高强栓接结构对分段式重载横梁动态特性的影响

    超跨距重型龙门数控机床是我国电力、航天航空、大型船舶等行业急需的制造装备，是国家的战略物资． 超跨距重载横梁是重型龙门数控机床的一个极其重要的承载结构件，其力学特性直接影响整机的精度和性能． 由于超跨距横梁的尺寸和质量过于巨大，如果采用整体制造和运输，所需的铸造能力巨大，加工和运输难度高，不利于制造和节能减排． 因此，采用分段式结构制造超跨距重载横梁是一种很好的解决方案和发展方向，已经成为国内外重型、超重型数控机床制造企业急需解决的重要课题．

    然而，若采用分段式制造，栓接结合面将对横梁整体力学特性产生影响． 国内外的研究者已对栓接结合部的力学特性进行了研究，THOMLEY 等［1］较早地研究了结合部的力学特性; 黄玉美［2］、张学良等［3］、伍良生［4］与毛宽民等［5］也对栓接结合面的特性进行了深入的研究; IBRAHIM 等［6］对栓接结合面力学特性的不确定问题进行了总结． 这些研究仅针对结合面的力学特性，并未考虑栓接结合面对整体结构的影响．

    本文以某机床厂生产的三段式重载横梁为研究对象，通过动力学测试与有限元分析，在 3 种安装方式下，对比分段式实际横梁的动力学测试结果与整体式横梁的有限元分析结果，探究了高强栓接结合部对重载横梁力学特性的影响，为分段式横梁的设计与制造提供了依据．

    1 分段式横梁

    图 1 是国内某机床龙头企业在类比国外同类产品的基础上试制的一个超跨距重载分段式横梁，其跨度为 10. 5 m，总长为 15 m，质量约为 100 t． 该横梁由 3 段组成，段与段之间通过 29 个高强螺栓连接，该螺栓是一种特殊的工业用高强螺栓． 在安装过程中，先通过液压拉伸装置将螺栓控制到一定预变形，再锁紧螺母［7］． 横梁采用球磨铸铁材料，将对应的整体式横梁模型按 1∶ 1的比例在三维软件中建模，如图 2 所示．

    2 横梁动力学实验方法

    由于横梁质量约 100 t，且制造精度非常高，锤击法并不适合激励横梁模态． 过大的冲击载荷容易将横梁局部组织破坏，而小冲击载荷得到的信号信噪比较低，不利于模态辨识． 本实验中采用慢扫频激励法，由于该方法激励的频率变化较慢，激振能量在频谱上较集中，因此，若选择合适的激励位置，可以采用较小的激振力激励出所关心的频率． 本研究采用单点激振器激励，多点拾振． 选用 HEV－200 激振器，在使用过程中，激振力控制在 100 N 左右． 关于激励点的选择主要考虑 2 个原则: 1) 应尽可能避开各阶模态的节点位置; 2) 应使各测点响应信号足够大． 拾振传感器采用加速度传感器． 测点的布置遵循 2 个原则: 1) 各拾振点的连线能勾勒出分段梁的轮廓变形形状; 2) 对于感兴趣的结构部分( 如栓接部位) 可以将拾振点布置得更密一些［8］． 测试分粗扫频和细扫频方式进行，在搜索结构固有频率时采用粗扫描方式，大致确定结构固有频率的大小后，再通过细扫频方式确定固有频率的精确值．