压缩机撬装底盘设计
1 金属结构概述
金属结构，是由轧制型钢和钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用栓接、铆接、焊接的方法连接起来用于承受载荷的结构物。
在压缩机成套设备开发实践中，金属结构部件主要有容器、管道及支撑、气缸支撑、撬装底盘等。其中，容器、管道及支撑、气缸支撑都有标准及设计参考资料，而对于压缩机撬装底盘的设计却还没有什么专门的论述。
本人通过对《非标准机械设备设计手册》·第五章. 起重机金属结构论述的研究，并结合压缩机撬装底盘具体承载情况，提出了针对压缩机撬装底盘的结构设计、受力分析、强度校核的一种方法。
2 许用应力法
许用应力，就是将所用材料的抗拉强度、屈服强度按受力情况除以一定的安全系数后得到的在构件使用条件下所允许的强度上限。
许用应力法，就是将构件所受应力限制在许用应力内。
3 撬装底盘强度校核
下面以2D12/90压缩机用撬装底盘为例，通过受力分析、最大应力校核说明压缩机撬装底盘设计时应遵循的原则和分析计算方法。
3.1 底盘受力分析
3.1.1 主要载荷
压缩机撬装底盘主要承受机组本身的自重，压缩机工作过程中的不平衡惯性力、惯性力矩，及压缩机安装时地脚螺栓的预紧力。
如附录一：2D12/90撬装底盘简化结构图，机组重心为O 点；不平衡惯性力矩绕过O 点且垂直于XOY 平面的轴Z 产生作用；主机底支座地脚螺栓的预紧力作用于7-φ52孔处。
3.1.2 危险截面
经过受力分析，底盘上①、②号槽钢上的开孔A1或A2处，因为开φ52孔使槽钢结构受到很大的破坏，孔处槽钢背侧承受了最大的弯曲应力，必须校核。
因为，机组几乎所有重量都压在了③、④号槽钢上，所以结构中B 、B’、B’’、B’’’处的焊接接头承受了最大的剪切应力，所以必须校核。
3.2 许用应力
撬装底盘使用：槽钢250X80X9-Q235-B/GB/T707-1988。
查GB/T 700-1988《普通碳素结构钢》得Q235-B 常温下：
抗拉强度：σb ＝400MPa
屈服强度：σs ＝235MPa
=σb 400五章. 起重机金属结构·表5-1. 钢材的安全系数和许用应力计算，并结合撬装底盘主要承受静载荷的情况，选取许用应力安全系数：n ＝1.15，则 =0.588
许用拉伸、压缩、弯曲应力：[σ]=
许用剪切应力：[τ]=n
3.3 地脚螺栓预紧力 许用挤压应力：[σc ]=1.5[σ]=1.5×204=307(MPa) ==118(MPa) [1]=1.15=204(MPa)
3.3.1 地脚主螺栓预紧力
主机底座有7条GB/T799-M42×1150-6.3与基础直接相连的主地脚螺栓。计算每条螺栓的预紧力： Q z =
μ [2]，N 式中，K -----预紧系数，K ＝1.4～1.7[3]，这里：K ＝1.5 μ-----底盘与主机底座间的摩擦系数，μ＝0.15[3] I z -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
L 1+L2+L3+L4+L5+L6+L7 I z = ，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
L1～7-----主螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
L 1＝L 2＝845 mm，L 3＝L 6＝935 mm，L 4＝L 7＝807 mm ，
L 5＝440 mm
可知： I z 螺栓预紧力：Q z =0.153.3.1.1 基础最大压应力
设机组安装时，每条地脚主螺栓处所加垫铁面积：F’＝0.04m 2。
设机组安装时，主机底座正下方所加垫铁总面积：F’ ’＝0.4m 2。
则，机组对基础最大应力：
′ σcJ =σ′cJ +σcJ ≤[σcJ ] ，MPa =49152(N) 。 =4915.2(N)
σ′′cJ -----机组总重量G 对基础的压应力，MPa
σ′cJ = σ′′cJ = 式中，σ′cJ -----地脚主螺栓预紧力对基础的压应力，MPa G-----机组总重量，kg ，这里：G ＝13000kg
F ′′0.04×10−6==
0.4×10−6=0.32(MPa)
机组对基础最大压应力：σcj =1.23+0.32=1.55(MPa )
可见，此时压缩机组对基础的压应力已经达到基础许用压应力的极限。在将2D12主机底座主螺栓孔由9个改为7个后，对基础的压应力已经达到基础许用压应力的极限。
在主机底座主螺栓孔为9个时，经计算本机组对基础的压应力：σcj =1.28MPa ，处于许用压应力的中间值附近，比较合理。
3.3.2 主机底座安装螺栓预紧力
在主机底座与撬装底盘连接处，安装有9条GB/T5783-M24X60-8.8螺栓。
Q a =μ [2]，N
式中， I a -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
I a =S 1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8+S9，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
S1～9-----安装螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
S 1＝S 4＝718mm ，S 2＝625 mm，S 3＝S 5＝892 mm，S 6＝S 7＝829 mm，
S 8＝S 9＝544 mm
可知： I a 螺栓预紧力：Q a =
Q d =0.153.3.3 底盘地脚螺栓预紧力
在撬装底盘周边与基础连接处，安装有12条GB/T799-M24×800-6.3螺栓。
f =41866(N) 。 =4186.6(N) [2]，N
式中， I d -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
I d =Z 1+Z2+Z3+Z4+Z5+Z6+Z7+Z8+Z9+Z10+Z11+Z12 ，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
f ------撬装底盘与基础间的摩擦系数，这里：f ＝0.4[3]
S1～9-----底盘地脚螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
Z 1＝Z 4＝1750mm ，Z 2＝Z 3＝1404 mm，Z 5＝Z 6＝1268 mm，
Z 7＝Z 12＝1590 mm，Z 8＝Z 9＝1178 mm，Z 10＝Z 11＝1202 mm，
可知： I d =(1750+1404+1268+1590+1178+1202)×2=1644(N)
螺栓预紧力：Q
3.4 起吊应力校核 d 0.4
3.1.1 开孔A 处弯曲应力= =6165(N) 。
如右图，将开孔A 处槽钢背侧简化为图中所示结构。在
不考虑表面垫板的情况下，A 处截面的弯曲应力：
σ
式中，M A -----A A =W 处截面上的弯矩，A ×103
G -----A =机组总重量，kg ，按3.3.1.1
S-----A 孔中心到下吊装点的距离，mm ，按附录一：S ＝845 mm
e-----A 孔中心到压力作用中心的距离，mm ，按附录一：e ＝180 mm L-----上下两吊装点的距离，mm ，按附录一：L ＝2005 mm
M
W A -----A A =处截面的抗弯截面模量，2×2005×10mm =3 17870(N∙M)
W
[σ]-----A =槽钢材料的许用弯曲应力，6=6=93750(mmMPa ，按3) 3.2：[σ]＝204MPa
可得： σ
所以，开孔A A =处槽钢弯曲应力安全。93750×103=190.6 (MPa )
3.1.2 B处焊缝剪切应力 处
如右图，B 处焊接接头的剪切应力： τ
式中，G -----B =机组总重量，4F B
FB -----B 处焊接接头面积，mm 2
F
B ==2460(mm
[τ(2h +b ) c =(2×80+250B ]-----焊接接头的许用剪切应力，2
起重机金属结构·表) 5-17. ) MPa ×6 ，按《非标准机械设备设计手册》·第 五章. 焊缝的许用应力计算：
[τ 可得： τB ]115.4(MPa)
所以，B 处焊缝的剪切强度安全。B =4×2460=12.96(MPa)
≪[τ]
3.5 槽钢刚度校核
在撬装底盘的整个结构中，①、②号槽钢所承受的载荷最大、力臂最长、中心挠度最大。下面对②号槽钢的刚度进行校核。
如右图，最大挠度为：
f =x
式中，G -----机组总重量，kg ，按3.3.1.1
E-----槽钢材料弹性模量，GPa
这里：E ＝200GPa [2]，
Ix -----槽钢材料弹性模量，mm 4，I ＝3.53×107mm 4 [2]
[f]-----槽钢许用挠度，mm ，这里：[f]＝L/500＝4.01 mm
可得： f = 所以，①、②号槽钢的刚度在许用范围内，安全。 =1.47mm
3.6 结果和结论
3.6.1 结果
经过上述强度校核，2D12/90压缩机用撬装底盘简化为附录一所示结构后，仍然满足使用要求，在吊装、运转时是安全的。
3.6.2 结论
1）尽量使用槽钢背侧（为主要着力点）连接承重梁的端部。
2）尽量使用槽钢开口侧背向重心，且在重心两侧对称布置。
3）利用槽钢背向容易变形，开口向不易变形的特点合理的使用各向的优点，以降低角接或对接焊缝的拉脱应力，使焊缝主应力为剪切应力。（本例不符合这一条）
4）吊装位置要考虑力矩的平衡性，以降低承重梁的弯曲应力，达到节约材料目的。 4 关于2D25/1-80-01-04吊耳的分析
如右图a 所示，槽钢内即为吊
耳，是王小林同志在京城环保工作
期间设计的。去掉吊装时用的象鼻
部分后如图b 所示，为加强槽钢上
下两面抗弯能力的主要部分。
在撬装底盘中的槽钢受力形式
主要是：均布载荷和集中载荷。当
槽钢上面承受均布载荷时，在材料
中应力的呈抛物线形分布(如图c) 。
当承受集中载荷时，应力分布与距
离X 成正比(如图d) 。
4.1 吊耳倾角
下面以集中载荷为例，如图d 所示，论述吊耳内斜边的倾角的由来。
槽钢上侧在X 长度处截面所受弯曲应力：
σx =W ，MPa
式中，Mx -----距离受力点X 长度处的弯矩，N·M
可知：σx = M X =QX ，N·M W W-----槽钢上面X 处截面的抗弯截面模量，mm 3，可按3.1.1计算 ，MPa
可见，槽钢上侧弯曲应力与X 的大小成正比，即可知吊耳内斜边的倾角为45°。
4.2 象鼻倾角
如右图所示，吊装时吊耳受力F 作用，倾角约为70。当
吊装时，象鼻部分N-N 截面上的应力有：剪切应力和弯曲应
力。剪切应力沿法线方向均匀不变，即图中45°角下边线；
但弯曲应力沿法线方向成正比增加，即图中45°角上边线。
由图中测量可知，角上边线与水平方向夹角大约为60°，
所以，吊耳象鼻倾角应设计成60°。
4.3 最大起吊重量
单片吊耳起吊重物时，象鼻部在受力方向上有最大剪应
力。按下式计算最大剪应力：
τH =A H 式中，A H -----截面H-H 处的截面面积，这里：F max ＝356mm 2
[τ]-----吊耳材料的许用剪切应力，按3.2：[τ]＝118MPa
可知：F max =[τ]A H == 则，最大起吊重量为：G max =
参考文献
[1]. 范祖尧. 非标准机械设备设计手册. 第1版. 北京：机械工业出版社，2002-05
[2]. 成大选. 机械设计手册(单行本). 第1版. 北京：化学工业出版社，2004-01
[3]. 郁永章. 容积式压缩机技术手册. 第1版. 北京：机械工业出版社，2000-11
[4]. 单辉祖. 材料力学教程. 第2版. 北京：国防工业出版社
9.81=[τ] ，MPa cos 70°=9.81sin 70°=4020(kg) 。
附录一：
2D12/90撬装底盘简化结构图
压缩机撬装底盘设计
1 金属结构概述
金属结构，是由轧制型钢和钢板作为基本元件，按照一定的结构组成规则用栓接、铆接、焊接的方法连接起来用于承受载荷的结构物。
在压缩机成套设备开发实践中，金属结构部件主要有容器、管道及支撑、气缸支撑、撬装底盘等。其中，容器、管道及支撑、气缸支撑都有标准及设计参考资料，而对于压缩机撬装底盘的设计却还没有什么专门的论述。
本人通过对《非标准机械设备设计手册》·第五章. 起重机金属结构论述的研究，并结合压缩机撬装底盘具体承载情况，提出了针对压缩机撬装底盘的结构设计、受力分析、强度校核的一种方法。
2 许用应力法
许用应力，就是将所用材料的抗拉强度、屈服强度按受力情况除以一定的安全系数后得到的在构件使用条件下所允许的强度上限。
许用应力法，就是将构件所受应力限制在许用应力内。
3 撬装底盘强度校核
下面以2D12/90压缩机用撬装底盘为例，通过受力分析、最大应力校核说明压缩机撬装底盘设计时应遵循的原则和分析计算方法。
3.1 底盘受力分析
3.1.1 主要载荷
压缩机撬装底盘主要承受机组本身的自重，压缩机工作过程中的不平衡惯性力、惯性力矩，及压缩机安装时地脚螺栓的预紧力。
如附录一：2D12/90撬装底盘简化结构图，机组重心为O 点；不平衡惯性力矩绕过O 点且垂直于XOY 平面的轴Z 产生作用；主机底支座地脚螺栓的预紧力作用于7-φ52孔处。
3.1.2 危险截面
经过受力分析，底盘上①、②号槽钢上的开孔A1或A2处，因为开φ52孔使槽钢结构受到很大的破坏，孔处槽钢背侧承受了最大的弯曲应力，必须校核。
因为，机组几乎所有重量都压在了③、④号槽钢上，所以结构中B 、B’、B’’、B’’’处的焊接接头承受了最大的剪切应力，所以必须校核。
3.2 许用应力
撬装底盘使用：槽钢250X80X9-Q235-B/GB/T707-1988。
查GB/T 700-1988《普通碳素结构钢》得Q235-B 常温下：
抗拉强度：σb ＝400MPa
屈服强度：σs ＝235MPa
=σb 400五章. 起重机金属结构·表5-1. 钢材的安全系数和许用应力计算，并结合撬装底盘主要承受静载荷的情况，选取许用应力安全系数：n ＝1.15，则 =0.588
许用拉伸、压缩、弯曲应力：[σ]=
许用剪切应力：[τ]=n
3.3 地脚螺栓预紧力 许用挤压应力：[σc ]=1.5[σ]=1.5×204=307(MPa) ==118(MPa) [1]=1.15=204(MPa)
3.3.1 地脚主螺栓预紧力
主机底座有7条GB/T799-M42×1150-6.3与基础直接相连的主地脚螺栓。计算每条螺栓的预紧力： Q z =
μ [2]，N 式中，K -----预紧系数，K ＝1.4～1.7[3]，这里：K ＝1.5 μ-----底盘与主机底座间的摩擦系数，μ＝0.15[3] I z -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
L 1+L2+L3+L4+L5+L6+L7 I z = ，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
L1～7-----主螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
L 1＝L 2＝845 mm，L 3＝L 6＝935 mm，L 4＝L 7＝807 mm ，
L 5＝440 mm
可知： I z 螺栓预紧力：Q z =0.153.3.1.1 基础最大压应力
设机组安装时，每条地脚主螺栓处所加垫铁面积：F’＝0.04m 2。
设机组安装时，主机底座正下方所加垫铁总面积：F’ ’＝0.4m 2。
则，机组对基础最大应力：
′ σcJ =σ′cJ +σcJ ≤[σcJ ] ，MPa =49152(N) 。 =4915.2(N)
σ′′cJ -----机组总重量G 对基础的压应力，MPa
σ′cJ = σ′′cJ = 式中，σ′cJ -----地脚主螺栓预紧力对基础的压应力，MPa G-----机组总重量，kg ，这里：G ＝13000kg
F ′′0.04×10−6==
0.4×10−6=0.32(MPa)
机组对基础最大压应力：σcj =1.23+0.32=1.55(MPa )
可见，此时压缩机组对基础的压应力已经达到基础许用压应力的极限。在将2D12主机底座主螺栓孔由9个改为7个后，对基础的压应力已经达到基础许用压应力的极限。
在主机底座主螺栓孔为9个时，经计算本机组对基础的压应力：σcj =1.28MPa ，处于许用压应力的中间值附近，比较合理。
3.3.2 主机底座安装螺栓预紧力
在主机底座与撬装底盘连接处，安装有9条GB/T5783-M24X60-8.8螺栓。
Q a =μ [2]，N
式中， I a -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
I a =S 1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8+S9，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
S1～9-----安装螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
S 1＝S 4＝718mm ，S 2＝625 mm，S 3＝S 5＝892 mm，S 6＝S 7＝829 mm，
S 8＝S 9＝544 mm
可知： I a 螺栓预紧力：Q a =
Q d =0.153.3.3 底盘地脚螺栓预紧力
在撬装底盘周边与基础连接处，安装有12条GB/T799-M24×800-6.3螺栓。
f =41866(N) 。 =4186.6(N) [2]，N
式中， I d -----每条螺栓所承受的使机体移动的力，按下式计算：
I d =Z 1+Z2+Z3+Z4+Z5+Z6+Z7+Z8+Z9+Z10+Z11+Z12 ，N
M’ -----压缩机一阶惯性力矩，这里：M’＝22995.1N·m
M’’-----压缩机二阶惯性力矩，这里：M’’＝4599N·m
f ------撬装底盘与基础间的摩擦系数，这里：f ＝0.4[3]
S1～9-----底盘地脚螺栓孔到惯性力矩作用中心的距离，mm
Z 1＝Z 4＝1750mm ，Z 2＝Z 3＝1404 mm，Z 5＝Z 6＝1268 mm，
Z 7＝Z 12＝1590 mm，Z 8＝Z 9＝1178 mm，Z 10＝Z 11＝1202 mm，
可知： I d =(1750+1404+1268+1590+1178+1202)×2=1644(N)
螺栓预紧力：Q
3.4 起吊应力校核 d 0.4
3.1.1 开孔A 处弯曲应力= =6165(N) 。
如右图，将开孔A 处槽钢背侧简化为图中所示结构。在
不考虑表面垫板的情况下，A 处截面的弯曲应力：
σ
式中，M A -----A A =W 处截面上的弯矩，A ×103
G -----A =机组总重量，kg ，按3.3.1.1
S-----A 孔中心到下吊装点的距离，mm ，按附录一：S ＝845 mm
e-----A 孔中心到压力作用中心的距离，mm ，按附录一：e ＝180 mm L-----上下两吊装点的距离，mm ，按附录一：L ＝2005 mm
M
W A -----A A =处截面的抗弯截面模量，2×2005×10mm =3 17870(N∙M)
W
[σ]-----A =槽钢材料的许用弯曲应力，6=6=93750(mmMPa ，按3) 3.2：[σ]＝204MPa
可得： σ
所以，开孔A A =处槽钢弯曲应力安全。93750×103=190.6 (MPa )
3.1.2 B处焊缝剪切应力 处
如右图，B 处焊接接头的剪切应力： τ
式中，G -----B =机组总重量，4F B
FB -----B 处焊接接头面积，mm 2
F
B ==2460(mm
[τ(2h +b ) c =(2×80+250B ]-----焊接接头的许用剪切应力，2
起重机金属结构·表) 5-17. ) MPa ×6 ，按《非标准机械设备设计手册》·第 五章. 焊缝的许用应力计算：
[τ 可得： τB ]115.4(MPa)
所以，B 处焊缝的剪切强度安全。B =4×2460=12.96(MPa)
≪[τ]
3.5 槽钢刚度校核
在撬装底盘的整个结构中，①、②号槽钢所承受的载荷最大、力臂最长、中心挠度最大。下面对②号槽钢的刚度进行校核。
如右图，最大挠度为：
f =x
式中，G -----机组总重量，kg ，按3.3.1.1
E-----槽钢材料弹性模量，GPa
这里：E ＝200GPa [2]，
Ix -----槽钢材料弹性模量，mm 4，I ＝3.53×107mm 4 [2]
[f]-----槽钢许用挠度，mm ，这里：[f]＝L/500＝4.01 mm
可得： f = 所以，①、②号槽钢的刚度在许用范围内，安全。 =1.47mm
3.6 结果和结论
3.6.1 结果
经过上述强度校核，2D12/90压缩机用撬装底盘简化为附录一所示结构后，仍然满足使用要求，在吊装、运转时是安全的。
3.6.2 结论
1）尽量使用槽钢背侧（为主要着力点）连接承重梁的端部。
2）尽量使用槽钢开口侧背向重心，且在重心两侧对称布置。
3）利用槽钢背向容易变形，开口向不易变形的特点合理的使用各向的优点，以降低角接或对接焊缝的拉脱应力，使焊缝主应力为剪切应力。（本例不符合这一条）
4）吊装位置要考虑力矩的平衡性，以降低承重梁的弯曲应力，达到节约材料目的。 4 关于2D25/1-80-01-04吊耳的分析
如右图a 所示，槽钢内即为吊
耳，是王小林同志在京城环保工作
期间设计的。去掉吊装时用的象鼻
部分后如图b 所示，为加强槽钢上
下两面抗弯能力的主要部分。
在撬装底盘中的槽钢受力形式
主要是：均布载荷和集中载荷。当
槽钢上面承受均布载荷时，在材料
中应力的呈抛物线形分布(如图c) 。
当承受集中载荷时，应力分布与距
离X 成正比(如图d) 。
4.1 吊耳倾角
下面以集中载荷为例，如图d 所示，论述吊耳内斜边的倾角的由来。
槽钢上侧在X 长度处截面所受弯曲应力：
σx =W ，MPa
式中，Mx -----距离受力点X 长度处的弯矩，N·M
可知：σx = M X =QX ，N·M W W-----槽钢上面X 处截面的抗弯截面模量，mm 3，可按3.1.1计算 ，MPa
可见，槽钢上侧弯曲应力与X 的大小成正比，即可知吊耳内斜边的倾角为45°。
4.2 象鼻倾角
如右图所示，吊装时吊耳受力F 作用，倾角约为70。当
吊装时，象鼻部分N-N 截面上的应力有：剪切应力和弯曲应
力。剪切应力沿法线方向均匀不变，即图中45°角下边线；
但弯曲应力沿法线方向成正比增加，即图中45°角上边线。
由图中测量可知，角上边线与水平方向夹角大约为60°，
所以，吊耳象鼻倾角应设计成60°。
4.3 最大起吊重量
单片吊耳起吊重物时，象鼻部在受力方向上有最大剪应
力。按下式计算最大剪应力：
τH =A H 式中，A H -----截面H-H 处的截面面积，这里：F max ＝356mm 2
[τ]-----吊耳材料的许用剪切应力，按3.2：[τ]＝118MPa
可知：F max =[τ]A H == 则，最大起吊重量为：G max =
参考文献
[1]. 范祖尧. 非标准机械设备设计手册. 第1版. 北京：机械工业出版社，2002-05
[2]. 成大选. 机械设计手册(单行本). 第1版. 北京：化学工业出版社，2004-01
[3]. 郁永章. 容积式压缩机技术手册. 第1版. 北京：机械工业出版社，2000-11
[4]. 单辉祖. 材料力学教程. 第2版. 北京：国防工业出版社
9.81=[τ] ，MPa cos 70°=9.81sin 70°=4020(kg) 。
附录一：
2D12/90撬装底盘简化结构图