东轻20 MN挤压机张力柱应力应变测试分析

刘 杰，薛占军，吴 伟，李国斌，梁延军，李铁刚

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060)



东轻20 MN挤压机张力柱应力应变测试分析

刘 杰1，薛占军1，吴 伟1，李国斌2，梁延军2，李铁刚2

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060)

本文以某铝厂20MN挤压机四根张力柱作为测试对象，使用静态电阻应变仪测试张力柱在满载时的应力应变，分析测试结果，确认四根张力柱的应力状态是否均布，从而提高设备的使用安全性。

水压机；张力柱；应力应变

0 前言

为提高产品质量和生产效率，中国重型机械研究院股份公司对东轻特种材料有限公司20 MN挤压机进行改造，设备施工安装过程中对一根张力柱进行了拆除，为了检测安装后设备精度，分别对新20 MN油压机四根张力柱进行应力应变测试，现场测试监控可观测挤压加载过程中张力柱的应力误差应变，通过分析数据判断四根张力柱受力是否均匀。

1 20MN挤压机结构分析

20 MN挤压机机架由前梁、后梁、张力柱和锁紧圆螺母等部件组成。东轻20 MN挤压机张力柱为圆柱形结构，每个张力柱由四个锁紧圆螺母固定于前后梁两侧，图1a所示20MN挤压机张力柱水平机构简图。生产过程中，张力柱主要承受拉应力，挤压机达到最大挤压力时，每个张力柱受力约500 t，挤压机单根张力柱长期受力过大影响使用寿命发生断裂，本文利用应力应变测试仪器检测挤压机在加载过程中各张力柱的受力状态，通过调整锁紧圆螺母使各张力柱受力均匀，保证整个机架具有较高的整体刚度，提高挤压产品质量。图1b为20 MN挤压机张力柱纵向剖面简图，从前梁方向看去，对应四个张力柱编号分别为1、2、3、4，1号为操作侧上张力柱、2号为加热炉上侧张力柱、3号为加热炉下侧张力柱、4号为操作侧下张力柱，为验证测试结果，在同一个张力柱上同一处附近贴两个应变片进行比较，两组贴片编号分别为1～4和1a～4a，其中1和1a在操作侧上张力上， 2和2a、3和3a、4和4a依次贴于对应的张力柱上。单根张力柱可以检测两个点，这样同时测试8个点，比较同一根张力柱两个点的应变趋势，从而验证测试结果的准确性和贴片可靠性。

图1 张力柱机构简图及编号Fig.1 Mechanism diagram of tension column

2 测试数学模型和设备参数

2.1 测试数学模型

应力应变测试主要检测挤压机在加载时四根张力柱的拉力和张力柱变形伸长量，即每根张力柱拉力F和变形量ΔL为

F=εΕπd2/4

ΔL=εL

式中，Ε为材料的弹性模量；L为张力柱总长；d为张力柱直径；ε为拉伸微变形，其中ε=σ/Ε，σ为拉应力。

2.2 测试仪器

测试设备采用某厂提供的ASMB2-8静态电阻应变仪，以电阻应变片为敏感元件，测量构件在加载时产生的应变，根据胡克定律求出测量点应力，通过计算可求的每根张力柱的所受拉力值。测试仪器有8个测试通道和1个补偿通道，挤压机和检测设备主要参数见表1。

表1 主要测试参数

图2 ASMB2-8静态电阻应变仪Fig.2 ASMB2-8 static strain resistance instrument

应变片粘贴过程非常关键，直接影响测试精度。为保证应变片在工件表面上粘贴牢固，必须对工件测试处进行表面处理，在处理过程中会形成一浅层残余应力，引入的表面应力可能很大，因此应采用较细粒度的砂轮轻轻打磨，再用细砂纸打出与贴片呈45°交叉条纹，打磨面积为应变片的3～5倍。贴片前用洁净的脱脂棉蘸无水乙醇对贴片部位擦洗，直至脱脂棉球一点污渍和油污也没有。图2所示ASMB2-静态电阻应变仪测试设备，图3所示贴好的电阻应变片。

图3 电阻应变片Fig.3 Resistance strain gauge

3 测试结果分析

为使四根张力柱加载时每根张力柱受力均匀，安装完成后通过调整预紧螺母实现，在挤压机主缸挤压硬合金冷铸锭时候检测各张力柱受力状态，根据设备安装性能要求，每根张力柱最终

在满载终误差范围应控制在10%以内，误差值是各张力柱受力与平均值之差与平均值的比值。该压机理论主缸挤压力20 MN，调整预紧螺母前，主缸工作压力为30 MPa，张力柱平均受力4.5698 MN，调整预紧螺母前张力柱受力状态和误差范围见表2。

表2 调整螺母前受力状态和误差范围

从表2数据可以明显看出1号张力柱受力较大，4号张力柱受力较小，最大误差26.2%，需要对调整1号张力柱预紧螺母，使其受力减小，四个张力柱受力误差在允许范围内。

表3为第1次调整预紧螺母后，主缸工作压力为30 MPa，张力柱平均受力4.516 MN时加载后张力柱受力状态和误差范围。从表3数据可以明显看出调整后1号张力柱受力和误差值明显变小，为使误差值更小，需对1号张力柱圆螺母再次调整，使四个张力柱受力误差在允许范围内。

表3 第1次调整后受力状态和误差范围

表4为第2次调整预紧螺母后，主缸工作压力为30 MPa，张力柱平均受力4.519 MN时加载后张力柱受力状态和误差范围。由表4数据可以看出调整后1号和2号张力柱受力接近，3号和4号张力柱受力接近，误差值范围都在10%以内。

表4 第2次调整后张力柱受力状态和误差范围

图4所示采集相同测试点应变片在加载过程中时的微应变曲线，即编号1和1a对应的同一根张力柱，通过测试设备现场采集曲线，图中横坐标轴为采集次数(采集频率5 Hz)，每秒采集5个数据，纵坐标轴是με-微应变值。

图4 相同测试点应变曲线Fig.4 Strain curve of the same test point

从图4曲线中可以看出，同一根张力柱上两个应变片在加载时的应变曲线趋势基本一致，应变片粘贴合格，同时验证张力柱测试结果正确。在测试中，不仅可以通过同一处两个应变曲线趋势验证测试结果，还可以通过万用表检查应变片粘贴前后阻值的变化。

4 结语

通过本次测试总结可以得出如下结论：

(1)从3组测试数据计算结果比较可以看出，四根张力柱在30 MPa加载过程中所受拉力之和与主缸的输出总挤压力接近但小于总挤压力，偏差考虑是由主缸和导轨摩擦力引起，同时与测量误差和压力表读数不准有关。

(2)通过四个张力柱的应变应力分析可知经调整后油压机四个张力柱受力较均匀，正负误差值在10%以内，不会出现单根张力柱受力过大。

(3)通过现场观察设备检测曲线图，可以看

出每根张力柱的两应变片加载受力时应力应变趋势基本一致，进一步验证测试结果的准确性。

[1] 王丽. 电阻应变计在材料力试验中的应用研究[J]. 计量与测试技术. 2015，10(42):5-8.

[2] 屈文涛. 6x19S-IWRC钢丝绳应力应变数值模拟[J]. 石油期刊机械, 2016(3).

[3] 秦泗吉，邓超. 圆锥形件拉伸成形应力应变的直接积分解法[J]. 中国机械工程，2016(1).

[4] 董伟. 电阻应变片粘贴技巧[J].山西建筑, 2011 (10).

[5] 彭炎华. 某超高层建筑高强复合地基应力应变测试及受力特征分析[J]. 施工技术, 2013(5).

[6] 李培玉.一种转炉倾动应力应力应变测试与分析系统研究[J]. 冶金自动化, 2007(S2).

[7] 陈晖.一种新型大型水压机立柱应力测试系统[J]. 振动、测试与诊断, 2012(6).

[8] 张浩茹.基于FPGA的应力应变测试系统设计[J]. 测试技术学报, 2012(2).

[9] 桂永旺.复杂受力状态下构件应力应变测试方法[J]. 交通科技与经济, 2012(1).

[10]薛占军，刘杰. 50MN挤压机改造应力应变测试分析. 重型机械, 2012(2):159-161.

[11]俞新陆. 液压机现代设计理论[M]. 北京：机械工业出版社，1987：4-5.

[12]郁宏. 125MN自由锻造水压机立柱应力测试分析[J]. 一重技术, 2007，23(1):44-45.

[13]石入磐. 36MN预应力结构挤压机机架变形分析[J]. 锻压技术, 2011，36(4): 101-103.

[14]Welch T A. A technique for high-performance data compression[J]. IEEE Computer，1984，17(6)：8-19.

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

刘杰(1984-)，男，工程师，主要研究方向为流体传动与控制的研究。

TG315

A

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