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
【专利摘要】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。
【专利说明】-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]
【权利要求】
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。
【文档编号】G01M13/00GK104296980SQ201410536218
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】刘志峰, 宁越, 田杨, 张柯, 杨恩芝 申请人:北京工业大学