東輕20 MN擠壓機張力柱應(yīng)力應(yīng)變測試分析

劉 杰，薛占軍，吳 偉，李國斌，梁延軍，李鐵剛

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

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東輕20 MN擠壓機張力柱應(yīng)力應(yīng)變測試分析

劉 杰1，薛占軍1，吳 偉1，李國斌2，梁延軍2，李鐵剛2

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

本文以某鋁廠20MN擠壓機四根張力柱作為測試對象，使用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測試張力柱在滿載時的應(yīng)力應(yīng)變，分析測試結(jié)果，確認(rèn)四根張力柱的應(yīng)力狀態(tài)是否均布，從而提高設(shè)備的使用安全性。

水壓機；張力柱；應(yīng)力應(yīng)變

0 前言

為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，中國重型機械研究院股份公司對東輕特種材料有限公司20 MN擠壓機進行改造，設(shè)備施工安裝過程中對一根張力柱進行了拆除，為了檢測安裝后設(shè)備精度，分別對新20 MN油壓機四根張力柱進行應(yīng)力應(yīng)變測試，現(xiàn)場測試監(jiān)控可觀測擠壓加載過程中張力柱的應(yīng)力誤差應(yīng)變，通過分析數(shù)據(jù)判斷四根張力柱受力是否均勻。

1 20MN擠壓機結(jié)構(gòu)分析

20 MN擠壓機機架由前梁、后梁、張力柱和鎖緊圓螺母等部件組成。東輕20 MN擠壓機張力柱為圓柱形結(jié)構(gòu)，每個張力柱由四個鎖緊圓螺母固定于前后梁兩側(cè)，圖1a所示20MN擠壓機張力柱水平機構(gòu)簡圖。生產(chǎn)過程中，張力柱主要承受拉應(yīng)力，擠壓機達到最大擠壓力時，每個張力柱受力約500 t，擠壓機單根張力柱長期受力過大影響使用壽命發(fā)生斷裂，本文利用應(yīng)力應(yīng)變測試儀器檢測擠壓機在加載過程中各張力柱的受力狀態(tài)，通過調(diào)整鎖緊圓螺母使各張力柱受力均勻，保證整個機架具有較高的整體剛度，提高擠壓產(chǎn)品質(zhì)量。圖1b為20 MN擠壓機張力柱縱向剖面簡圖，從前梁方向看去，對應(yīng)四個張力柱編號分別為1、2、3、4，1號為操作側(cè)上張力柱、2號為加熱爐上側(cè)張力柱、3號為加熱爐下側(cè)張力柱、4號為操作側(cè)下張力柱，為驗證測試結(jié)果，在同一個張力柱上同一處附近貼兩個應(yīng)變片進行比較，兩組貼片編號分別為1～4和1a～4a，其中1和1a在操作側(cè)上張力上， 2和2a、3和3a、4和4a依次貼于對應(yīng)的張力柱上。單根張力柱可以檢測兩個點，這樣同時測試8個點，比較同一根張力柱兩個點的應(yīng)變趨勢，從而驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和貼片可靠性。

圖1 張力柱機構(gòu)簡圖及編號Fig.1 Mechanism diagram of tension column

2 測試數(shù)學(xué)模型和設(shè)備參數(shù)

2.1 測試數(shù)學(xué)模型

應(yīng)力應(yīng)變測試主要檢測擠壓機在加載時四根張力柱的拉力和張力柱變形伸長量，即每根張力柱拉力F和變形量ΔL為

F=εΕπd2/4

ΔL=εL

式中，Ε為材料的彈性模量；L為張力柱總長；d為張力柱直徑；ε為拉伸微變形，其中ε=σ/Ε，σ為拉應(yīng)力。

2.2 測試儀器

測試設(shè)備采用某廠提供的ASMB2-8靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，以電阻應(yīng)變片為敏感元件，測量構(gòu)件在加載時產(chǎn)生的應(yīng)變，根據(jù)胡克定律求出測量點應(yīng)力，通過計算可求的每根張力柱的所受拉力值。測試儀器有8個測試通道和1個補償通道，擠壓機和檢測設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 主要測試參數(shù)

圖2 ASMB2-8靜態(tài)電阻應(yīng)變儀Fig.2 ASMB2-8 static strain resistance instrument

應(yīng)變片粘貼過程非常關(guān)鍵，直接影響測試精度。為保證應(yīng)變片在工件表面上粘貼牢固，必須對工件測試處進行表面處理，在處理過程中會形成一淺層殘余應(yīng)力，引入的表面應(yīng)力可能很大，因此應(yīng)采用較細(xì)粒度的砂輪輕輕打磨，再用細(xì)砂紙打出與貼片呈45°交叉條紋，打磨面積為應(yīng)變片的3～5倍。貼片前用潔凈的脫脂棉蘸無水乙醇對貼片部位擦洗，直至脫脂棉球一點污漬和油污也沒有。圖2所示ASMB2-靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測試設(shè)備，圖3所示貼好的電阻應(yīng)變片。

圖3 電阻應(yīng)變片F(xiàn)ig.3 Resistance strain gauge

3 測試結(jié)果分析

為使四根張力柱加載時每根張力柱受力均勻，安裝完成后通過調(diào)整預(yù)緊螺母實現(xiàn)，在擠壓機主缸擠壓硬合金冷鑄錠時候檢測各張力柱受力狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備安裝性能要求，每根張力柱最終

在滿載終誤差范圍應(yīng)控制在10%以內(nèi)，誤差值是各張力柱受力與平均值之差與平均值的比值。該壓機理論主缸擠壓力20 MN，調(diào)整預(yù)緊螺母前，主缸工作壓力為30 MPa，張力柱平均受力4.5698 MN，調(diào)整預(yù)緊螺母前張力柱受力狀態(tài)和誤差范圍見表2。

表2 調(diào)整螺母前受力狀態(tài)和誤差范圍

從表2數(shù)據(jù)可以明顯看出1號張力柱受力較大，4號張力柱受力較小，最大誤差26.2%，需要對調(diào)整1號張力柱預(yù)緊螺母，使其受力減小，四個張力柱受力誤差在允許范圍內(nèi)。

表3為第1次調(diào)整預(yù)緊螺母后，主缸工作壓力為30 MPa，張力柱平均受力4.516 MN時加載后張力柱受力狀態(tài)和誤差范圍。從表3數(shù)據(jù)可以明顯看出調(diào)整后1號張力柱受力和誤差值明顯變小，為使誤差值更小，需對1號張力柱圓螺母再次調(diào)整，使四個張力柱受力誤差在允許范圍內(nèi)。

表3 第1次調(diào)整后受力狀態(tài)和誤差范圍

表4為第2次調(diào)整預(yù)緊螺母后，主缸工作壓力為30 MPa，張力柱平均受力4.519 MN時加載后張力柱受力狀態(tài)和誤差范圍。由表4數(shù)據(jù)可以看出調(diào)整后1號和2號張力柱受力接近，3號和4號張力柱受力接近，誤差值范圍都在10%以內(nèi)。

表4 第2次調(diào)整后張力柱受力狀態(tài)和誤差范圍

圖4所示采集相同測試點應(yīng)變片在加載過程中時的微應(yīng)變曲線，即編號1和1a對應(yīng)的同一根張力柱，通過測試設(shè)備現(xiàn)場采集曲線，圖中橫坐標(biāo)軸為采集次數(shù)(采集頻率5 Hz)，每秒采集5個數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)軸是με-微應(yīng)變值。

圖4 相同測試點應(yīng)變曲線Fig.4 Strain curve of the same test point

從圖4曲線中可以看出，同一根張力柱上兩個應(yīng)變片在加載時的應(yīng)變曲線趨勢基本一致，應(yīng)變片粘貼合格，同時驗證張力柱測試結(jié)果正確。在測試中，不僅可以通過同一處兩個應(yīng)變曲線趨勢驗證測試結(jié)果，還可以通過萬用表檢查應(yīng)變片粘貼前后阻值的變化。

4 結(jié)語

通過本次測試總結(jié)可以得出如下結(jié)論：

(1)從3組測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果比較可以看出，四根張力柱在30 MPa加載過程中所受拉力之和與主缸的輸出總擠壓力接近但小于總擠壓力，偏差考慮是由主缸和導(dǎo)軌摩擦力引起，同時與測量誤差和壓力表讀數(shù)不準(zhǔn)有關(guān)。

(2)通過四個張力柱的應(yīng)變應(yīng)力分析可知經(jīng)調(diào)整后油壓機四個張力柱受力較均勻，正負(fù)誤差值在10%以內(nèi)，不會出現(xiàn)單根張力柱受力過大。

(3)通過現(xiàn)場觀察設(shè)備檢測曲線圖，可以看

出每根張力柱的兩應(yīng)變片加載受力時應(yīng)力應(yīng)變趨勢基本一致，進一步驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Stress and strain analysis on 20 MN tension column of hydraulic machine

LIU Jie1，XUE Zhan-jun1，WU Wei1，LI Guo-bin2，LIANG Yan-jun2，LI Tie-gang2

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.， Ltd., Xi’an 710032, China)

In this paper, four tension columns of 20MN extrusion press were testified with static resistance strain gauge. The full load stress and strain were tested and analyzed to confirm that whether the state of stress four tension columns uniformly distributed, which could improve safety of equipment.

hydraulic machine；tension column；stress-strain

2016-04-07；

2016-05-06

劉杰(1984-)，男，工程師，主要研究方向為流體傳動與控制的研究。

TG315

A

1001-196X(2016)05-0087-04