CN104296980A - 一种测试重型机床垫铁-基础-地脚螺栓结合面法向静刚度特性的装置及方法 - Google Patents

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刘志峰
宁越
田杨
张柯
杨恩芝
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Abstract

一种测试重型机床垫铁-基础-地脚螺栓结合面法向静刚度特性的装置及方法属于重型机床地基实验领域。装置包括材料试验机、螺杆、有槽铁块、地脚螺栓、混凝土基础、材料试验机底座、力传感器、木块、位移传感器、垫铁试件、动态应变仪、数据采集系统和计算机。二次灌浆过程后,用地脚螺栓连接垫铁试件和混凝土基础,施加一定的预紧力;在地脚螺栓上打一盲孔,预埋应变片;用位移传感器测量结合面法向位移量;将混凝土基础放置在材料试验机底座的力传感器上,用螺杆连接有槽铁块和材料试验机,将有槽铁块和垫铁试件贴合;材料试验机沿纵向为加力件施加静态压力。本发明采用直接测量法,减少了测量的物理量个数,较真实反应了系统的变形情况。

Description

-种测试重型机床垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚 度特性的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的装置及方 法,属于重型机床地基实验技术领域。
背景技术
[0002] 重型数控机床是衡量一个国家技术平和综合国力的战略物资,因其具有大自重、 大载荷等特点,床身、立柱等大尺度构件的工作精度和寿命均直接受地基与基础的影响。众 所周知,机床乃至各类机械,为了满足各种功能、性能和加工要求以及运输上的方便,一般 都不是一个连续的整体,而是由各种零件按照一定的具体要求组合起来的。称零件、组件、 部件之间相互接触的表面为"机械结合面",简称"结合面",或称"接触面"。从基础到床身 底面有三个接触面:床身底面与垫铁上滑板的接触面;上滑板与滑板座的接触面,均为斜 面;垫铁底座与基础的接触面。
[0003] 在大型机床的安装、改造过程中,往往对床身-垫铁-基础系统的接触刚度不够重 视,造成机床的几何精度、工作精度以及导轨副的接触精度很不稳定,从而导致床身调平的 工作量增加,甚至直接影响机床的制造精度和使用寿命。
[0004] 影响床身-垫铁-基础系统的接触刚度的因素有很多,例如接触面的表面质量、接 触面的法相面压、地脚螺栓预紧力、垫铁的安装方式、接触面的接触精度、接触面的结构等 等。为了系统的研究和探明垫铁一基础一地脚螺栓结合面与其基本影响因素之间的关系, 并掌握垫铁一基础一地脚螺栓结合面的静态基础特性参数,需要一种一种测试重型机床垫 铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的装置及方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的是设计一套模拟垫铁一基础一地脚螺栓实际工况的实验系统,通过 材料试验机法向压缩试件,使用力传感器收集压力信号,用位移传感器获得垫铁-基础结 合面处的轴向位移信号,利用模态测试系统收集数据,经过数据处理,得出试件结合面的刚 度曲线,通过改变受力条件和结合面条件来进行实验,得出垫铁-基础结合面刚度随受力 条件和结合面条件改变的变化规律。
[0006] 为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案。
[0007] 这种测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的测试系统,包括材料试 验机(1)、螺杆(2)、有槽铁块(3)、地脚螺栓(4)、混凝土基础(5)、材料试验机底座¢)、力 传感器(7)、木块(8)、位移传感器(9)、垫铁试件(10)、动态应变仪、数据采集系统和计算 机;其特征在于,上述实验装置中,按实际工况模拟垫铁一基础一地脚螺栓结合面系统,在 经过二次灌浆过程后,用地脚螺栓(4)连接垫铁试件(10)和混凝土基础(5),施加一定的 预紧力,使垫铁试件(10)和混凝土基础(5)的端面相互贴合形成结合面。在地脚螺栓上打 一盲孔,预埋应变片,应变片连出到动态应变仪;在二次灌浆过程结束后,取出木块(8),将 位移传感器(9)固定于混凝土基础(5)前后左右四面缺口处,用于测量结合面法向位移量; 将混凝土基础(5)放置在材料试验机底座(6)的力传感器(7)上,用螺杆连接有槽铁块(3) 和材料试验机(1),将有槽铁块(3)和垫铁试件(10)贴合;材料试验机底座(6)搭载力传 感器(7)并沿纵向为加力件施加静态压力;测量预紧力以及地脚螺栓应变信号的动态应变 仪、测量结合面法向位移变化量的位移传感器(9)及测量静态力信号的力传感器(7)将各 自信号输出至模态测试系统,然后输送至PC机。
[0008] 所述位移传感器(9)采用型号为SV3300的电涡流趋近式传感器;所述力传感器 (10)采用型号为BK55687的力传感器。
[0009] -种测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的方法,其特征在于:
[0010] 步骤1,通过加紧螺栓,对地脚螺栓⑷施加预紧力,之后通过有槽铁块⑶对垫 铁一基础一地脚螺栓结合面施加法向压力。
[0011] 步骤2,在施加静态压力的过程中,动态应变仪、位移传感器(9)、以及力传感器 (7)分别将地脚螺栓螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模 态测试系统,然后输出送至PC机,当材料试验机(1)的加载力达到所设定的加载力大小时 会自动停止;
[0012] 步骤3,根据步骤2得到的数据进行分析,通过施加不同的总压力值,加权求得结 合部刚度值。
[0013] 首先,计算结合面总压力y,计算公式为如下:
[0014] 结合面受力y =设定的地脚螺栓预紧力+材料试验机(1)的加载
[0015] 其次,对计算得到的结合面受力y,以及位移传感器(9)测量得到的结合面法向位 移量X进行曲线拟合,即y = f(x),该曲线的导函数即为结合部刚度函数,即k = y' ;,提 取一组结合面受力yi,以及yi对应的结合部刚度值ki ;
[0016] 步骤4,重新设定材料试验机(1)的加载力,得到多组加载力下的结合面受力-结 合部刚度曲线图。
[0017] 步骤5,将以上步骤所得的多组不同结合面受力对应的结合面刚度数据进行多项 式你和,得到修正后的结合部刚度函数K。
[0018] 步骤6,计算被联结件的刚度km,计算方程式为:
[0019]
Figure CN104296980AD00041
[0020] 其中,dm为垫片支撑面直径,dh为螺栓孔直径,EpE2为垫铁、混凝土弹性模量。
[0021] 步骤7,根据上述修正后的结合部刚度函数K,以及被联结件的刚度km,得到地脚螺 栓结合面的刚度函数k n,计算公式如下:
[0022]
Figure CN104296980AD00042
[0023] 步骤8,固定材料试验机加载力和加载速度,改变地脚螺栓预紧力,同样方法得出 不同地脚螺栓预紧力情况下的垫铁-基础结合面的法向刚度曲线。
[0024] 步骤9,通过改变结合面条件(不同的二次灌浆材料、不同粗糙度),得出该装置在 特定加载方式、加载力、预紧力大小的的情况下垫铁-基础结合面的法向刚度曲线。
[0025] 本发明的优点在于:
[0026] (1)采用的是直接测量法,同时减少了测量的物理量个数,测量出来的特性参数仅 仅是试件的结合面的部分特性。
[0027] (2)试件的受力环境接近实际工况,较为真实的反应了系统的变形情况。
[0028] (3)该实验的数据处理方法简单可靠,简化了数据处理的过程。
附图说明
[0029] 图1是测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度的系统框图。
[0030] 图2是本发明测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静态特性装置结构示意图。
[0031] 图3本发明测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静态特性装置结构示意图的 细节图。
[0032] 图4是混凝土基础不意图图。
具体实施方式
[0033] 下面结合工作原理和结构附图对本发明的垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静 刚度特性的测试系统进一步详细说明。
[0034] 如图所示,由二次灌浆的方法通过地脚螺栓(4)连接垫铁试件(10)和混凝土基础 (5),垫铁试件(10)和混凝土基础(5)贴合形成结合面,对地脚螺栓(4)施加力形成对结合 面的预紧力。
[0035] 实验中地脚螺栓规格为M12,考虑到国家标准中:1.地脚螺栓直径与预留孔尺寸 关系如下表:
[0036]
Figure CN104296980AD00051
[0037] 2.地脚螺栓预留孔边距设备基础边缘的距离彡100mm
[0038] 3.预留方孔大小为80*80
[0039] 4.地脚螺栓距基础底面净距离不小于100mm
[0040] 故试件大小采用如图4尺寸。
[0041] 地脚螺栓中的螺杆里预埋了应变片,其引出导线连接动态应变仪,以此将地脚螺 栓5的应变信号传输到模态测试系统,通过地脚螺栓的应变值,得出预紧力的具体数值。 [0042] 混凝土试件呈槽状,前后左右四面有矩形缺口,放置有等大小的木块,防止在二次 灌浆过程中的浆液溢出,并使得位移传感器直接布置在混凝土基础和垫铁的结合部,待二 次灌浆的混凝土成型后,取出木块,在缺口处放置四个位移传感器,位移传感器通过导线连 接至模态测试系统,由位移传感器的位移变化,输出垫铁一基础结合面的位移信号至模态 测试系统。
[0043] 模态测试系统与PC机相连接,地脚螺栓应变信号、静态力信号、位移信号通过模 态测试系统处理后分别形成地脚螺栓应变数据、静态力数据、位移数据,利用地脚螺栓应变 数据,得出预紧力的近似值,再利用预紧力数据、静态力数据、位移数据,得到地脚螺栓结合 面静态刚度特性曲线。
[0044] 利用本装置可以做下面三类实验:
[0045] (1)在一定的结合面条件下(结合面形状、结合面面积、粗糙度、二次灌浆材料等 一定的情况下),改变静态压力施加速度,来探讨和研究结合面静态特性与施加在结合面间 静态力的关系。
[0046] (2)在一定的结合面条件下,加载力、加载速度不变,改变地脚螺栓预紧力,来探讨 地脚螺栓预紧力对垫铁一基础结合面的法向静刚度的影响。
[0047] (3)在一定的受力条件下(预紧力、静态压力的施加方式等相同的情况下),且其 他结合面条件不变(结合面形状、结合面面积、二次灌浆材料等一定的情况下),通过改变 垫铁一基础结合面的粗糙度,来探讨结合面粗糙度对铁一基础结合面的法向静刚度的影 响。
[0048] 具体实现过程如下:
[0049] 1.通过材料试验机利用滑枕沿导轨纵向移动为上下试件施加静态力,施加在地脚 螺栓的预紧力为l〇kn,材料试验机施加在实验组件的静态压力速度为5kn/min,静态压力 施加结束值为20kn。
[0050] 2.提取位移-载荷曲线图
[0051] 模态测试系统处理静态力信号、位移信号后分别形成一组静态力数据、四组位移 数据,并传输至PC机。一组静态力数据即为一组外加载荷数据;利用MATLAB软件,对四组 位移数据进行均值处理,即得到一组平均位移数据。
[0052] 结合面总载荷=外加载荷+地脚螺栓预紧力
[0053] 利用一组结合面总载荷数据和一组平均位移数据,即可得到在地脚螺栓预紧力为 l〇kn情况下位移-载荷曲线图。
[0054] 3.提取结合面受力-结合部刚度曲线图
[0055] 结合部刚度的计算公式有
[0056]
Figure CN104296980AD00061
[0057] 其中,Λ F是结合面受力的改变量,Λ δ是由于结合面受力而产生的位移改变量。
[0058] 于是,将步骤2中得到的位移-结合面受力函数关于位移求导,即求在预紧力为 l〇kn情况下位移-结合面受力曲线图每一点的斜率,并结合每一点对应的结合面受力,可 以得到在预紧力为l〇kn情况下结合面受力-结合部刚度曲线图,同时形成一组在预紧力为 l〇kn情况下结合部刚度数据,其中结合面受力-结合部刚度曲线由多项式拟合得到。
[0059] 4.重新设定材料试验机(1)的加载速度为8kn/min、15kn/min,得到多组加载速度 下的结合面受力-结合部刚度曲线图。
[0060] 5.提取多组在不同预紧力情况下结合面受力-结合部刚度曲线图
[0061] 重新设定实验相关基础数值,通过调整滑枕沿导轨纵向的移动,改变预紧力为 15kn、20kn。同时改变材料试验机静态压力施加结束值为15kn、10kn,使得结合面总载荷保 持在30kn不变。在不同的实验相关基础数值情况下,对同一实验组件分别进行相同的实验 操作过程以及分析拟合过程。如此可得到三组情况下结合面受力-结合部刚度曲线图,同 时形成三组在不同预紧力情况下结合部刚度数据。
[0062] 6.提取多组结合面粗糙度情况下的结合面受力-结合部刚度曲线图
[0063] 准备三组结合面粗糙度不同的实验材料,垫铁与基础的接触面粗糙度分别为 Ra彡0· 8 μ m、Ra彡1. 6 μ m、Ra彡3. 2 μ m,设定施加在地脚螺栓的预紧力为10kn,材料试验 机施加在实验组件的静态压力速度为5kn/min,静态压力施加结束值为20kn。如此可得到 三组垫铁与基础面粗糙度不同情况下的结合部受力-结合部刚度曲线图。

Claims (3)

1. 一种测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的测试系统,其特征在于: 包括材料试验机(1)、螺杆(2)、有槽铁块(3)、地脚螺栓(4)、混凝土基础(5)、材料试验机底 座(6)、力传感器(7)、木块(8)、位移传感器(9)、垫铁试件(10)、动态应变仪、数据采集系统 和计算机;上述实验装置中,在经过二次灌浆过程后,用地脚螺栓(4)连接垫铁试件(10)和 混凝土基础(5),施加一定的预紧力,使垫铁试件(10)和混凝土基础(5)的端面相互贴合形 成结合面;在地脚螺栓上打一盲孔,预埋应变片,应变片连出到动态应变仪;在二次灌浆过 程结束后,取出木块(8),将位移传感器(9)固定于混凝土基础(5)前后左右四面缺口处,用 于测量结合面法向位移量;将混凝土基础(5)放置在材料试验机底座¢)的力传感器(7) 上,用螺杆连接有槽铁块(3)和材料试验机(1),将有槽铁块(3)和垫铁试件(10)贴合;材 料试验机底座(6)搭载力传感器(7)并沿纵向为加力件施加静态压力;测量预紧力以及地 脚螺栓应变信号的动态应变仪、测量结合面法向位移变化量的位移传感器(9)及测量静态 力信号的力传感器(7)将各自信号输出至模态测试系统,然后输送至PC机。
2. 根据权利要求1所述的一种测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的 测试系统,其特征在于:所述位移传感器(9)采用型号为SV3300的电涡流趋近式传感器; 所述力传感器(10)米用型号为BK55687的力传感器。
3. 应用权利要求1所述系统测试垫铁一基础一地脚螺栓结合面法向静刚度特性的方 法,其特征在于: 步骤1,通过加紧螺栓,对地脚螺栓(4)施加预紧力,之后通过有槽铁块(3)对垫铁一基 础一地脚螺栓结合面施加法向压力; 步骤2,在施加静态压力的过程中,动态应变仪、位移传感器(9)、以及力传感器(7)分 别将地脚螺栓螺栓应变信号、结合面法向位移变化信号、以及静态拉力信号传输至模态测 试系统,然后输出送至PC机,当材料试验机(1)的加载力达到所设定的加载力大小时会自 动停止; 步骤3,根据步骤2得到的数据进行分析,通过施加不同的总压力值,加权求得结合部 刚度值; 首先,计算结合面总压力y,计算公式为如下: 结合面受力y =设定的地脚螺栓预紧力+材料试验机(1)的加载力; 其次,对计算得到的结合面受力y,以及位移传感器(9)测量得到的结合面法向位移量 X进行曲线拟合,即y = f (X),该曲线的导函数即为结合部刚度函数,即k = y' ;,提取一组 结合面受力yi,以及yi对应的结合部刚度值h ; 步骤4,重新设定材料试验机(1)的加载速度,得到多组加载速度下的结合面受力-结 合部刚度曲线图; 步骤5,固定材料试验机加载力和加载速度,改变地脚螺栓预紧力,同样方法得出不同 地脚螺栓预紧力情况下的垫铁-基础结合面的法向刚度曲线; 步骤6,通过改变结合面条件,得出该装置在特定加载方式、加载力、预紧力大小的的情 况下垫铁-基础结合面的法向刚度曲线。
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