线AB和CD，在两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，但与两节点线间的振动方向相反。 此外，还有二次扭转、三次弯曲、纵向振动等。这些模态的固有频率一般都较高，已远离可能出现的激振频率，因此，一般不予考虑。5.5.薄壁振动薄壁振动 对于某些面积较大而又较薄的壁板，以及罩、盖等容易发生所谓的薄壁振动。 这类振动的主振系统是薄壁。 振动的固有频率较高，振动的幅值不大，属于局部振动。 薄壁振动对系统的工作质量如机床的加工精度影响不大，却是噪声源或噪声的传播媒介，必须足够重视。 5.4 支承系统的动态特性二、提高动刚度的措施二、提高动刚度的措施 改善支承件的动态特性，提高抗振性的关键是提高动刚度。 动刚度是共振状态下激振力幅值与振幅之比，可按下式计算 动刚度； K K d d2 2KK 式中：阻尼比； K 静刚度。5.4 支承系统的动态特性由式看出，提高静刚度提高静刚度K K和阻尼比和阻尼比可以提高动可以提高动刚度。刚度。换言之，在相同幅值激振力的作用下可以降低受迫振动的幅值。 提高静刚度的途径提高静刚度的途径是合理设计支承件的截面形状和尺寸，合理布置隔板和筋条，注意整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。 提高阻尼提高阻尼可以采取保留砂芯（常称对砂结构）、在构件中灌注混凝土、采用具有阻尼性能的焊接结构或安装阻尼装置等办法。5.4 支承系统的动态特性（a）卧式车床的床身（b）数控车床的床身21图5-8 提高阻尼的办法 图图a a是一种是一种100mm100mm卧式卧式车床的床身，型砂不清除，车床的床身，型砂不清除，依靠型砂与铸件壁和型砂与依靠型砂与铸件壁和型砂与型砂之间的摩擦来消耗振动型砂之间的摩擦来消耗振动能量，提高阻尼。能量，提高阻尼。 有资料介绍，结构相同、有资料介绍，结构相同、尺寸相同的两种车床床身，尺寸相同的两种车床床身，封砂结构的三阶模态（一次封砂结构的三阶模态（一次弯曲、一次扭转、二次弯曲）弯曲、一次扭转、二次弯曲）比不封砂的阻尼分别比不封砂的阻尼分别提高约提高约40%、78%、214%，效，效果十分显著。果十分显著。5.4 支承系统的动态特性（a）卧式车床的床身（b）数控车床的床身21图5-8 提高阻尼的办法5.4 支承系统的动态特性 图图b b是一种是一种48Omm48Omm数控车床的床身，为封数控车床的床身，为封砂结构，用粘接剂将床砂结构，用粘接剂将床身身2 2粘合在钢筋混凝土底粘合在钢筋混凝土底座座1 1上。床身上的导轨面上。床身上的导轨面与水平倾与水平倾7070，以便排，以便排屑。由于底座内混凝土屑。由于底座内混凝土的内摩擦阻尼很高，再的内摩擦阻尼很高，再配以封砂床身，使机床配以封砂床身，使机床具有很高的抗振性。具有很高的抗振性。 图c是预加载荷的减振头焊接结构，中间接触处D不焊接。冷却后，焊缝收缩，使D处压紧，从而形成了预加载荷。振动时通过相互移动的摩擦力来消耗能量。 5.4 支承系统的动态特性 图d为升降台式铣床的悬梁和受力情况，图e是悬梁头部安装阻尼装置的结构图。悬梁在水平面和竖直面内的弯曲和扭转振动的最大振幅均在悬梁的头部，悬梁的头部，因此，将阻尼装置放在该处。悬梁头部是一个封闭的箱形铸件，空腔内装几块铸铁并充满钢珠，再灌注高粘度油。振动时，油在钢珠间隙之间运动，产生粘性摩擦，再加上钢珠间的碰撞，可在较宽的频率范围内消耗振动能量。5.4 支承系统的动态特性 据资料介绍，竖直平面一次弯曲据资料介绍，竖直平面一次弯曲振动的固有频率，不装阻尼装置时为振动的固有频率，不装阻尼装置时为17OHz17OHz，安装阻尼装置后降为，安装阻尼装置后降为150Hz150Hz。由于阻尼装置使其阻尼提高，在此频由于阻尼装置使其阻尼提高，在此频率下的动刚度为不安装阻尼装置时的率下的动刚度为不安装阻尼装置时的3 3倍。倍。 还有资料介绍，为了提高升降台还有资料介绍，为了提高升降台式铣床的动刚度，采用钢材焊接结构式铣床的动刚度，采用钢材焊接结构（钢的弹性模量比铸铁高）（钢的弹性模量比铸铁高）, ,加大截面加大截面积，把悬梁做成全封闭的框形结构以积，把悬梁做成全封闭的框形结构以提高静刚度。同时在空腔内灌注混凝提高静刚度。同时在空腔内灌注混凝土或型砂，或装前述阻尼装置以提高土或型砂，或装前述阻尼装置以提高阻尼。阻尼。5.5 支承系统的热特性 一、支承系统的热变形一、支承系统的热变形n机械系统（如机床工作时）热变形的产生机械系统（如机床工作时）热变形的产生 电动机输入的能量电动机输入的能量 环境温度的变化和阳光的照射环境温度的变化和阳光的照射 内部和外部的热源，使机床的温度呈复杂周期性内部和外部的热源，使机床的温度呈复杂周期性变化。变化。 机床的热变形也不是一个定值。机床的热变形也不是一个定值。5.5 支承系统的热特性n机床热变形的危害机床热变形的危害 改变了各执行器官的相对位置和移动部件的位移轨迹，会降低机床的加工精度。由于机床温度变化的复杂周期性，还会使机床加工精度不稳定。 例如， 车床主轴部件前后轴承的温升不同，引起主轴中心线位置的偏移。 主轴箱的热膨胀使主轴中心线高于尾座中心线。 数控机床主轴的轴向膨胀，改变机床的坐标原点。 龙门铣床和龙门刨床工作台的高速运动，会使导轨面的温度高于床身温度，引起导轨中凸等。 热变形对自动机床、自动线、数控机床、精密和高热变形对自动机床、自动线、数控机床、精密和高精度机床以及精密机械系统的影响尤为明显。热变形已精度机床以及精密机械系统的影响尤为明显。热变形已成为进一步提高机床精度的主要限制条件。成为进一步提高机床精度的主要限制条件。 一般情况下，支承件的结构比较复杂，质量不均，一般情况下，支承件的结构比较复杂，质量不均，各处的受热情况不同，因此，支承件的热变形往往是不各处的受热情况不同，因此，支承件的热变形往往是不均匀的。这种不均匀的热变形比均匀的热变形的影响要均匀的。这种不均匀的热变形比均匀的热变形的影响要有害得多。有害得多。 问题：如何降低支承件热变形产生的危害。问题：如何降低支承件热变形产生的危害。5.5 支承系统的热特性1.1.散热和隔热散热和隔热 适当加大散热面积，增设与气流方向一致的散热片； 采用风扇、或人工致冷等都可加快散热。 将电动机、液压油箱、变速箱等热源移到与机械系统隔离的地基上，是常用的隔热办法。 5.5 支承系统的热特性二、提高支承系统热特性的措施二、提高支承系统热特性的措施 提高支承系统热特性就是设法减少热变形，特别是不均匀的热变形，以及降低热变形对加工精度的影响。2.2.均热均热 影响机械系统工作质量的不仅仅是温升，更重要的是温度不均。因此，使支承件的热变形均匀也是提高系统工作质量的一种措施。 可以用改变传热路线来使支承件的热变形均匀。例：图例：图5-105-10是在车床床身是在车床床身B B处开一处开一个浅缺口，装主轴箱的个浅缺口，装主轴箱的A A处是主要处是主要热源，热源，C C处是导轨。这样可使从处是导轨。这样可使从A A处传来的热量分散传至床身各处处传来的热量分散传至床身各处（如箭头所示），减小了床身的（如箭头所示），减小了床身的温度不均。温度不均。 图5-10 车床床身的均热A B C5.5 支承系统的热特性图5-11 立式矩台平面磨床立柱的均热（a）（b）例例：图5-11a是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成立柱后倾，使磨出的工件表面与安装基面不平行。图b是在磨头侧面装一条管子，将从电动机出来的热风引向后壁，提高了后壁的温度，使前后壁的温差缩小，这样，加工面的平行度大为提高。 5.5 支承系统的热特性3.3.使热变形对工作质量的影响较小使热变形对工作质量的影响较小 同样的温升，由于结构不同，热变形对工作质量的影响也不同。采用通常所说的“热对称”结构，可使热变形后对称中心线的位置不变，从而减小对工作质量的影响。5.5 支承系统的热特性 例：车床采用对称的双三角形导轨，可减小溜板在水平面内例：车床采用对称的双三角形导轨，可减小溜板在水平面内的位移和倾斜。的位移和倾斜。 图5-12 卧式铣床床身的“热对称”结构（a）（b）AAA-A 例：卧式升降台式铣例：卧式升降台式铣床的床身，如采用图床的床身，如采用图5-125-12a a所示的结构，由于后支承所示的结构，由于后支承内装的轴承多，后支承的内装的轴承多，后支承的温度高于前支承，使主轴温度高于前支承，使主轴端部向下倾斜。如改为图端部向下倾斜。如改为图b b所示结构，将后支座在横所示结构，将后支座在横向与两侧壁相连，则把由向与两侧壁相连，则把由上下热膨胀变为水平热膨上下热膨胀变为水平热膨胀，床身在水平方同是对胀，床身在水平方同是对称的，因此，可保持温升称的，因此，可保持温升前后、支承处中心的位置前后、支承处中心的位置不变。不变。 5.5 支承系统的热特性5.6 机械系统（机器）的基础 机械系统的工作质量和它们的工作寿命，在很大程度上，取决于是否正确地安装在它们的基础上。 基础的作用：基础的作用：均匀地把作用在其上的机器和加工工件重量，以及加工运转对产生的载荷，传给承载它的地基。 作为固定式动力性机械的机器应有一个合适的基础，以保证机器的正常工作和不干扰相邻机器、仪表及人员的工作。 机器基础设计是一个很复杂的工程问题，涉及工程地质学、土力学、建筑施工、机械动力学等多门学科。搞好机器基础设计，需要机械工程师与土建工程师的良好合作。图 5-13 机械的基础与地基地基机械基础一、机器基础的概念一、机器基础的概念 1.1.地基：地基：受机械载荷影响的那一部分地层。图5-13所示。 2.2.基础：基础：机械向地基传递载荷的中间结构体。 3.3.基组基组：基础、基础上的机械和附属设备以及基础上填土的总称。基组是由机械-基础-地基系统构成的一个振动综合体。 4.扰力：扰力：由于制造、安装、磨损、动失衡以及工艺特性等原因，引起机械运动零部件瞬时速度变化而产生的附加动力载荷。 5.6 机械系统（机器）的基础机械工程师应重视机器基础的设计，掌握机器基础设计的基本知识和原则。机械工程师应重视机器基础的设计，掌握机器基础设计的基本知识和原则。 机器基础的结构型式主要有三种： 1.块式：块式：常用钢筋混凝土做成整体。应用最广，其特点是基础刚度大，动力计算时可视基础本身为一刚性体，即不考虑其变形。 2.墙式：墙式：由顶板、纵墙、横墙和底板构成的基础。它的刚度介于大块式基础和框架式基础二者之间，应保证底板、纵横墙和顶板各构件的刚度及构造连接的整体刚度，如其构造符合规范要求，则其动力学计算可视同大块式基础。当机械要求安装在一定高度时常采用墙式基础。 3.框架式框架式：由顶层梁板、柱和底板构成的基础。它的上部属弹性的框架结构，因此常用于工作转速较高的机械，动力计算时一般按多自由度空间力学模型计算。5.6 机械系统（机器）的基础二、基础的结构型式二、基础的结构型式 一般说来对重型机器，如大型电动机、活塞式压缩机、锻压机及轧钢机等基础相当大者，则多采用块式、墙式及框架式组合而成。 而中、小型机器，例如一般机床基础则多采用单独块式和混凝土地坪式结构。 自动线上的机床，取宽度为1.53m，长度到6m，厚度为300600连续实体板式基础。5.6 机械系统（机器）的基础三、基础的设计三、基础的设计1.1.机器基础的基本要求机器基础的基本要求 足够的刚度足够的刚度：避免在载荷作用下产生过大的变形或倾斜； 足够的强度：足够的强度：避免在静力和动力载荷作用下产生破坏和开裂； 吸收振动：吸收振动：基础在扰力作用下不应产生过大的振动，以免影响机械本身的正常工作及邻近机械、设备、仪器的正常使用； 良好的经济性。良好的经济性。5.6 机械系统（机器）的基础2.2.基础设计时应取得的设计资料基础设计时应取得的设计资料 机械的型号、转速、功率、规格及轮廓尺寸图；机械的型号、转速、功率、规格及轮廓尺寸图； 机械自重及质心位置；机械自重及质心位置； 机械底座外廓图；机械底座外廓图； 辅助设备、管道位置和坑、沟、孔洞尺寸以及灌浆层厚度、地辅助设备、管道位置和坑、沟、孔洞尺寸以及灌浆层厚度、地脚螺栓和预埋件的位置；脚螺栓和预埋件的位置； 机械的扰力和扰力矩大小及其方向；机械的扰力和扰力矩大小及其方向； 基础的位置及其邻近建筑物的基础图；基础的位置及其邻近建筑物的基础图； 建筑场地的地质勘察资料；建筑场地的地质勘察资料； 地基动力试验资料。地基动力试验资料。5.6 机械系统（机器）的基础四、地脚螺栓固定四、地脚螺栓固定1 1 地脚螺栓在基础中的埋设方法可分为：地脚螺栓在基础中的埋设方法可分为： 可更换螺栓可更换螺栓 予埋不可更换螺栓予埋不可更换螺栓图 5-14 可更换螺栓的常用型式T型头螺栓对拧螺栓拧入螺栓 可更换螺栓多用于受冲可更换螺栓多用于受冲击及振动载荷大的大、重型机击及振动载荷大的大、重型机器，如轧钢机、冲压机、锻锤器，如轧钢机、冲压机、锻锤等，见图等，见图5-145-14。后者大、中、。后者大、中、小型机器都有使用。小型机器都有使用。5.6 机械系统（机器）的基础图5-15 不可更换螺栓（a）一次浇灌一次浇灌（b）二次浇灌二次浇灌（c）一次浇灌在上端留出位置调整方孔 一次浇灌法地脚螺栓与基础连接牢固，如图一次浇灌法地脚螺栓与基础连接牢固，如图a a，但当地脚螺栓位置偏移时不易校正；但当地脚螺栓位置偏移时不易校正；不可更换地脚螺栓又可分为一次浇灌法及二次浇灌法。不可更换地脚螺栓又可分为一次浇灌法及二次浇灌法。5.6 机械系统（机器）的基础 二次浇灌可避免位置偏差问题，但其连接强度又不如前二次浇灌可避免位置偏差问题，但其连接强度又不如前者见图者见图b b。也有采取先将地脚螺栓一次浇灌在基础内，然。也有采取先将地脚螺栓一次浇灌在基础内，然后在上端留出位置调整方孔的办法，以达到取长补短的目后在上端留出位置调整方孔的办法，以达到取长补短的目的，如图的，如图c c。2 2、地脚螺栓的材质：、地脚螺栓的材质： 一般用A3A5或碳素结构钢2045#。3 3、地脚螺栓经常承受拉应力及剪切应力：、地脚螺栓经常承受拉应力及剪切应力： 地脚螺栓的破坏一般是拉断或剪断，按如下经验公式计算其直径尺寸： 1.35p(d12/4) 式中：式中：d d1 1螺栓丝扣的内直径；螺栓丝扣的内直径； 1.351.35考虑予紧力系数；考虑予紧力系数； 地脚螺栓材质的许用应力。地脚螺栓材质的许用应力。5.6 机械系统（机器）的基础 4 4、地脚螺栓长度地脚螺栓长度 地脚螺栓按长度可分为长、短两种。中、小型或以静载荷为主的机器，用短地脚螺栓，它的总长度按下式计算： L L2020d d1 1+ +A A+(5+(510)10)式中，L螺栓总长度，mm； A安装垫铁高度、机器底座凸缘和螺母、垫圈厚度的总和，mm； d1螺栓丝扣的内直径，mm。 5.6 机械系统（机器）的基础 5 5、基础的基本材料、基础的基本材料 采用混凝土或钢筋混凝土。 对中、小型机器，如一般机床，可用C10（原100）号的混凝土。 对大、重型机器，且工作中又伴随着冲击或动载荷的，取标号C12以上，以至C20号的钢筋混凝土。 对于有防水、防油、防渗等要求的基础，应采用C20防水混凝土。5.6 机械系统（机器）的基础6 6、钢筋的配置、钢筋的配置 一般采用级或级钢筋，材质可取A3，16Mn等，其直径多采用6.516的光面或螺纹钢筋。 配置钢筋应按混凝土结构设计规范GBJ10-89的有关规定进行。 5.6 机械系统（机器）的基础 7 7、基础浇灌、基础浇灌 按其外廓尺寸挖好土抗，坑底面应平整；铺上100300mm厚的碎石或毛石垫层，灌以75#沙浆；支好盒子扳，最好用装配式盒子板，以便拆除；基础浇筑前应对配筋、预留孔、予埋地脚螺栓的坐标位置及标高、水、电、风、气等管路的部位进行严格的综合检查；浇灌时混凝土必须搅拌均匀；其自由落差最好不要大于2000mm，应分段分层连续进行浇灌，中间不要间断；为增加混凝土的密度，以提高其强度，可用机器或人工捣固；浇好后应对基础进行初步验收，待它养生到设计强度的50时，就可开始进行设备安装了。5.6 机械系统（机器）的基础