基礎の剛性を理解する
定義: 基礎の剛性とは何ですか?
基礎の剛性 機械の支持構造（ベースプレート、コンクリート基礎、台座、土壌を含む）が静的または動的力を受けた際に、たわみに対して示す抵抗力です。これは単位たわみあたりの力（通常はN/mm、lbf/in、またはN/mで表されます）として定量化され、回転機械からの荷重が加わった際に基礎がどれだけたわむかを表します。.
基礎の剛性は、 ローターダイナミクス それは全体のシステム剛性を決定する部分を形成するため 臨界速度, 振動 振幅、動的応答など、基礎の剛性が不十分だと、動作範囲内の危険速度が低下し、振動が増幅し、アライメントに問題が生じ、機器の信頼性が低下する可能性があります。.
基礎の剛性が重要な理由
危険速度への影響
基礎の剛性はシステムに直接影響します 固有振動数:
- システム全体の剛性 = ローター、ベアリング、基礎の剛性の直列組み合わせ
- 軟弱な基礎は全体の剛性を低下させ、臨界速度を低下させる
- 危険速度を安全領域から動作範囲に移動できる
- 臨界速度∝√(全剛性)なので、軟弱地盤は大きな影響を与える。
振動振幅制御
- 共鳴時： 基礎が堅固であれば、一般的に振動のピーク振幅は低くなります。
- 共鳴以下: 非常に硬い基礎は振動の伝達を増加させる可能性がある（防振なし）
- 最適な設計: 周波数範囲に応じた剛性と遮音性のバランス
アライメントの安定性
- 柔軟な基礎により、運転負荷下で機器を移動できます。
- 機械の熱膨張により柔軟な基礎が歪む可能性がある
- 精密 アライメント 軟弱な基礎では維持が難しい
- プロセス負荷（配管力）による基礎のたわみはアライメントに影響します
基礎の剛性に寄与するコンポーネント
1. コンクリート基礎ブロック
- 材料の剛性: コンクリートの弾性係数（約25～40 GPa）
- ジオメトリ: 厚さ、幅、補強は全体的な剛性に影響します
- 質量： 質量が大きいほど、一般的に構造が硬くなる
- 状態： ひび割れや劣化により剛性が大幅に低下する
2. 土壌/地盤支持
- 基礎下の土壌は弾力性のある支持を提供する
- 土壌の硬さは大きく異なります（軟質粘土：10 N/mm³、岩石：1000 N/mm³以上）
- サポートチェーンの中で最も柔らかい要素であることが多い
- 劣悪な土壌条件でもシステム全体の剛性を制御できる
3. 機械ベースプレート
- 鋼鉄または鋳鉄製の構造フレーム
- 機器をコンクリート基礎に接続します
- 厚さ、リブ、デザインは剛性に影響します
- 基礎に適切にグラウトを充填する必要がある
4. 台座と支柱
- ベアリング台座 ベアリングをベースプレートに接続する
- 柱またはブラケット構造
- 背の高い台座や細い台座でも大きな柔軟性が得られます
5. グラウト層
- ベースプレートとコンクリートの隙間を埋める
- 適切なグラウトは剛性にとって重要
- 目地が劣化したり欠けたりすると、軟弱な部分ができてしまう
- 典型的なグラウトの剛性はコンクリートや鋼鉄よりも低い
測定と評価
静的剛性試験
- 方法： 既知の力を加え、たわみを測定する
- 計算： k = F / δ（力をたわみで割ったもの）
- 典型的なテスト: 油圧ジャッキがベースプレートに荷重をかける
- 測定： ダイヤルインジケータまたは変位センサー
動的剛性（モーダルテスト）
- 計装ハンマーによる衝撃試験
- 周波数応答関数の測定
- モーダルパラメータ（固有振動数、モード形状、剛性）を抽出する
- 実際の動作条件をより正確に反映
運用評価
- ベアリングの振動と基礎の振動を比較する
- 高い伝達率は堅固な基盤を示す
- 伝達率が低いということは、基礎の柔軟性または隔離性が高いことを示唆している。
- ボード線図 起動/コーストダウンから基礎モードを明らかにする
設計要件
一般的なガイドライン
- API 標準: 基礎の固有振動数は機械の最大速度の2倍以上である必要があります。
- 代替： 基礎固有振動数 最小機械速度の0.5倍未満（独立基礎）
- 避ける： 動作速度の0.5～2.0倍の基礎共振
- ターゲット： 影響を最小限に抑えるには、基礎剛性が支持剛性の10倍以上である必要があります。
機器固有の要件
- タービン: 非常に硬い基礎（コンクリート質量はローター質量の3～5倍）
- 往復動型コンプレッサー: 脈動荷重を吸収する巨大な基礎
- 高速マシン: 臨界速度分離を維持するために剛性が高い
- 精密機器: アライメントのずれを防ぐために非常に剛性が高い
剛性不足による問題
危険速度の低下
- 危険速度が動作範囲内に低下
- 安全な速度であるはずなのに高い振動
- 設計運転速度に到達できない可能性がある
- 基礎の補強または速度制限が必要
過度の振動
- 基礎の動きは全体の振動を増幅する
- 基礎構造の共振
- 隣接する機器に伝達される振動
- 繰り返しの曲げによる構造的損傷
アライメントの不安定性
- 柔軟な基礎上での機器の移動
- 最初の精密作業後にアライメントが失われた
- 熱成長の影響が拡大
- プロセス負荷の変化はアライメント変動を引き起こす
改善方法
コンクリート基礎の強化
- 質量を追加: 基礎のサイズ/厚さを増やす
- 強化: 鉄筋またはポストテンションを追加する
- ひび割れの修復: エポキシ注入またはコンクリート補修
- Bedrock まで拡張: 適切な土層への杭またはケーソン
ベースプレートの補強
- 構造フレームにガセットまたはリブを追加する
- ベースプレートの厚さを増やす
- グラウトのカバー範囲と品質の向上
- 台座の間に支柱を追加する
土壌改良
- 土壌安定化またはグラウト
- 軟弱地盤を迂回する深基礎（杭）
- 圧縮または高密度化
- 主要な問題に関する地盤工学コンサルティング
運用上の配慮
- 速度変更: 基礎共振から離れて操作する
- 振動絶縁: 機械を基礎から切り離すためにアイソレーターを追加する
- バランスを取る： 励起を低減するためのより厳しいバランス公差
- ダンピング: 基礎構造に制振処理を追加する
基礎設計のベストプラクティス
新規インストール
- 土壌条件の地質工学調査を実施する
- 必要な基礎質量と形状を計算する
- 動的解析（固有振動数、不均衡に対する応答）を含める
- 適切な剛性と質量を考慮した設計
- 隣接する構造物からの隔離を提供する
- グラウト充填とアライメントに関する規定を含める
既存の基礎の評価
- 基礎の振動を測定し、ベアリングの振動と比較する
- モーダルテストを実施して基礎の固有振動数を特定する
- ひび割れ、劣化、沈下の有無を確認する
- ベースプレート下のグラウトの完全性を確認する
- 実際の仕様と設計仕様を比較する
基礎剛性は見落とされがちですが、回転機械の性能に影響を与える基本的なパラメータです。適切な基礎剛性は、適切な臨界速度分離を確保し、アライメントの安定性を維持し、共振の問題を防止します。一方、剛性が不十分だと、本来は良好な機器であっても、性能が低下し、信頼性が低下する可能性があります。.
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