一种验证重型机床地基承载力实验方法

摘要

本发明涉及一种重型机床地基承载力实验方法，该方法包括确定模型箱尺寸、确定模型材质及相似比、试验台搭建、施加载荷、数据测定及分析；通过载荷试验后，根据实验数据用Matlab拟合出不均匀沉降实验期间基础变形图、机床刀尖点位置的偏移图和机床模型横梁内应力变化曲线等分析图。本发明合理高效，去除了不必要的操作，具有非常高的效率。

说明书

技术领域

本发明属于重型机床地基实验技术领域，特别是涉及一种重型机 床地基承载力实验方法。

背景技术

重型机床在我国的机械、航天、国防、能源等领域得到了广泛的 应用，是我国装备制造业具有代表性的产品。但是，国内重型机床目 前存在的主要问题之一就是由于重型机床体积庞大、质量很大，地基 很难满足机床承重的要求，对机床精度带来极大地影响。研究机床地 基的承载力需要建立机床和地基模型，然后利用土箱实验进行大量实 验。

目前的土箱实验主要研究建筑物地基承载力，以及地震波对地基 及基础的影响，而没有针对重型机床地基承载力的实验，由于重型机 床质量大，要求精度高，所以对地基承载力有更高的要求，因此进行 重型机床地基承载力的实验是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种重型机床地基承载力实验方法，该 方法能克服现有地基承载力实验方法，考虑到重型机床对地基承载力 以及对地基不均匀沉降有更高要求，故采用箱型基础来完成实验。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种重型机床地基承 载力实验方法，该方法包括确定模型箱尺寸、确定模型材质及相似比、 试验台搭建、施加载荷、数据测定及分析。

具体而言，各步骤实施过程包括如下。

1确定模型箱尺寸

模型箱尺寸根据实验场地的大小、实验器材及实验成本综合考 虑，模型箱结构内部采用木板外面搭建钢架的形式，钢架结构外面包 裹一层酚醛泡沫板用以隔绝模型箱外界因素的影响，模型箱有一面是 用螺栓固定的，卸下螺栓可以拆除模型箱一面，方便更换实验土。

2确定模型材质及相似比

由模型箱尺寸确定实验模型的尺寸，根据实验模型的尺寸和实际 机床基础的尺寸算得尺寸相似比选取制作模型的材 料时根据材料的密度、弹性模量，求出所有物理量的相似比，为满足 实验要求所选材料必须满足所有相似比条件。

3试验台搭建

3.1装配模型，把模型箱放置于干净平整的地面上，模型箱底部 有调平装置保证模型箱水平，周边固定，往模型箱里添加实验土，最 后保证填土高度大于模型箱高度的三分之二且不大于模型箱高度；添 加完模型土需夯实，基础模型需置于夯实的模型土上并保证模型处在 模型箱的中间位置，基础模型周边填土继续夯实；

3.2实验土内布置土体沉降计，基础模型内布置应变传感器，机 床模型上面布置位移传感器。

4施加载荷

4.1预压载荷，将机床及加工件的重量之和乘上变形基本安全系 数a得出的重量值，然后求得应力大小，相识比S_σ=S_ES_ε得出实验中需 要加载的力的大小，预压时间为一个月；

4.2不均匀沉降载荷，预压结束后，把基础模型表面清理干净， 根据机床载荷图，按照相似设计理论计算出的相似比S_σ计算出对模型 基础需要施加的压力，然后对基础施加局部压力，并设定相应加载时 间。

5、数据测定与分析；

5.1施加预压载荷期间，记录基础模型和实验土层沉降的实验数 据，预压结束后，根据实验数据用相关拟合软件对预压期间基础模型 和实验土层随时间的沉降变化曲线进行拟合；数据拟合软件可选择为 Matlab或original。

5.2施加不均匀沉降载荷期间，记录基础和机床模型的变形，基 础模型不同位置处的内应力等实验数据。不均匀载荷试验结束后，根 据实验数据用数据拟合软件拟合出不均匀沉降实验期间基础变形图、 机床刀尖点位置的偏移图和机床模型横梁内应力变化曲线分析图。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本实验方案成本低，可以从模型箱尺寸和实验材料综合考虑以节 约成本。方案基于成熟的相似比理论，实验结果能够准确的反应实际 情况，实施效果更加准确有效。本方案合理高效，去除了不必要的操 作，具有非常高的效率。

附图说明

图1为实验流程图。

图2为模型箱内部钢架结构示意图。

图3为预压沉降曲线。

图4为基础模型不均匀变形曲线。

图5为机床模型刀尖点位置的偏移图。

图6为机床模型横梁内应力变化曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明的具体实施加以说明。

以下以重型龙门机床为例对本发明的实施过程进行详细分析。

1确定模型箱尺寸

模型箱尺寸根据实验场地的大小、实验器材、实验操作的方便性 及实验成本综合考虑，一般模型箱高度不高于1.5米，长宽控制在1至3 米，为节省成本，模型箱结构内部采用木板外面搭建钢架的形式，钢 架结构外面包裹一层酚醛泡沫板用以隔绝模型箱外界因素的影响，钢 架布置方式如图2所示，木板厚度至少30mm，钢架采用角铁，角铁与 木板接触面宽度不小于30mm，模型箱有一面是用螺栓固定的，卸下螺 栓可以拆除模型箱一面，方便更换实验土。

2确定模型材质及相似比

由模型箱尺寸确定实验模型的尺寸，根据实验模型的尺寸和实际 机床基础的尺寸算得尺寸相似比选取制作模型的材 料时根据材料的密度、弹性模量，再根据表1求出所有物理量的相似 比，为满足试验要求所选材料必须满足所有相似比条件。表1中，S_x表示模型产生的线位移与实际机床产生线位移的比值，S_E表示模型材 料的弹性模量与实际机床材料弹性模量的比值，S_ρ表示模型材料的密 度与实际机床材料密度的比值，S_σ表示模型上的应力与实际机床上应 力的比值，S_ε表示模型上的应变与实际机床上应变的比值，S_T表示实 验中模型上的时间周期与实际机床的时间周期的比值。

表1 相似比计算公式表

3试验台搭建

3.1装配模型，把模型箱放置于干净平整的地面上，模型箱底部 有调平装置保证模型箱水平，周边固定，防止模型箱受到外界干扰， 往模型箱里添加实验土，添加的同时要保证试验土的均匀，不要出现 某一区域填土过得或太少导致不均匀现象出现，最后保证填土高度不 小于模型箱高度的三分之二，添加完模型土要夯实，把基础模型放在 夯实的模型土上并保证模型处在模型箱的中间位置，基础模型周边填 土继续夯实，夯实完成后保证基础模型的上表面要低于模型箱的顶 边。

3.2布置测点，实验土内布置土体沉降计，基础模型内布置应变 传感器，机床模型上面布置位移传感器。

4施加载荷

4.1预压载荷，将机床及加工件的重量之和乘上变形基本安全系数 a得出的重量值，然后求得应力大小，规范规定a值取1.2，然后根据表 中应力相识比S_σ=S_ES_ε得出实验中需要加载的力的大小。预压采用质量 块模拟载荷的方式，根据需要加载的力的大小由G=m×g算得需要的质 量块重量m，把质量块均布在基础模型的上表面。预压要保证基础模 型上表面受力均匀，载荷稳定。预压时间为一个月。

4.2不均匀沉降载荷，预压结束后，把基础模型表面清理干净，根 据机床载荷图，按照相似设计理论计算出的相似比S_σ计算出对模型基 础需要施加的力的大小。施加载荷采用质量块模拟载荷的方式，根据 需要加载的力的大小由G=m×g算得需要的质量块重量m，载荷施加位 置由载荷图确定，载荷施加面积由载荷图所标示的长宽经过相似比S₁ 换算后得出，把载荷图所标注的所有载荷都施加在基础模型上。加载 时间为8个月。

5数据测定与分析

5.1施加预压载荷期间，设定好连接传感器的仪器的采样间隔，使 仪器自动记录实验数据，记录实验数据间隔为第一个月的前十天每隔1 小时，后二十天每隔5小时，记录数据包括基础模型和实验土层沉降量。 预压结束后，如图3所示，根据实验数据用Matlab拟合出预压期间基础 模型和实验土层随时间的沉降变化曲线。

5.2施加不均匀沉降载荷期间，根据载荷图施加不均匀载荷后，设 定仪器采样间隔使仪器自动记录实验数据，记录实验数据间隔为第一 个月的前十天每隔1小时，后二十天每隔5小时，后2个月每隔8小时， 最后5个月每隔12小时，记录下的实验数据包括基础和机床模型的变 形，基础模型不同位置处的内应力。不均匀载荷试验结束后，如图4-6 所示，根据实验数据用Matlab拟合出图基础模型不均匀变形曲线、机 床模型刀尖点位置的偏移图、机床模型横梁内应力变化曲线。