压力机横梁体结构强度分析与验证

孙国栋，赵忠乐，田广伟，郭 楠

（济南二机床集团有限公司，山东 济南 250022）

横梁是压力机的重要组成部件，其强度和刚度是设计关注的重点。有限元法在结构中的应用为大型复杂结构件的结构分析提供了一种高效、精确的分析方法[1]。本文应用有限元分析软件，计算出公称力12000kN 压力机横梁的应变值。同时，在实际工作状态下，对公称力12000kN 压力机横梁进行动态测试，提取测试数据，与有限元分析数据进行对比，进而验证有限元计算的准确性。为后续机身进行改进设计，降低大型压力机的成本，实现轻量化的要求提供技术支持[2]。

1 横梁体结构

12000kN 机械压力机横梁结构主视图，如图1所示。

图1 横梁体主视图

12000kN 压力机的横梁内部结构包含齿轮传动，与横梁体装配成一体，其偏心轴与前后主筋的位置如图2 所示。

图2 偏心轴与前后主筋板位置

该型压力机最大公称力为12000kN，其横梁体主要由Q235-A 钢板焊接而成，Q235-A 材料属性如表1 所示。

表1 Q235-A 材料属性[3]

2 横梁体有限元分析

2.1 横梁约束条件的确定

横梁体进行有限元分析时，计算加载的方式与实际的工作受力相同，横梁体的受力来自于偏心轴（滑块传递给连杆，连杆通过偏心齿轮传递给偏心销轴），横梁与立柱接触面、心销轴与横梁体接触面添加无摩擦约束，拉紧螺栓孔处添加圆柱约束。

加载模型为横梁体四分之一模型，加载计算如图3 所示。

图3 横梁体四分之一模型

2.2 横梁体应变有限元计算

在工作载荷加载到9000kN 的条件下，对横梁体进行有限元分析（测点按照自低速轴中心向上各间隔200mm 标注）。低速轴中心向上600mm、800mm 位置分别为测点1、测点2，低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的应变如图4 所示。

图4 低速轴中心向上测点1、测点2 处竖直方向的应变（9000kN）

低速轴中心向上测点1 位置处竖直方向的仿真应变值为155.6μm/m，测点2 位置处竖直方向的仿真应变值为51.9μm/m。

在工作载荷加载到10000kN 的条件下，进行有限元分析（测点按照自低速轴中心向上各间隔200mm 标注）。低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的应变如图5 所示。

图5 低速轴中心向上测点1、测点2 处竖直方向的应变（10000kN）

低速轴中心向上测点1 位置处竖直方向的仿真应变值为：172.9 μm/m，测点2 位置处竖直方向的仿真应变值为57.7μm/m。

2 横梁体动态测试

2.1 测试对象

在实际冲压生产过程中，对12000kN 的横梁体进行动态应变测量。对于每个要测量的偏心支承结构，横梁体上的电阻应变片安装位置如图6 所示，在压力机工作过程中，应变测点1、2 测量偏心镶板上方的主筋外壁竖向动态应变。

图6 应变片布置位置

2.2 测试方法

电阻应变片是以桥式电路连接的，如图7 所示。由3 个相等的电阻R1、R2、R3和电阻应变片组成电桥。接通电源U0（内部激励），由于对称的原因，平衡时对角线B、D 间的电位差为零。

图7 1/4 桥式电路工作原理及接线法

当横梁体测试部位发生变形时，电阻应变片的电阻值会发生相应的变化。电阻应变片的电阻值的变化将引起B、D 间电位差的变化。通过电阻应变测量装置（简称应变仪）可将电阻应变片中的电阻值的变化测定出来，换算成应变，得到所需要的应力或应变值。

本次测试使用NI PXIe-4330 8 通道桥式应变采集卡，使用Labview软件进行编程采集、提取数据。

2.3 动应变测量结果

在压机负载加载到9000kN 的条件下，压机工作时间持续大约180s，对横梁体进行动应变测量（测点按照自低速轴中心向上各间隔200mm 标注）。低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的动应变变化如图8 所示，包含10 次连续的冲压过程。

图8 低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的动应变波形（900t）

从图中11 可以得出，低速轴中心向上测点1 处竖直方向的动应变大约为155 μm/m，低速轴中心向上测点2 处竖直方向的动应变大约为40μm/m。

在压机负载加载到10000kN 的条件下，压机工作时间持续大约180s，对横梁体进行动应变测量（测点按照自低速轴中心向上各间隔200mm 标注）。低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的动应变变化如图9 所示，包含11 次连续的冲压过程。

图9 低速轴中心向上测点1、测点2 位置处竖直方向的动应变（1000t）

从图中12 可以看出，低速轴的中心向上测点1处竖直方向的动应变大约167μm/m，低速轴中心向上测点2 处竖直方向的动应变大约为47μm/m。

3 有限元分析值与测试结果对比

对比测试和有限元计算结果，如表2 所示测点2实测数据与有限元分析结果误差在-5%以内，测点1 误差在-20%左右，说明有限元分析的结果是基本正确的。

表2 1200t 滑块受动载荷下横梁体应变实测与理论对比

4 结论

压力机分别加载到9000kN、10000kN 时，通过实际测量得到的横梁体动应变值与有限元分析时得到的理论应变值进行比较，横梁体低速轴中心向上600mm、800mm 位置处竖直方向的实际测量动应变值与限元分析时得到的理论应变值的相当。