一种龙门横梁防挠加固结构及预应力精准布设方法与流程

本发明属于龙门机床，尤其涉及一种龙门横梁防挠加固结构及预应力精准布设方法。

背景技术：

1、龙门加工中心的横梁作为机床关键承载部件，承担滑鞍、滑枕的往复运动载荷，大跨距工况下，横梁自身重量会使横梁跨中位置产生向下挠曲变形。横梁下挠会直接改变导轨平面直线度，造成刀具切削点位偏移，降低整机加工精度，严重时会影响机床使用寿命，因此大跨距龙门横梁必须采取抗下挠加固措施。

2、当前针对龙门横梁抗挠变形的技术手段主要分为三类：第一种为铸件铸造预拱，在横梁铸造阶段直接预留向上的预拱量，依靠铸件本体形变补偿自重下挠。但铸造预拱精度受铸造工艺、铸件时效变形影响大，预拱量成型之后不可调节；机床长期服役后铸件应力释放、结构蠕变，预拱效果会逐步衰减，无法后期补偿修正，适配性较差。第二种为液压动态补偿，依靠外置液压机构在机床工作过程中实时施加作用力抵消下挠，该方案需要机床工作时持续提供液压动力，系统复杂，存在漏油、响应滞后风险，停机状态下补偿效果消失。第三种为内部预应力拉杆加固，在横梁箱体内部布置张拉杆，张拉拉杆后对横梁箱体施加反向弯矩，形成静态预拱，不需要外部持续供能，可靠性高，是近年来大跨横梁的主流加固方向。

3、现有预应力拉杆加固方案大多采用张拉杆等间距平行布置的结构形式，拉杆相对横梁中性轴固定偏心布置。但横梁自重产生的弯矩沿横梁跨向是连续变化的，跨中弯矩最大，向两端逐步减小，传统等间距拉杆布设无法匹配弯矩分布规律，预应力利用效率偏低。张拉作业过程中，受零件加工误差、装配间隙影响，拉杆极易出现装配偏斜，张拉时会引入额外附加弯矩、附加扭转力矩，加剧横梁局部应力集中；现有张拉座大多采用刚性直接接触结构，不能补偿装配偏心，偏心带来的附加载荷直接传递给横梁箱体，容易造成箱体局部开裂。

4、另一方面，现有预应力拉杆的张拉施工大多依靠仿真计算直接设定张拉载荷，张拉完成后仅做简单抽检，缺少多位置变形实时检测硬件，张拉过程中锚具回缩、接触面摩擦会产生不可忽略的预应力损失，理论计算载荷与横梁实际获得的预拱效果偏差较大；同时缺少专用的基准安装结构，挠度检测部件安装基准精度差，粉尘、切削液容易侵入箱体内部，影响检测数据可靠性。

5、综上，现有预应力拉杆加固技术存在拉杆排布不能匹配横梁弯矩分布、张拉易产生附加弯矩与扭转力矩、预应力损失难以补偿、预拱控制精度不足、缺少闭环布设工艺的缺陷，亟需开发一种新的龙门横梁防挠加固结构以及配套的预应力精准布设方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种龙门横梁防挠加固结构及预应力精准布设方法，解决现有大跨距龙门机床横梁采用预应力拉杆加固时，拉杆排布形式简单，张拉易产生附加弯矩与扭转力矩，预应力损失大，预拱控制精度差，缺少完整闭环布设工艺的技术问题；本发明通过优化张拉杆偏心非等间距布设形式，配置球面调心副抵消张拉偏心附加载荷，配套挠度测点基准安装位实现变形实时采集，再结合仿真建模、装配定位、分级张拉、损失修正、挠度闭环迭代的完整布设工艺，实现横梁预应力预拱的精准可控，抑制横梁自重下挠，保障龙门机床长期加工精度稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种龙门横梁防挠加固结构，包括横梁本体，所述横梁本体内部设置抗弯箱梁，所述抗弯箱梁内装配有多根张拉杆、张拉座以及锁紧组件，所述张拉杆两端分别对应装配于张拉座上，多根所述张拉杆沿横梁跨向呈非等间距排布，各张拉杆的轴线相对横梁中性轴设置有偏心距；所述张拉座配置球面调心副，张拉座通过球面调心副与张拉杆端部相配合，所述抗弯箱梁的侧壁上设置若干挠度测点基准安装位，所述挠度测点基准安装位用于装配挠度检测部件，采集横梁张拉过程的变形数据。

4、进一步的，靠近横梁跨中位置的所述张拉杆布设密度大于横梁两端位置的张拉杆布设密度，沿横梁跨向，张拉杆布设密度由跨中向横梁两端呈梯度递减，各张拉杆的偏心距自横梁两端向跨中逐步增大，张拉杆的偏心方向朝向抗弯箱梁的上侧，全部张拉杆的偏心距取值范围为 2-12mm，同一横截面内的多根张拉杆相对于横梁中性轴上下对称布置，用于抵消张拉产生的附加扭转力矩。

5、进一步的，所述球面调心副包括球面垫圈与球面座，球面垫圈套设于张拉杆端部，球面座嵌装于张拉座内部，球面垫圈与球面座球面贴合，球面垫圈的球面曲率与球面座的球面曲率相匹配，球面垫圈与张拉杆之间设置滑动间隙，球面座外周设置周向限位凸台，所述周向限位凸台卡合在张拉座的限位凹槽内，限制球面座发生周向转动，张拉杆的螺纹段穿过球面垫圈、球面座后伸出张拉座外侧，伸出段装配锁紧螺母，锁紧螺母与球面垫圈之间预留调心摆动补偿间隙。

6、进一步的，所述挠度测点基准安装位至少布置在抗弯箱梁的跨中位置以及1/4跨位置，还布置于抗弯箱梁的3/4跨位置，所述挠度测点基准安装位为预埋于抗弯箱梁箱壁上的螺纹安装座，螺纹安装座与抗弯箱梁箱壁之间设置加强衬板，加强衬板与箱壁满焊固定，螺纹安装座的基准安装面相对于抗弯箱梁的箱壁内凹设置，基准安装面为加工平面，挠度检测部件通过螺纹连接固定于螺纹安装座上，箱梁侧壁对应每个挠度测点基准安装位开设有可封闭检修窗口，检修窗口配置可拆卸密封盖板。

7、进一步的，所述抗弯箱梁内部设置加固筋板，加固筋板包括纵向主筋板与横向隔筋板，纵向主筋板沿横梁跨向延伸，横向隔筋板垂直于纵向主筋板间隔排布，纵向主筋板与横向隔筋板相交处焊接形成网格加强骨架；张拉座的外周设置一体式连接法兰，张拉座通过连接法兰与加固筋板焊接或者螺栓刚性连接；连接法兰与加固筋板之间设置过渡垫板，过渡垫板两面分别与连接法兰、加固筋板贴合，过渡垫板上开设有应力释放圆孔；张拉座的受力承载面与纵向主筋板共面布置，使张拉载荷直接传递至网格加强骨架，减小箱梁箱体局部应力集中。

8、进一步的，相邻两根所述张拉杆之间的间距：跨中区域间距为两端区域间距的0.4-0.7倍，位于跨中位置的张拉杆偏心距为横梁两端张拉杆偏心距的1.8-3.0倍。

9、进一步的，所述球面垫圈与球面座的球面配合面之间填充固体润滑涂层，锁紧螺母为双螺母防松结构，主锁紧螺母与副锁紧螺母相互抵紧，副锁紧螺母内侧设置防松止动垫片，防松止动垫片卡接于张拉杆的外螺纹的卡槽内。

10、进一步的，所述抗弯箱梁的上箱板、下箱板分别与网格加强骨架焊接为一体，张拉座的内侧设置限位挡肩，限位挡肩抵靠在加固筋板的侧面，实现张拉座的径向定位，防止张拉过程张拉座发生滑移偏移。

11、本发明还提供了一种龙门横梁预应力精准布设方法，采用所述的龙门横梁防挠加固结构，包括如下步骤：

12、s1、工况仿真建模：建立包含横梁本体、滑鞍、滑枕的有限元仿真模型，导入横梁自重以及机床工作载荷，求解得到横梁目标预拱量，输出每根张拉杆对应的目标预应力值以及目标布设偏心距；

13、s2、拉杆装配定位：依据仿真输出的目标布设偏心距、非等间距排布参数，完成张拉杆、张拉座的装配定位，并在挠度测点基准安装位处安装挠度检测部件；

14、s3、分级分步张拉：按照由横梁跨中向横梁两端的张拉顺序，对多根张拉杆进行多阶分级张拉，逐级施加张拉载荷，分级张拉的级数不少于3级，每级张拉完成后保压预设时间，再进入下一级张拉；

15、s4、预应力损失修正：采集张拉过程中的锚具回缩损失、张拉杆与张拉座之间摩擦损失，基于损失值对各张拉杆的张拉载荷进行补偿修正；

16、s5、挠度闭环校验：通过挠度检测部件采集横梁实际变形量，将实际变形量与仿真得到的目标预拱量进行比对，预设阈值为目标预拱量的±3%～±8%，当变形偏差超出预设阈值，则迭代微调对应张拉杆的预应力，直至变形偏差满足要求；

17、s6、锚固锁紧：挠度校验合格后，通过锁紧组件完成张拉杆与张拉座的锚固锁紧，完成预应力布设。

18、综上所述，本发明的有益技术效果为：

19、1、本发明张拉杆采用跨向非等间距梯度排布、偏心距由两端向跨中逐步增大，同时横截面上下对称布置，匹配横梁自重下挠弯矩分布规律，在实现反向预拱抵消下挠的同时，抑制张拉带来的附加扭转力矩，相比传统等间距平行拉杆，预应力利用效率更高。

20、2、本发明设置球面调心副结构，允许张拉杆产生小角度摆动补偿，消除拉杆装配偏心带来附加弯矩，球面座设置周向限位，避免球面座随螺母转动发生磨损，球面配合面设置固体润滑涂层，降低摩擦预应力损失；双螺母加防松止动垫片结构，提升长期锚固防松可靠性。

21、3、本发明在箱梁侧壁预埋带加强衬板的挠度测点基准安装位，配置检修窗口密封盖板，挠度检测部件安装基准精度高，可在张拉全过程实时采集箱梁多位置变形数据，为闭环校验提供硬件基础。

22、4、本发明布设方法形成有限元仿真、装配定位、分级张拉、损失补偿、挠度实测迭代、锚固锁紧完整闭环工艺，分级张拉顺序由跨中向两端，配合预应力损失修正以及挠度闭环迭代，大幅缩小实际预拱与设计目标偏差，实现静态预应力精准布设，布设完成后预拱效果可长期保持。