热伸长量

热伸长量（精选4篇）

热伸长量 篇1

摘要：数控机床滚珠丝杠采用预拉伸结构,适应加工高精度零件要求,通过理论计算和实践试验相结合的方法,得出滚珠丝杠的预拉伸量。

关键词：滚珠丝杠,热位移,预拉伸

笔者所在公司生产生产的斜床身系列数控机床,定位为中高档机床,小批试制的机床客户在使用过程中,反映加工的零件尺寸不稳定会产生变化,一般机床在运行30分钟后才稳定,拿G-160P来说,尺寸影响一般在0.04~0.05mm间(直径)。如何解决此问题?

从三方面着手解决此问题,一是分析丝杠结构布局和改良丝杠结构;二是确定改良后丝杠结构的变形量;三是对改良后的丝杠结构进行工艺试验。以G-160P为例,并进行了工艺验证与规范,解决了丝杠热位移问题。

1 丝杠分析丝杠结构布局和改良丝杠结构

(1)原来的丝杠结构图

丝杠采用一端固定,一端游动方式,(如图1)此种方式,由于丝杠在加工过程发热产生热位移,致使加工精度下降,在加工零件对精度要求比较高时,丝杠精度严重影响加工精度,容易做造废品率高。

(2)改成预拉伸结构丝杠

丝杠结构准备采用预先拉伸的方法,将丝杠在未运动及发热伸长前,将丝杠预先拉伸到一定的量,待丝杠发热后丝杠伸长量抵消大部分发热伸长量,减少丝杠的热伸长量造成的精度影响;丝杠预拉伸结构采用一端固定,另一端对丝杠进行拉伸,结构如图2所示[1]。

2 确定预拉伸丝杠的螺母锁紧量

(1)丝杠热伸长量的确定

由于丝杠在运运时发生磨擦,产生热量;根据材料热变形,有两个方面热膨胀,一径向膨胀伸长,一是轴向膨胀伸长,但影响机床精度的只是轴向膨胀伸长。轴向热位移的大小可由以下公式算出[2]:

式中α:线性膨胀系数(12.0×10-6℃-1)

Δt:丝杠轴的温升,一般取3℃~5℃;

L:螺纹有效长度。

G-160P数控机床的X轴丝杠相关参数如下:

长度L=0.5m,丝杠温升Δt=4℃,丝杠材料为钢材,线性膨胀系数α取11×10-6,则X轴由于温升产生的热位移为:

理论计算出的结果与客户反映的误差基本相符(直径为此值两倍)。

(2)预拉伸结构轴承的选定

1)轴承轴向承受力的确定

根据丝杠伸长量确定丝杠轴承的轴向承受力;材料的轴向变形与受力关系公式如下[3]:

F为丝杠预拉伸所需的力;Δl=δt即丝杠热位移量;E为丝杠材料的弹性模量;L为丝杠两前后轴承的跨距;A为丝杠截面积。

2)丝杠预拉伸端轴承的选定如表1所示。

(3)轴承轴向接触变形量的确定

如图3,设计并制造一套这样的测量装置,并对丝杠预拉伸端的轴承施加丝杠预拉伸所需的F=43k N的力,测量施加压力前与施加压力后的高度差ΔH值的变化,拿了五套轴承去测量,其测量数据如表2所示。

(4)丝杠预拉伸端压紧螺母变形量的确定

如图4,设计并制造一套这样的测量装置,并对该螺母同样施加丝杠预拉伸所需的F=43k N的力,测量施加压力前与施加压力后的高度差Δh值的变化,拿了五套螺母去测量,其测量数据如表3所示。

(5)丝杠预拉伸螺母锁紧量的确定

丝杠预拉伸时的锁紧量为:

该丝杠螺母的螺距为1.5mm,则该螺母拧贴后,再锁紧的角度为:

3 工艺试验

如图5,丝杠安装结构形式改进后,分别对丝杠预拉伸前和丝杠预拉伸后进行了热位移的对比试验:用间接方式测量,直接用千分表指向床鞍或滑板,记录滑板上的冷热机时位置的变化。具体试验工艺及工艺要求如下。

(1)用千分表指向床鞍或滑板的平整光滑的平面,所指平面的粗糙度不小于3.2,千分表所指平面垂直于床鞍运动方向,千分表测头垂直于所指平面。

(2)移动床鞍或滑板,至两端超程位置,读取全行程值m,设定床鞍的移动距离p(p≈m-80),设定移动位置在两超程开关的中间。

(3)调整两千分表和移动床鞍,使两千分表测头接触床鞍或滑板后再移动约0.005mm(即压表量约0.005mm),以G0速度移动床鞍,移动距离约为p,两端停顿时间均设为2s,移动次数为五次,停止后再调整压表量为0.005mm,调整后再按上面速度、移动距离及停顿时间移动床鞍五次,观看千分表压表量的变化,应在0.001~0.002mm内,否则再调整。

(4)以G0速度移动床鞍,移动距离为p,两端停顿时间为1s,每运行时间10分钟,观察丝杠伸长量,直至读数稳定,并记录数据;拧贴螺母后再转螺母75°,然后按未锁紧前的方法再测量和记录数据,具体数据参见表4。

(5)从表4数据可以看出,没有进行预拉伸的滚珠丝杠,丝杠的伸长量与丝杠的温度有较大的关系,随着温度的升高,丝杠的伸长量随之增大,附合材料的线性膨胀规律;但丝杠预拉伸后,仍有较小的伸长量,但数值较小,并且远高于国家标准,能够满足较高精度零件的要求。

4 结语

在整机装配时,校杆好丝杠后,用5N·m的力锁紧预拉伸端的螺母后,再用力转动该螺母约1/4圈,然后固定该螺母的防松螺钉。严格按此要求执行,对笔者单位的斜床身系列数控机床,X轴Z轴进行预拉伸改进,收到了很好的效果,不仅提高了机床加工零件的精度及稳定性,也受到客户的青睐,提高了产品在市场上的竞争力。

参考文献

[1]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]日本精工株式会社.NSK精机产品[Z].2005.

[3]戴曙.机床滚动轴承手册[M].北京:机械工业出版社,1993.

预应力钢绞线伸长量控制浅析 篇2

1 预应力张拉理论伸长量的计算

理论伸长值计算中, 如果采取的是两端张拉, 钢绞线对称布置, 在进行伸长量计算时是计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法;如果是一端锚固一端张拉, 计算时应从张拉端计算至锚固端;而对于非对称结构, 钢绞线不对称布置, 在计算钢绞线的伸长值时, 计算原则是从两侧向中间分段计算, 至某一点时钢绞线的受力基本相等即可, 而不是简单的分中计算。钢绞线的分段原则是将整根钢绞线根据设计线形分成曲线连续段及直线连续段, 而不能将直线段及曲线段分在同一段内。

1.1 计算公式

伸长量, 平均张拉力:

终点张拉力:Pz=Pq×e- (kx+µθ)

式中各符号的代表意义和单位请参考《公路桥梁施工技术规范》 (JTJ 041-2000) 中关于预应力筋伸长值ΔL的计算和附录G-8中Pp的计算公式规定。

1.2 计算中的注意事项

随着预应力技术的逐渐成熟, 预应力设计由单存的2D空间设计转化为3D空间设计, 当出现纵弯和平弯组合时, 钢绞线的分段长度根据规范应按照水平投影长度计算。Ep作为钢绞线的弹性模量由于厂家生产产品的差异性, 不建议采用通用值1.95×105, 尽量以检测值为准。K和μ系数一般30米以上需要进行量测, 计算采用实际值。在管道弯曲部分充分考虑预应力筋与孔道壁之间的磨擦系数μ的影响。每一段的终点力就是下一段的起点力。

1.3 计算实例

已知某盖梁半幅钢束, 曲线段钢束半径600cm, 预应力筋采用Φ15.24的钢绞线束, fpk=1860MPa, 锚下控制力为1367MPa, Ep=1.95×105MPa, 孔道采用金属螺旋管。采用分段计算理论伸长量。分为:A B、BC、CD、DE、EF、GF共6段进行计算。锚下控制力为1367MPa及锚圈口摩阻损失 (一般规定不大于3%, 也可根据《公路桥梁施工技术规范》 (JTJ 041-2000) 附录G-9测得, 这里计算取3%) 计算千斤顶张拉力P=1367×140× (1+3%) =197.121kN。

2 张拉时钢绞线实际伸长量的测量和计算

2.1 直接测量张拉端千斤顶活塞伸出量的方法

此法我认为存在一定的误差, 这是因为工具锚端夹片张拉前经张拉操作人员用钢管敲紧后, 在张拉到10%σk时因钢绞线受力, 夹片会向内滑动, 张拉到20%σk时, 夹片又会继续向内滑动, 这样通过测量千斤顶的伸长量而得到的10%~20%σk的伸长量比钢绞线的实际伸长值长1mm~2mm, 若累计10%~20%σ、20%σk~100%σk时, 两侧同时张拉时共计有约6mm~8mm的误差, 但是张拉力是达到的。因此用测量千斤活塞的方法一般测出来的值都是偏大的。

2.2 量测钢绞线绝对伸长值的方法。

量测钢绞线绝对伸长值的方法是采用一个标尺固定在钢绞线上, 通过游标卡尺来连续记录伸长量值。不论经过几个行程, 均以此来量测分级钢绞线的长度, 累计的结果就是初应力与终应力之间的实测伸长值。此法测得的伸长值扣除了工具锚处钢束回缩及夹片滑移等影响, 测量的实际伸长量与理论伸长量比较接近。

3 施工中伸长量测量计算问题及原因

3.1 预应力值满足, 但实际测量伸长量比理论伸长量偏小, 超出6%的允许范围

(1) 在穿素时, 一组钢绞线发生了互相纠缠, 张拉时部分区段未达到张拉应力。 (2) 计算理论伸长量时孔道摩阻系数取值偏小。 (3) 夹片啃钢绞线, 大幅降低拉应力, 虽然油表读数显示到了设计应力, 但实际传递到钢绞线上的并没有那么多。所以在张拉之前, 一定要检查一下限位板的空隙是否满足夹片在张拉中的自由伸缩量, 但空隙也不能太大, 否则夹片回缩引起的应力损失会增大, 一般要留2mm左右。 (4) 钢绞线在使用前要送检, 伸长量要根据检测报告上的弹性模量计算。 (5) 气温偏低影响。

3.2 实测伸长量偏大于理论伸长量

(1) 与张拉工艺有关。例如它锚固采用的是人工拧紧后锚固, 张拉的千斤顶下口变形很大。 (2) 与螺纹钢安装有很大的关系。因为施工过程中螺纹钢下口很难与下垫板固定, 中间略有空隙。 (3) 测量方法不合适, 采用直接量测千斤顶行程容易导致结果偏大。

4 夹片回缩量补充张拉

在实际张拉控制过程中, 在张拉并持荷完毕后千斤顶放松过程中对于夹片式锚具有一个夹片回缩自锚及锚具变形, 使锚下控制应力有所损失, 根据《公路桥涵施工技术规范》 (JTJ 041-2000) 表12.8.3规定夹片式锚具容许回缩量不大于6mm, 但是各个厂家设计是不一样的, 基本在3 m m~6mm之间, 所以在锚具使用前应详细查阅产品使用说明书, 明确夹片的回缩量, 具体市公共过程中建议在最后一步持荷并测量完伸长量在控制范围内后应再把每端钢绞线拉长3mm~6mm (补足夹片回缩量) , 这样最终的锚固应力才是设计的锚下控制应力。

5 结语

预应力筋的伸长量计算方法有多种, 常用的平均力法及简化计算法在很多工程施工中也能够满足精度要求, 这里仅是将现行规范中精确计算法及施工中误差较小的一种测量方法作了浅要的分析, 对于锚下控制应力的补张, 应和设计单位和监理工程师沟通明确, 是否需要补足夹片的回缩应力损失。由于水平有限, 以上方法和观点尚有不足之处, 尚请批评指正。

参考文献

[1]JTJ041-2000, 公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社.

热伸长量 篇3

1 工程概况

(1) 江西省上饶市至德兴市的二级公路中的望仙挂线, 桩号为K0+049, 为3孔16米简支板桥, 汽车荷载为公路—Ⅱ级, 设计洪水频率为1/100, 桥长59.808m.。

(2) 本桥设计的预应力为6φ15.24的高强度低松驰钢绞线, 每束由7φ5的高强低松驰钢丝组成, 标准强度Rby=1860MPa, 其每米公称面积为140mm2, 弹性模量为1.95×105MPa, 采用LUM15-6锚具。

(3) 千斤顶与油表校验

张拉前对千斤顶与油表进行校验, 求出回归方程。

(4) 控制张拉力的校核

因为张拉力过大, 可能使梁上翼缘砼产生竖向裂纹, 下翼缘砼产生纵向裂缝, 还可能使钢丝出现塑性变形, 张拉力为足, 则降低梁的抗裂性能, 有荷载作用力, 影响梁的使用寿命, 所以应校核张拉力。设计提供的控制张拉力σk=0.75Rby。经校核控制张拉力PK=0.75×1860×140×6=1171.8KN, 最大超张拉力PC=1230.4KN。

(5) 张拉的程序

为尽可能消除摩擦力的影响, 测定实际伸长值, 张拉采用一端张拉, 并分三级, 具体分级为0→σ01 (10%σk) →σ02 (20%σk) →σk (持荷2分钟)

张拉按钢束编号顺序情况横向对称张拉, 1#千斤顶张拉1#、4#束, 2#千斤顶张拉2#、3#束, 具体图形如下:

1#、2#束伸长量为N2, 3#、4#束伸长量为N1。

(6) 张拉伸长量的检验

预应力钢材应力控制张拉时, 应从伸长量进行校核, 实际伸长量与理论伸长量应控制在6%以内, 否则应暂停张拉, 待查明原因采取措施调整后, 方可继续张拉。

(7) 理论伸长值计算式

查相关资料得预埋波纹管K=0.0015, u=0.22

P-预应力钢材的平均张拉力KN

P-预应力钢材张拉端的张拉力KN

U-预应力钢筋与管壁的摩擦系数

K-孔道每米的局部偏差对摩擦的影响系数

2 伸长值计算

采用一端张拉, Ay=140mm2;Ey=1.95×105MPa;张拉控制力P=1171.8KN

(1) N1伸长值计算

a) 距张拉端长度直线AB=60.6cm (直线) ;BC=130.9cm (曲线) ;CD=1177.1cm (直线) ;DE=130.9cm (曲线) ;EF=60.6 (直线) ;θ=2.5°×∏÷180°

b) 各处点的张拉力

同理可得PC=1157284N;

PD=1137030N;

PE=1123967N

3) 钢束理论伸长值

由上面公式得

同理可得△LBC=0.93cm;△LCD=8.243cm;△LDE=0.903cm;△LEF=0.416cm;

则N1的总伸长值△L=0.433+0.93+8.243+0.903+0.416=10.93cm

(2) N2伸长值计算

a) 距张拉端长度直线AB=68.2cm (直线) ;BC=261.8cm (曲线) ;CD=906.8cm (直线) ;DE=261.8cm (曲线) ;EF=68.2 (直线) ;θ=12°×∏÷180°=0.209rad

b) 各处点的张拉力

同理可得PC=1113615N;PD=1098570N;

PE=1045089N

3. 钢束理论伸长值

由上面公式得

同理可得△LBC=1.825cm;△LCD=6.123cm;△LDE=1.713cm;△LEF=0.435cm;

热伸长量 篇4

近年来,随着高速高精密机床的日益广泛应用,影响机床加工精度的热特性渐渐地引起人们的注意,并成为研究的热点之一。高速电主轴作为高速机床的核心部件,由于电机和主轴“合二为一”的高效传动结构,使电机成为该类机床主轴的主要热源。有资料表明:影响高速机床加工精度的主要分因素之一是热误差,约占机床总误差的40%—70%[1],高速电主轴作为高速和超高速机床的“心脏”,其刚度和精度都很高,加工过程中载荷又相对较小,故主轴因受力产生的弹性变形所引起的加工误差就比较小,热变形引起的热误差就更为显著,可达到零件总加工误差的60%—80%[2,3]。因此要提高机床的加工精度,采取有效的措施来分析并减小电主轴的热伸长对加工精度的影响误差就显得尤为重要。本文详细论述了高速电主轴的各关键点的在线温升及轴向热伸长量的测试方法和数据采集系统的设计。

1电主轴系统的结构

本文以西安英威腾合升动力科技有限公司生产的某型号高速电主轴为例,该电主轴主要是由主轴、转子、定子、前后轴承、轴承端盖等主要部件组成,最高转速为18 000 r/min。利用SolidWorks建立主轴、定子、转子及前、后轴承等的几何结构如图1所示。

本文将利用PT1000热敏电阻及对电主轴的热源及关键部位进行在线监控与测试,采用高精度电涡流位移传感器对高速电主轴的轴向热伸长进行在线测量和监控,利用红外温度传感器对电涡流位移传感器采集的信号进行温度与伸长量关系标定,可实现电主轴在实际加工过程中的热误差补偿。

2 测试系统设计

2.1 在线温升测试

在电主轴内外多种热源的影响下,电主轴温度场不断变化,电主轴的轴向热伸长量也随之不断地发生变化。但是,由于电主轴温度场与热变形的动态特性不同,导致电主轴温度场中每一点的温度变化与电主轴的热变形之间的关系都不同。所以电主轴温升测点的选择对热误差模型的精度和鲁棒性有很大的影响[4,5]。

根据电主轴的结构性能特点及对热特性[6]的分析,确定电主轴的最佳温度测点[7],从而从整体上来描述各参数对主轴系统热态性能的影响。为了减小测量误差,接触测试部位均采用PT1000热敏电阻。实验主要温升测试的部位的具体描述见图表1。

其中对于传感器安装的具体位置见图2。

2.2 轴向伸长量测试

考虑到电主轴在沿着轴向有一定的热伸长量外,在径向也有一定的热漂移,为了减少测量的误差,本文采用感应面积较大的高精度电涡流位移传感器来测量电主轴沿轴向的热伸长量。

电涡流位移传感器通过刚性连接固定于主轴本体上,这样电主轴和电涡流传感器虽有同样的振动,但无相对偏差,这样可以忽略振动引起的测量误差。调节传感器的固定支杆,可将电涡流位移传感器移动到指定的位置并固定进行测量。电涡流采集来的信号通过前置器、信号调理电路、数据采集卡接到电脑中进行记录、分析。

此外,电涡流位移传感器与测轴端温升的红外传感器组合使用可以形成主轴热伸长的在线实时补偿系统。这也是测量轴向热伸长量的意义所在。

2.3 测试系统的硬件设计

高速电主轴在线温升及轴向热伸长的测试系统主要由系统硬件和测试软件组成。系统硬件主要是以工控机为操作平台,与工控机同步工作的是数据采集卡、高精密位移、温度传感器及提供信号源的高速运转电主轴。测试系统的硬件原理图如图4。

由图4可知,每个传感器代表一个通道,可以由IPC控制界面来操作是否开始采集传感器工作的信号,开始采集后,传感器信号经过信号调理电路,即经过放大、转换、滤波后直接输入到数据采集卡中转换成计算机可以识别的数字信号,以供信号分析使用。

3 测试系统的软件设计

本文选用的测试系统采用研华公司的PCL—818L插卡式数据采集卡,其具有16路单端或8路双端模拟量输入通道,支持差动输入和单端输入两种输入方式;具有12位A/D转换器,最高采样频率40 kHz;且每个输入通道的增益可编程。

3.1 软件说明

本测试系统的测试软件使用基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW进行编写,实用性强、可靠性高,具有良好的人机交流界面,其多通道测试的工作界面如图5所示。

在电主轴及软件驱动的各项参数设定完成后,便可进入测试窗口进行实际测量。“开始数据采集”按钮开始数据采集。采集过程中图形显示控件上可显示采集进度和采集时间,“数据显示区”显示采集数据的文本信息,“图象显示区”显示数据曲线。单击“停止数据采集”按钮停止数据采集。采集结束后,单击“保存结果”按钮进入保存,进行测试结果的保存和打印。

3.2 测试系统的操控流程

高速电主轴各关键点温度及轴端热伸长的测试系统的软件流程图如图6所示。

4 实例验证

4.1 实验

为了验证本系统的可行性与实用性,在高速电主轴的转动的实验台上进行了验证。本测试工作台是将主轴工作平台和测试平台做成一个整体。如图7。

电主轴固定于工作台上,通过驱动器调节,改变频率,便可使其在不同转速下运转。通过改变电主轴的电流来反应电主轴在不同工况下的发热情况,从而改变电主轴的工作状态。

基于以上的实验装置,采集到所需要的数据,并将其保存到指定的文件夹,以便进行离线分析。例如:图8所示为某时刻电主轴转速为9 000 r/min时经硬件滤波后的采集温升及轴伸长量的波形图。

4.2 实验数据分析

按照上述的实验方法对高速电主轴系统各部位进行在线温升及轴向热伸长测试,并将所测得的温升数据进行处理分析,绘成便于分析的曲线如下图:

由图9、图10可知,在电主轴启动的初始阶段,特别是在高转速条件下,轴承外圈温升随电主轴转速提高而越大,在1 500 s左右达到平衡。

由图11可以看出,相同转速下,在电主轴壳体的三个部位中,壳体前端温升最高,壳体中部温升次之,后端温升相对较低。这是因为前端轴承滚动体接触载荷较大,从而产生较大的摩擦力矩,使得前端轴承产热过大,温升较高;在主轴高速运转状态下,前端轴承的发热量高于定子产热量,如图9、12所示。可见在高速阶段,轴承的急剧摩擦发热为电主轴产热的主要原因。

图13为轴向热伸长与转速的关系曲线,由图可以看出电主轴的轴向伸长量随转速的提高而增大,在相同转速下,轴向伸长量增大到一定长度将趋于平衡,这与电主轴热源的温升有着直接的联系。

通过实验,可以看到本系统操作简单,根据相应的提示就可以完成操作,而且测试效率高,稳定,在很短的时间内可以完成整个测试过程。

5 结论

通过对测试系统的的现场测试,可有效、精确的完成对高速电主轴的几个关键部位的在线温升及轴向热伸长的实时测试。测试系统稳定,测试过程操作方便,测试结果真实可靠。

摘要：针对高速电主轴的热源及热误差问题进行了研究。阐述了基于多通道数据采集卡与虚拟仪器技术的高速电主轴在线温升及轴向热伸长测试系统的整体设计方法。测试系统硬件由多功能数据采集卡和高精度位移、温度传感器组成,并在LABVIEW平台上以图形化方式编写测试系统配套软件,实现了对信号的实时采集、存储与回放,并对数据进行处理和分析。实验结果表明,该测试系统运行稳定、可靠,达到了预期的效果。

关键词：高速电主轴,在线温升,热伸长量,多通道数据采集卡,虚拟仪器

参考文献

[1] Bryan J.International status of thermal error research(1990).Key-note Paper Annals of the CIRP,1990;39(2):645—656

[2] Weck M,Mckeown P.Reduction and compensation of thermal error inmachine tools.Annals of the CIPP,1995;44(2):589—598

[3] Okafor A C,Ertekin Y M.Derivation of machine tool error modelsand error compensation procedure for three axes vertical machiningcenter using rigid body kinematics.International Journal of Machinetools&Manufacture,2000;40(8):1199—1213

[4] Lo C H,Yuan J.An application of real time error compensation on aturing center.International Machine Tool and Manufacturing,1995;(35):61—67

[5] Lee Jinhyeon,Yang Seunghan.Statistical optimiza-tion and assessmentof a thermal error model for CNC machine tools.International Journalof Machine Tools&Manufacture,2002;(42):147—155

[6]曹永洁,傅建中.基于高精度位移传感器的机床主轴热变形实时测量.控制与检测,2006;(12):42—44