一种重型机床-基础-地基系统相互作用的实验装置

摘要

一种重型机床-基础-地基系统相互作用的实验装置,重型机床与基础采用栓接方式连接，横梁与立柱滑动连接来引入结合面特性，可实现不同结构的立柱与横梁的更换，胶接有基础边界模拟橡胶的基础填埋在填土腔内的填土中，填土腔中的填土可更换，采用带有圆锥的人工截取区作为填土腔的边界，实验装置通过调平装置支撑，可以用于研究重型机床-基础-地基系统静、动特性及不均匀沉降的影响，便于更换不同类型机床、不同土壤进行试验。

说明书

技术领域

本发明是一种重型机床-基础-地基系统相互作用的实验装置，属 于重型机床制造与地基基础实验领域。

背景技术

重型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 命均直接受地基与土的影响。由于未考虑重型机床-基础-地基相互之 间的作用，工程实践中经常出现受周边环境振动引起的崩刀、地基沉 降导致加工精度无法保证等现象，而且无论是对于静力还是动力特性 研究，考虑重型机床-基础-地基相互之间的作用计算出的结果与假定 地基为刚性所得到的结论差距较大，因此，需要将重型机床-复合地 基-土整体考虑建立系统模型。

为了提高重型机床的加工精度，考虑外界环境因素（临近机床、 建筑施工、天吊等）对重型机床运动精度的影响，研究重型机床-基 础-地基系统的静、动态特性，需要建立一种基于重型机床-基础-地基 系统的实验装置。

为了预测重型机床不均匀沉降对机床精度的影响规律，因重型机 床载荷分布不均造成地基-基础系统随时间的不均匀沉降，工作台在 局部产生变形，从而引起静压导轨的变形，破坏静压导轨油膜形成条 件，重型机床不能正常工作。

为了节约重型机床-基础-地基系统实验装置因不通用而带来的资 源浪费，需要建立一种可实现不同重型机床、不同形式基础、不同土 层具有互换性的实验装置。

为了真实的反应重型数控机床与基础之间栓接结合面、横梁与立 柱静压导轨结合面、基础与地基结合面、人工边界等结合部对机床精 度的影响，需要构建一种考虑结合面特性的重型机床-基础-地基系统 实验装置。

因此，为了建立更加符合现实工况的分析实验装置，提高重型机 床的加工精度，节约因地基不均匀沉降带来的维修成本，需要将重型 机床-基础-地基整体考虑建立系统相互作用实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种重型机床-基础-地基系统相互作 用的实验装置，其通过实验装置研究基础-地基系统对重型机床精度 的影响，针对不同重型机床、不同形式基础、不同土壤，可实现互换 性的实验装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种重型机床-基础- 地基系统相互作用的实验装置，该实验装置包括调平底座、调平螺母、 人工边界模拟橡胶、填土腔、上端盖开启铰链、激振口、基础边界模 拟橡胶、重型机床立柱、重型机床横梁、立柱栓接孔、混凝土基础、 上端盖、上端盖锁紧螺母、地基支撑装置、上端盖锁紧孔、上端盖基 础孔、横梁燕尾槽、位移传感器、应变传感器，位移传感器包括位移 传感器a以及一组位移传感器b。

重型机床横梁通过横梁燕尾槽与重型机床立柱连接，同时保证重 型机床立柱与立柱栓接孔同心栓接；人工边界模拟橡胶胶接在地基支 撑装置上，基础边界模拟橡胶胶接在混凝土基础上，混凝土基础与基 础边界模拟橡胶固定于填土腔的填土中；在上端盖两侧挖出激振口； 位移传感器a固定于重型机床横梁几何中心，用以实现重型机床刀尖 点的动态特性检测的目的，位移传感器b为一组位移传感器，用以实 现混凝土基础承载变形检测的目的；应变传感器同样为一组应变传感 器，与位移传感器b并列布置于混凝土基础中，用以实现混凝土基础 静态特性检测的目的；为保证传感器的准确测量，将上述传感器布置 于混凝土基础中距离上表面为基础高度的1/4处。

实验装置通过调平螺母带动调平螺母完成装置的调平，上端盖与 地基支撑装置通过上端盖开启铰链铰接，拆下上端盖锁紧螺母实现上 端盖的开启，混凝土基础上表面与上端盖的上端盖基础孔大小相同， 人工边界模拟橡胶用以模拟粘-弹性人工截取的边界条件，相当于在 人工边界上同时设置阻尼器和弹簧；然后，将人工填土置于填土腔中 并夯实，在填土腔中预埋传感器，填土腔内的填土可根据不同地质条 件进行更换以研究不同土壤系统的静、动特性影响，基础边界模拟橡 胶用以模拟基础与土接触面边界条件，相当于在混凝土基础与土层结 合面上设置阻尼器和弹簧；然后填埋进夯实在填土腔中的土壤内，可 根据不同基础形式更换混凝土基础，重型机床立柱通过上端盖基础孔 与立柱栓接孔平行栓接在混凝土基础上，来模拟栓接结合面特性。

该装置工作时，外部激励器通过激振口作为系统的振源，激励以 波的形式通过填土腔中填土传播，人工边界模拟橡胶将半无限空间的 土壤截断，用以代替截断后边界特性，传播到人工边界模拟橡胶中的 激励等效为在半无限空间的土壤中传播，一部分波通过基础边界模拟 橡胶传递给混凝土基础，最终激励通过重型机床立柱和重型机床横梁 被位移传感器a接收；通过此过程检测外部环境作用下系统的动态响 应，同样也可以在重型机床构件上施加激励，激励传播过程与上述过 程相反，用以检测内部激励作用下系统的动态响应，重型机床结构自 身重力作用下，混凝土基础产生变形，混凝土基础中的位移传感器b 和应变传感器可检测到混凝土基础产生的承载变形及承载应变。

此外，通过更换不同尺寸的重型机床立柱来完成不同重型机床的 更换，将重型机床横梁通过横梁燕尾槽连接于重型机床立柱上，来模 拟大型滑动结合面特性，在更换重型机床立柱的同时重型机床横梁也 随之更换。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、实验装置具有通用性，考虑了各类结合面的影响，可实现不 同重型机床、不同形式基础、不同土壤的更换。

2、可实现重型机床的不均匀沉降预测，降低因不均匀沉降导致 的机床精度损失和维修费用。

3、可测量基础-地基系统的承载变形，可测量因内、外部环境激 励带来的动态响应，预测内外因素对重型机床精度的影响规律。

附图说明

图1为本实验装置的主视图。

图2为本实验装置的侧视图。

图3为本实验装置的上端盖结构图。

图4为重型机床横梁与立柱连接结构示意图。

图5为立柱结构图。

图6为混凝土基础结构图。

图中：1、调平底座，2、调平螺母，3、人工边界模拟橡胶，4、 填土腔，5、上端盖开启铰链，6、激振口，7、基础边界模拟橡胶，8、 重型机床立柱，9、重型机床横梁，10、立柱栓接孔，11、混凝土基础， 12、上端盖，13、上端盖锁紧螺母，14、地基支撑装置，15、上端盖 锁紧孔，16、上端盖基础孔，17、横梁燕尾槽，18、位移传感器，19、 应变传感器，18.1、位移传感器a，18.2、位移传感器b。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细描述。

如图1～6所示为该重型机床-基础-地基系统相互作用的实验装置 图，该实验装置包括调平底座1、调平螺母2、人工边界模拟橡胶3、 填土腔4、上端盖开启铰链5、激振口6、基础边界模拟橡胶7、重型 机床立柱8、重型机床横梁9、立柱栓接孔10、混凝土基础11、上端 盖12、上端盖锁紧螺母13、地基支撑装置14、上端盖锁紧孔15、上 端盖基础孔16、横梁燕尾槽17、位移传感器18、应变传感器19，位 移传感器18包括位移传感器a18.1以及一组位移传感器b18.2。

重型机床横梁9通过横梁燕尾槽17与重型机床立柱8连接，同 时保证重型机床立柱8与立柱栓接孔10同心栓接；人工边界模拟橡 胶3胶接在地基支撑装置14上，基础边界模拟橡胶7胶接在混凝土 基础11上，混凝土基础11与基础边界模拟橡胶7固定于填土腔4的 填土中；在上端盖12两侧挖出激振口6；位移传感器a18.1固定于重 型机床横梁9几何中心，用以实现重型机床刀尖点的动态特性检测的 目的，位移传感器b18.2为一组位移传感器，用以实现混凝土基础11 承载变形检测的目的；应变传感器19同样为一组应变传感器，与位 移传感器b18.2并列布置于混凝土基础11中，用以实现混凝土基础 11静态特性检测的目的；为保证传感器的准确测量，将上述传感器 布置于混凝土基础11中距离上表面为基础高度的1/4处。

实验装置通过调平螺母2带动调平螺母1完成装置的调平，上端 盖12与地基支撑装置14通过上端盖开启铰链5铰接，拆下上端盖锁 紧螺母13实现上端盖12的开启，混凝土基础11上表面与上端盖12 的上端盖基础孔16大小相同，人工边界模拟橡胶3用以模拟粘-弹性 人工截取的边界条件，相当于在人工边界上同时设置阻尼器和弹簧； 然后，将人工填土置于填土腔4中并夯实，在填土腔4中预埋传感器， 填土腔4内的填土可根据不同地质条件进行更换以研究不同土壤系 统的静、动特性影响，基础边界模拟橡胶7用以模拟基础与土接触面 边界条件，相当于在混凝土基础11与土层结合面上设置阻尼器和弹 簧；然后填埋进夯实在填土腔4中的土壤内，可根据不同基础形式更 换混凝土基础11，重型机床立柱8通过上端盖基础孔16与立柱栓接 孔10平行栓接在混凝土基础11上，来模拟栓接结合面特性。

该装置工作时，外部激励器通过激振口6作为系统的振源，激励 以波的形式通过填土腔4中填土传播，人工边界模拟橡胶3将半无限 空间的土壤截断，用以代替截断后边界特性，传播到人工边界模拟橡 胶3中的激励等效为在半无限空间的土壤中传播，一部分波通过基础 边界模拟橡胶7传递给混凝土基础11，最终激励通过重型机床立柱8 和重型机床横梁9被位移传感器a18.1接收；通过此过程检测外部环 境作用下系统的动态响应，同样也可以在重型机床构件上施加激励， 激励传播过程与上述过程相反，用以检测内部激励作用下系统的动态 响应，重型机床结构自身重力作用下，混凝土基础11产生变形，混 凝土基础11中的位移传感器b18.2和应变传感器19可检测到混凝土 基础11产生的承载变形及承载应变。

此外，通过更换不同尺寸的重型机床立柱8来完成不同重型机床 的更换，将重型机床横梁9通过横梁燕尾槽17连接于重型机床立柱 8上，来模拟大型滑动结合面特性，在更换重型机床立柱8的同时重 型机床横梁9也随之更换。