浅谈设备基础安装中的垫铁设计

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摘要：主要结合设计经验对设备基础安装中的垫铁设计进行了介绍，包括对垫铁面积公式的分析推导以及公式中各个参数的计算、垫铁的规格及布置方式介绍及选择原则。并提出了计算机辅助计算建议。

关键词：垫铁；面积公式；规格选择；布置原则

中图分类号：TB21

Discussion on Shim Plate Design in the Installation of the equipment foundation

Li Suqin

（Taiyuan Tongze Heavy Industry Co., LTD , Taiyuan 030032, China）

Abstract: Mainly introducing the shim plate design method in equipment foundation installation, combination design experience, including analysis and derivation of the calculation formula, parameter calculating, specifications and layout mode selection principles. Finally, this article puts forward the Suggestions about computer-aided calculation.

Key words: shim plate; calculation formula; Specifications choice; Layout principle

0 引 言

垫铁是机械设备安装中常见的材料之一，垫于设备底座和混凝土基础或钢结构框架之间，用于承受设备质量和设备运转中产生的各种动负荷，并在安装时用其调整设备标高和水平度。

在巴州西姆莱斯石油专用专用管制造有限公司366TRCM连轧机组生产线项目的设备基础垫铁布置图设计中，计算设备安装垫铁面积时，发现在不同的标准中的垫铁面积计算公式不一致现象，计算结果相差万倍，并且多个标准中的设计原则不全面不统一，这给设计人员在设计中时带来了很大的困惑，此文章对垫铁面积公式进行了理论推导及对各标准中的公式进行了验证，并结合设计经验对设计流程中的各个设计环节进行了梳理统一，对垫铁方面的现行标准、资料进行补充完善。

1 垫铁设计流程

在垫铁设计时，首先要根据已知设备及地脚螺栓情况，计算出所需垫铁组的总面积，再选择垫铁的规格及型号，计算出垫铁最小组数，最终根据布置原则及设备底座及螺栓情况确定垫铁数量及布置方式，并对垫铁规格调整。

2 垫铁面积计算

2.1 垫铁面积的计算公式推导

在设备基础垫铁布置图设计中，首先要计算垫铁组面积，垫铁组面积计算公式为：

垫铁组下基础或地坪混凝土所承受的挤压强度≤混凝土基础或钢结构框架的许用抗压强度

即：

得到： （1）

式中：―垫铁组下基础或地坪混凝土所承受的挤压强度（Pa）；―基础或地坪混凝土所承受的载荷（N）；―设备等加在垫铁组上的载荷（N），一般取设备底座重量及底座上设备等重量所产生的载荷的总和；―地脚螺栓拧紧时在垫铁组上所产生的载荷（N）；A―垫铁组面积（）；R―基础或地坪混凝土的抗压强度,可取混凝土的设计强度（Pa），一般按混凝土抗压强度等级计算，如C30的混凝土，其抗压力强度等级为30MPa[1]； C―安全系数，取1.5～3，对于承受冲击载荷、振动较大的设备，C值可以取较大的值。

我们这里所有的数据统一采用国际单位，以保证公式成立。但在大多数公式中，A采用的单位为，而强度、R采用的单位为MPa。因：

。

故公式统一改变单位后也成立为：

即： （2）

式中：A的单位：; 的单位：N; R的单位：MPa。

2.2 公式中参数的计算

参数为地脚螺栓拧紧时在垫铁组上所产生的载荷，应该取螺栓紧固力，如果设备技术文件对设备对紧固力没有规定时，可以取螺栓的许用应力:

（3）

式中：d―地脚螺栓直径（mm），一般取名义直径；n―地脚螺栓数量；―地脚螺栓材料的许用应力（MPa），；s取1.2～1.5；可按地脚螺栓的性能等级计算，取公称屈服强度。如地脚螺栓为3.6级，则其公称抗拉强度为300MPa，公称屈服强度为300×0.6=180MPa[2] 。

3 不同标准中的计算公式的验证

以下是不同标准或材料中的垫铁面积的计算公式：

（1）GB50231-2009 《机械设备安装工程施工及验收通用规范》[3] 中垫铁面积的计算公式：

（4）

式中：A―每组垫铁的面积（）；―设备等加在垫铁组上的载荷（N）；―地脚螺栓拧紧时在垫铁组上所产生的载荷（N）；R―基础或地坪混凝土的抗压强度（MPa）,可取混凝土的设计强度；n―垫铁组的组数；C―安全系数，取1.5～3。

此公式计算的是每组垫铁的面积，与我们在1.1中推导的公式（2）单位一致，但计算结果却放大了100倍，不合理。

（2）YGJ209-83《中低压设备施工及验收规范》[4] 中垫铁面积的计算公式：

(5)

A―一组垫铁的面积，；C―系数，C=2～3;―设备附件及物料等的重量，公斤力；―全部地脚螺栓紧固后，作用在垫铁上的总压力，公斤力；n―垫铁组的组数；R―基础或地坪混凝土的抗压强度（可采用混凝土设计标号）,。

此公式中得到的单位为，得到的数据乘于100换算为单位，与我们推导的公式（1）、（2）结果一致。

（3） 《机械设备安装工程手册》[5] 中垫铁面积的计算公式：

(6)

式中： A―单块垫铁最小面积（两侧一组），； R―基础混凝土单位面积抗压强度，MPa；―机器质量加在垫铁组上的载荷，N；―地脚螺栓紧固轴向力，N；C―系数，一般取1.5～3；

此公式与我们推导的公式（2）单位相同，公式一致，得到的结果也一致。

(4) GB50231-98 《机械设备安装工程施工及验收通用规范》[6] 中垫铁面积的计算公式：

(7)

式中：A―垫铁面积（）；―由于设备等和重量加在该垫铁组上的负荷（N）；―地脚螺栓拧紧所分布在该垫铁组上的压力（N），可取螺栓的许可抗拉力；R―基础或地坪混凝土单位面积抗压强度（MPa）,可取混凝土的设计强度；C―安全系数，宜取1.5～3。

此标准已被GB50231-2009 《机械设备安装工程施工及验收通用规范》标准代替，与公式（4）单位一致，但结果却比公式（4）大100倍，比我们推导的公式（2）大10000倍，不合理[7]。

综上，GB50231-98、GB50231-2009中的公式（4）、（7）错误，公式（5）、（6）公式与（1）、（2）公式计算结果相同。另外还有其它标准或材料中也有此垫铁面积计算公式，无论哪个公式，推导原理都是相同的，只是可能推导过程中的单位的变换，有时会造成计算结果错误 [7]。

4 垫铁规格及布置方式设计

4.1 垫铁的种类及规格

垫铁的种类很多，按材料分为铸铁垫铁和普通碳素钢垫铁；按垫铁形状分，可分为平垫铁、斜垫铁、开口垫铁、钩头成对垫铁、调整垫铁等。对于垫铁的规格，可以根据设备情况参考相关的标准，如GB50231-2009、HG2003-2000、YBJ201-85、HGJ209-83；另外对于水压机等大型设备，一些手册上列出了大规格垫铁的标准[5]。常用垫铁为：

（1）平垫铁：常用于一般轧钢设备上，其规格见表3-1。

（2）斜垫铁：大多用于振动大、构造紧密的设备上。一般斜垫铁下要有平垫铁。其规格见表3-1。

（3）如有特殊要求，可采用其它加工精度和规格的垫铁。

开口斜铁：用于安装设在金属结构或地面上，且支承面积很小的设备上。它的尺寸与普通垫铁相同，其开孔的大小比地脚螺栓大2-5mm，垫铁的宽度应与设备底脚相等或稍宽，长度应比设备长20-40mm。

L型垫铁：当以上几种垫铁不能放置时用，如剪断机，因底脚与垫板接触面很小，所以采用L型垫铁其中较好。

表3-1 斜垫铁和平垫铁的规格和尺寸[3]

斜垫铁A型 斜垫铁B型 平垫铁C型

注：1.厚度h可按实际需要和材料决定；斜垫铁的斜度为1/10~1/20;2斜铁应与同号平垫铁配合使用；即“斜1”配“平1”，“斜2”配“平2”，“斜3”配“平3”；

3垫铁尺寸符号代表意义请见图3-1。

螺栓调整垫铁：其构造很简单，是应用两个斜滑板相对移动、改变总高度的原理做成的。采用这种垫铁，只需拧动调整螺钉，即可灵敏调节机床的高度，既方便、准确，又提高效率。

4.2垫铁规格选择

不同的设备对垫铁不同的要求，对承受主要载荷或设备振动在、构造精密的设备应用成对斜垫铁，对具有强烈振动或连续振动的设备应使用平垫铁。根据垫铁面积计算公式，垫铁的规格可以根据设备质量和地脚螺栓来选择垫铁规格。如用表3-2选择平垫铁，从表3-3选择斜垫铁，从表3-4选择大规格垫铁

表3-2 平垫铁选用表

序

号 规格

代号 厚度mm 设备

重量t 地脚螺栓

直径mm

1 平1 3，6，9，12，15 ＜3 16～30

2 平2 3，6，9，12，15，25，40 3～5 20～50

3 ≥平3 25，40 ＞5 35～50

注：1.表中为地脚螺栓两侧放垫铁，如放一侧则选大一号尺寸；

2.为精调水平标高，还可用厚0.3mm、0.5mm、1mm和2mm的薄钢板做垫板。

表3-3 斜垫铁选用表

序号 规格代号 h c a 设备重量t 地脚螺栓直径mm

1 斜1 13 5 4 ＜5 20～35

2 斜2 15 6 6 ＜5 35～50

3 ≥斜2 18 7 8 ＞5 35～50

注：垫铁尺寸符号代表意义请见图3-1；

表3-4 大规格垫铁选用表

螺栓直径

/mm 垫铁代号或h×b/mm×mm 垫铁厚度h/mm 材料

垫于螺栓一侧 垫于螺栓两侧

M42～M52 平4 平3 30、40、60 铸铁或

铸钢

M52～M64 平5 平4 30、40、60

M64～M78 平5/平6 平5 40、60、100

M78～M90 平6 平5 40、60、100

M90～M110 450×250 平5/平6 40、60、100

M110～M130 - 平6 40、60、100

4.3垫铁的放置方法

（1）标准垫法（图3-2）：一般都采用这种垫法，它是将垫铁放在地脚螺栓的两侧，这也是放置垫铁的基本原则。

（2）十字垫法（图3-3）：当设备底座小、地脚螺栓间距近时用这种方法。

（4）筋底垫法（图3-5）：设备底座下部有筋板时，一定要把垫铁垫在筋板底下位置。（5）辅助垫法（图3-6）：一般垫铁间允许的距离为500~1000mm，当地脚螺栓间距太远时，中间要加一辅助垫铁。

（6）混合垫法（图3-7）：根据设备底座的形状和地脚螺栓间距的大小来放置，金属切削机床一类的设备大都采用这种方法。

4.4垫铁选择及布置原则

放置垫铁是安装设备中很重要的施工内容之一，放置位置不合理，会导致设备产生局部应力过大或机组振动、变形等问题，直接影响设备的安装精度和使用寿命。垫铁的选择及布置原则主要为：

（1）不承受主要负荷的垫铁组不应使用成对斜垫铁，而承受主要负荷并且运行时不产生较强连续振动的垫铁组，应使用成对斜铁，找平后用电焊焊牢。当设备运行时有连续振动时，其垫铁组应采用斜垫铁而只能采用平垫铁。

（2）垫铁的高度应在30-100mm内，过高将影响设备的稳定性，过低则二次灌浆层不易牢固。

（3）每组垫铁的数量越少越好(最多不得超过4块)，厚的放在下面，薄的放在上面，最薄的放在薄与厚的中间。在拧紧地脚螺栓后，每叠垫铁的压紧度必须一致，不允许有松动现象。以免发生翘曲变形，同一组垫铁中几何尺寸要相同。 （4）设备位置精平后，如果是钢垫铁，2次灌浆前，要把垫铁组点焊，有的则把设备底座与垫铁组点焊，但对于承受高温的设备则不允许把垫铁与设备底座点焊，同时在设计时要考虑底座的热膨胀量。

（5）为了更好的承受压力，垫铁与基础面必须紧密贴合。因此，基础面上放垫铁的位置一定要凿平，使垫铁与基础全部接触，接触面积均匀。

（6）每个地脚螺栓旁边至少应有一组垫铁。每一组垫铁内，斜垫铁在上且单块斜垫铁下面应有平垫铁。

（7）垫铁组在能放稳和不影响灌浆的情况下，应放在靠近地脚螺栓和底座主要力部位下方。设备机座下面有向内的凸缘时，垫铁要安放在凸缘下面。

（8）相邻两垫铁组间的面积距离宜为500～1000。距离过大时中间应增加垫铁。

（9）设备底座有接缝处的两侧，应各安放一组垫铁。

（10）设备找平后，平垫铁应露出设备底座外缘10~30mm，斜垫铁应露出10~50mm，以利于调整。而垫铁与地脚螺栓边缘的距离应为50~150mm，以便于螺孔灌浆。垫铁组伸入设备底座底面的长度应超过设备地脚螺栓的中心。4.5计算机辅助计算建议

在垫铁设计中，对于成套的设备，底座有上百个甚至上千个，所以垫铁的计算工作量很大，所以我们采用计算机Microsoft Office Excel常用办公软件编辑了些简单公式来辅助计算垫铁组的总面积、最小组数等，节约了大量的时间。建议设计者不妨也编制Visual Basic程序等设计，实现输入相关条件，来自动计算面积、选择垫铁规格、计算垫铁组数等。

5 结束语

目前我们设备的安装试生产以来，设备运行平稳，没有出现因为垫铁设计不当而出现问题，相应的设计满足设备生产要求。

在垫铁设计中要选择合理的垫铁面积计算公式，并根据计算结果及设计原则、布置方式及设备实际受力情况灵活设计。希望此文能对相关人员提供参考，不要因为选错公式或考虑不全面而做出不合理的设计，给设备运行带来问题或造成不必要的浪费。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看