壓力機(jī)橫梁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

孫國棟，趙忠樂，田廣偉，郭 楠

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

橫梁是壓力機(jī)的重要組成部件，其強(qiáng)度和剛度是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。有限元法在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析提供了一種高效、精確的分析方法[1]。本文應(yīng)用有限元分析軟件，計(jì)算出公稱力12000kN 壓力機(jī)橫梁的應(yīng)變值。同時(shí)，在實(shí)際工作狀態(tài)下，對公稱力12000kN 壓力機(jī)橫梁進(jìn)行動態(tài)測試，提取測試數(shù)據(jù)，與有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而驗(yàn)證有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性。為后續(xù)機(jī)身進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低大型壓力機(jī)的成本，實(shí)現(xiàn)輕量化的要求提供技術(shù)支持[2]。

1 橫梁體結(jié)構(gòu)

12000kN 機(jī)械壓力機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)主視圖，如圖1所示。

圖1 橫梁體主視圖

12000kN 壓力機(jī)的橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含齒輪傳動，與橫梁體裝配成一體，其偏心軸與前后主筋的位置如圖2 所示。

圖2 偏心軸與前后主筋板位置

該型壓力機(jī)最大公稱力為12000kN，其橫梁體主要由Q235-A 鋼板焊接而成，Q235-A 材料屬性如表1 所示。

表1 Q235-A 材料屬性[3]

2 橫梁體有限元分析

2.1 橫梁約束條件的確定

橫梁體進(jìn)行有限元分析時(shí)，計(jì)算加載的方式與實(shí)際的工作受力相同，橫梁體的受力來自于偏心軸（滑塊傳遞給連桿，連桿通過偏心齒輪傳遞給偏心銷軸），橫梁與立柱接觸面、心銷軸與橫梁體接觸面添加無摩擦約束，拉緊螺栓孔處添加圓柱約束。

加載模型為橫梁體四分之一模型，加載計(jì)算如圖3 所示。

圖3 橫梁體四分之一模型

2.2 橫梁體應(yīng)變有限元計(jì)算

在工作載荷加載到9000kN 的條件下，對橫梁體進(jìn)行有限元分析（測點(diǎn)按照自低速軸中心向上各間隔200mm 標(biāo)注）。低速軸中心向上600mm、800mm 位置分別為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2，低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的應(yīng)變?nèi)鐖D4 所示。

圖4 低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 處豎直方向的應(yīng)變（9000kN）

低速軸中心向上測點(diǎn)1 位置處豎直方向的仿真應(yīng)變值為155.6μm/m，測點(diǎn)2 位置處豎直方向的仿真應(yīng)變值為51.9μm/m。

在工作載荷加載到10000kN 的條件下，進(jìn)行有限元分析（測點(diǎn)按照自低速軸中心向上各間隔200mm 標(biāo)注）。低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的應(yīng)變?nèi)鐖D5 所示。

圖5 低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 處豎直方向的應(yīng)變（10000kN）

低速軸中心向上測點(diǎn)1 位置處豎直方向的仿真應(yīng)變值為：172.9 μm/m，測點(diǎn)2 位置處豎直方向的仿真應(yīng)變值為57.7μm/m。

2 橫梁體動態(tài)測試

2.1 測試對象

在實(shí)際沖壓生產(chǎn)過程中，對12000kN 的橫梁體進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變測量。對于每個(gè)要測量的偏心支承結(jié)構(gòu)，橫梁體上的電阻應(yīng)變片安裝位置如圖6 所示，在壓力機(jī)工作過程中，應(yīng)變測點(diǎn)1、2 測量偏心鑲板上方的主筋外壁豎向動態(tài)應(yīng)變。

圖6 應(yīng)變片布置位置

2.2 測試方法

電阻應(yīng)變片是以橋式電路連接的，如圖7 所示。由3 個(gè)相等的電阻R1、R2、R3和電阻應(yīng)變片組成電橋。接通電源U0（內(nèi)部激勵(lì)），由于對稱的原因，平衡時(shí)對角線B、D 間的電位差為零。

圖7 1/4 橋式電路工作原理及接線法

當(dāng)橫梁體測試部位發(fā)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值會發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片的電阻值的變化將引起B(yǎng)、D 間電位差的變化。通過電阻應(yīng)變測量裝置（簡稱應(yīng)變儀）可將電阻應(yīng)變片中的電阻值的變化測定出來，換算成應(yīng)變，得到所需要的應(yīng)力或應(yīng)變值。

本次測試使用NI PXIe-4330 8 通道橋式應(yīng)變采集卡，使用Labview軟件進(jìn)行編程采集、提取數(shù)據(jù)。

2.3 動應(yīng)變測量結(jié)果

在壓機(jī)負(fù)載加載到9000kN 的條件下，壓機(jī)工作時(shí)間持續(xù)大約180s，對橫梁體進(jìn)行動應(yīng)變測量（測點(diǎn)按照自低速軸中心向上各間隔200mm 標(biāo)注）。低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的動應(yīng)變變化如圖8 所示，包含10 次連續(xù)的沖壓過程。

圖8 低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的動應(yīng)變波形（900t）

從圖中11 可以得出，低速軸中心向上測點(diǎn)1 處豎直方向的動應(yīng)變大約為155 μm/m，低速軸中心向上測點(diǎn)2 處豎直方向的動應(yīng)變大約為40μm/m。

在壓機(jī)負(fù)載加載到10000kN 的條件下，壓機(jī)工作時(shí)間持續(xù)大約180s，對橫梁體進(jìn)行動應(yīng)變測量（測點(diǎn)按照自低速軸中心向上各間隔200mm 標(biāo)注）。低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的動應(yīng)變變化如圖9 所示，包含11 次連續(xù)的沖壓過程。

圖9 低速軸中心向上測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 位置處豎直方向的動應(yīng)變（1000t）

從圖中12 可以看出，低速軸的中心向上測點(diǎn)1處豎直方向的動應(yīng)變大約167μm/m，低速軸中心向上測點(diǎn)2 處豎直方向的動應(yīng)變大約為47μm/m。

3 有限元分析值與測試結(jié)果對比

對比測試和有限元計(jì)算結(jié)果，如表2 所示測點(diǎn)2實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果誤差在-5%以內(nèi)，測點(diǎn)1 誤差在-20%左右，說明有限元分析的結(jié)果是基本正確的。

表2 1200t 滑塊受動載荷下橫梁體應(yīng)變實(shí)測與理論對比

4 結(jié)論

壓力機(jī)分別加載到9000kN、10000kN 時(shí)，通過實(shí)際測量得到的橫梁體動應(yīng)變值與有限元分析時(shí)得到的理論應(yīng)變值進(jìn)行比較，橫梁體低速軸中心向上600mm、800mm 位置處豎直方向的實(shí)際測量動應(yīng)變值與限元分析時(shí)得到的理論應(yīng)變值的相當(dāng)。