机墩

机墩( generator support) 亦称“机座”，水电站主厂房中支承发电机的工程结构。承受发电机结构传来的全部静荷载和动荷载，并将其传至厂房下部结构，一般为钢筋混凝土结构，具有足够的强度、刚度和抗震性能。竖轴机组的发电机机墩主婴分圆筒式，框架式，块体式等数种。横轴发电机机墩结构比较简单。

机墩的种类机墩一般采用钢筋混凝土结构，必须具有足强度和刚度，振动的振幅要小，保证弹性稳定。它的型式随机组容量的不同而有如下几种：

1、圆筒式机墩。整个机墩为一厚壁圆筒，其上开有一个或两个进入洞，以便于工作人员下至水轮机井中。这种机墩受力均匀，抗震、抗扭性能好，常用于大型机组。

2、环梁立柱式机墩。顶部为一水平环形圈梁，发电机定子及支架固定在它的上面，环梁下面设四根或三根立柱，立柱载面呈扇形。这种机墩的结构型式比较紧凑合理，抗震、抗扭性能尚好，中、小容量的机组采用较多。

3、刚架式机墩。整个机墩由具有矩形截面的水平和垂直杆件组合而成，故又叫做框架式机墩。这种机墩的受力条件和抗震抗扭性能均不如前者，但构件形状规则，施工简便，故中、小型机组亦常采用。

4、板梁式机墩。整个机墩仅由主、次梁和支承面板组成。机组荷载由主梁传给厂房侧墙，再由侧墙传给基础。由于板、梁承受荷载的能力有限，故这种机墩只适用于小型机组。1

机墩的性能要求机墩是支承其他零部件的基础部件，它既承受其他零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工面多，几何精度和相对位置精度要求较高。在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置精度提出相应的精度要求，以保证产品总体精度。其次，机架或机座的变形和振动将直接影响产品的质量和正常运转，故应对其刚度和抗振性提出下列基本要求。

(1)刚度与抗振性

刚度是抵抗载荷变形的能力。抵抗恒定载荷变形的能力称静刚度；抵抗交变载荷变形的能力称为动刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工件的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形、振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其他性能。机座或机架的静刚度，主要是指它们的结构刚度和接触刚度。动刚度与静刚度、材料阻尼及固有振动频率有关。动刚度是衡量抗振性的主要指标。在一般情况下，动刚度越大，抗振性越好。抗振性是指承受受迫振动的能力。受迫振动的振源可能存在于系统(或产品)内部，为驱动电动机转子或转动部件旋转时的不平衡等。振源也可能来自于设备的外部，如邻近机器设备、运行车辆、人员活动(走路、开门、关门、搬运东西等)以及恒温设备等。当机座或机架受到振源的影响时，整机会摇晃振动，使各主要部件及其相互间产生弯曲或扭转振动，尤其是当振源振动频率与机座或机架的固有振动频率重合时，将产生共振而严重影响机电一体化系统的正常工作和使用寿命。为提高机架或机座的抗振性，可采取如下措施：

①提高静刚度，即从提高固有振动频率人手，以避免产生共振。

②增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大。如液(气)动、静压导轨的阻尼比滚动导轨大，故抗振性能好。

③在不降低机架或机座静刚度的前提下，减轻质量可提高固有振动频率。如适当减薄壁厚、增加筋和隔板，采用钢材焊接代替铸件等。

④采取隔振措施，如加减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。

(2)热变形

系统运转时，电动机、强光源、烘箱等热源散发的热量，零部件间相对运动而摩擦生热，电子元器件发热等，都将传到机座或机架上。如果热量分布不均匀、散热性能不同，就会由于不同部位的温差而产生热变形，影响其原有精度。为了减小热变形，可采取以下措施：

1)控制热源。除了控制环境温度之外，对机座或机架内的热源(如强光源、电动机等)也要严格控制。例如，采用延时继电器，以控制灯光的发光时间；采用发光二极管等冷光源；采用胶木、石棉等隔热垫片；采用风扇、冷却液等措施以充分散热；将热源远离机座或机架；对于有相对运动的零部件，如轴承副、导轨副、丝杠副等，则应从结构上和润滑方面改善其摩擦性、减少摩擦生热和减小热传递。

2)热平衡。采用热平衡的办法，控制各处的温差，从而减小其相对变形。

(3)稳定性。机座或机架的稳定性是指长时间地保持其几何尺寸和主要表面相对位置的精度，以防止产品原有精度的丧失。为此，对铸件机座应进行时效处理来消除产生机座变形的内应力。时效的常用方法有自然时效和人工时效(热处理法和振动法等)。振动时效，是将铸件或焊接件在其固有振动频率下，共振10-40min即可。其优点是时间短，设备费用低，消耗动力少；结构轻巧，操作简便；可以消除热处理无法处理的非金属材料的内应力；时效后无氧化皮和尺寸变化，也不会因振动而引起新的内应力。

(4)其他要求。除上述要求之外，还应考虑工艺性、经济性及人机工程等方面的要求。2

机墩的结构设计要点机墩的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性以及节省材料、降低成本和缩短生产周期等问题。

1)保证自身刚度的措施

①合理选择截面形状和尺寸。机墩虽受力复杂，但不外是拉、压、弯、扭的作用。当受简单拉、压作用时，变形只和截面积有关；设计时主要根据拉力或压力的大小选择合理的结构尺寸。如果受弯曲和扭转载荷，机墩的变形不但与截面面积大小有关，且与截面形状(截面惯性矩)有关。合理选择截面形状，可以提高机墩的自身刚度。一般来讲：

A．封闭空心截面结构的自身刚度比实心的大。

B．无论是实心截面还是空心的封闭截面，都是矩形的抗弯刚度最大，圆形的最小，而抗扭刚度则相反，圆形最大；矩形最小。

C．保持横截面积不变，减小壁厚、增大轮廓尺寸，可提高刚度。

D．封闭截面比不封闭截面的抗扭刚度大的多。

②合理布置筋板和加强筋。封闭空心截面的刚度较高，但为了便于铸造清砂及其内部零部件的装配和调整，需要在机墩上开“窗口”，结果使其刚度显著降低。为了提高其刚度，则应增加筋板或筋条。在两壁之间起连接作用的内壁，称为筋板，又称隔板。纵向筋板，主要用于提高抗弯刚度；横向筋板，主要用于提高空心构件的抗扭刚度；斜向筋板兼有提高抗弯和抗扭刚度之效果。加强筋一般布置在内壁上，以减少构件的局部变形和薄壁振动。加强筋也有纵向、横向和斜向等基本形式，其作用与筋板相同。常见的加强筋有直形筋，其结构简单，铸造容易但刚度较差，一般用于窄壁和受载较小的机座或机身上；十字筋结构较简单，但是由于在交叉处金属有堆积现象，会产生内应力，一般用于箱形截面机身或平板上；斜向筋呈三角形分布，具有足够的刚度，多用于矩形截面机座的宽壁处。加强筋的高度，一般不应大于支承部件壁厚的5倍，厚度一般取壁厚的0.7～0.8倍。

③合理的开孔和加盖。在机墩壁上开窗孔，将显著降低机墩的刚度，特别是扭转刚度。在开孔上加盖板，并用螺钉紧固，则可将弯曲刚度恢复到接近未开孔时的刚度，而对提高抗扭刚度无明显效果。

2)提高机墩连接处的接触刚度

在两个平面接触处，由于微观的不平度，实际接触的只是凸起部分。当受外力作用时，接触点的压力增大，产生一定的变形，这种变形称为接触变形。为了提高连接处的接触刚度，固定接触面的表面粗糙度应小于2.5μm，以便增加实际接触面积。2

机墩的材料选择机墩材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求选择，常用的有以下几种。

①铸铁、用铸铁作为机座的材料，其工艺性能好，容易获得结构复杂的零件，铸铁的内摩擦大，阻尼作用大，动态刚性好，有良好的抗振性，价格比较便宜。其缺点是需做模具，制造周期长，单件生产成本高，铸造易出废品，如有时会产生缩孔、气泡、砂眼等缺陷；铸件的加工余量大，机加工费用大。

②钢、用钢材焊成的机座具有造型简单，对改型和单件小批生产适应性较强，其生产周期比铸铁缩短30%～50%；钢的弹性模量比铸铁的大，在同样的载荷下，壁厚可做得比铸铁的薄，质量轻(比铸铁轻20%一50%)，固有振动频率高；在单件小批生产情况下，生产周期较短；所需制造设备简单，成本较低。但钢的抗振性能比铸铁差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量大；成批生产时，成本较高；

③其他材料。花岗岩、大理石、天然岩石已广泛作为各种高精度机电一体化系统的机墩材料。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学