吴超
天津福云天翼科技有限公司，天津 300409
摘要：某企业一台压力机，因使用年限较长，金属结构表面有轻微的腐蚀状况，存在安全隐患，为了掌握该压力机金属结构的技术状况，本文通过对整机进行动静态强度刚度测试和无损检测，获取压力机的强度刚度分布和变化信息，根据测试结果分析完成整机的安全评估并提出合理的管理建议。
关键词：压力机；静态强度刚度测试；动态强度刚度测试；安全评估
引言
某企业一台压力机已服役多年，日常使用频率高、工作级别高，因在现场工作易受腐蚀，存在安全隐患。上述不利条件对压力机金属结构的安全性和可靠性产生不同程度的影响，设备安全运行的风险也随之增加。本文通过对整机进行静态和动态强度刚度测试以及无损检测，对压力机金属结构进行一次全面的检测，进一步确定金属结构是否满足继续服役的安全要求，并依据测试结果提出改进方案。
1压力机简介
压力机主要由大车行走机构、起升机构、小车运行机构组成，主要技术参数有额定压力量、起升速度、起升高度、大小车运行速度以及工作跨度。本文所研究设备的技术参数如表1所示。为了研究开式单点压力机强度和刚度状况，对其进行静、动态应力、变形测试。机床动态载荷工况下的动态特性、测试仪器设备及其测量范围精度如表1所示。
表1 设备和检测范围精度
设备名称 范围和精度
YE2539高速静态应变仪 范围 0~±19999με，精度 1με
表式传感器YBD-10型 范围10mm，精度0.01mm
Br120-2AA电阻应变片
CRASV7.0振动及动态信号采集分析系统 加速度采集精度 0.0001m/s2
AZ308数据采集系统
KD6005应变放大器
电桥盒KD7901
2测试方法理论
2.1静态应力测试
对于静态测试主要采用YE2539高速静态应变仪采集贴在机床上的 Br120-2AA电阻应变片电阻的变化，并将电阻应变片组成测量电桥，当桥臂电阻变化时，电桥就输出一个和其变化大小成线性关系的电压。通过对该电压进行放大，并对电阻应变片的灵敏系数K进行归一化，就能使输出的电压大小和实际应变大小相对应，进而测试机床在静态加载时各测点的应变值。应变仪的放大器对电桥的输出信号进行放大以便记录器记录变化的数据。其中应变片采用单向应变片，电桥采用1/4桥路（公共补偿片）的桥路形式。所述灵敏系数 K 为电阻应变片的电阻变化率与试件的最大主应变之比。
2.2动态应力测试
在动态应力测试中，机身的变形带动电阻应变片形状的变化，进而引起电阻变化，用灵敏的惠斯顿电桥测出电阻值的变化，由足够高增益的 KD6005 应变放大器对电阻变化值放大，并由AZ308数据采集系统采集其放大的信号，最后由 CRAS V7.0 振动及动态信号采集分析系统显示在 PC 机并进行处理分析，根据读取结果和动应力标定值计算出动应力值。
2.3位移测试
静态载荷和动态载荷下位移测试，由表式传感器 YBD-10 型对滑块和下模板表面进行位移采集， 传感器将位移信号转化成电阻信号，并将电阻变化组成电桥，由足够高增益的 KD6005 应变放大器对电阻变化值放大，并由 AZ308 数据采集系统采集其放大的信号，最后由 CRAS V7.0 振动及动态信号采集分析系统显示在 PC 机并进行处理分析，根据读取结果和位移标定值计算出位移值。
根据评估目标，设计相应的试验工况，利用强度刚度-应变测量仪器对压力机的危险强度刚度区（包括均匀高强度刚度区、强度刚度集中区和弹性屈服区）进行强度刚度测试，获取强度刚度分布和变化信息测试工况：（1）空载工况：小车在空载状态下分别在主梁左端部、主梁跨中、主梁右端部等位置保持稳定后，记录各位置的仪器数据。（2）额定载荷工况：小车在额载状态下分别在主梁左端部、主梁跨中、主梁右端部等位置保持稳定后，记录各位置的仪器数据。主梁跨中的强度刚度值较大，当额定载荷在跨中位置时，最大强度刚度值为63.8MPa。
压力机的一个工作循环为：以小车在卡车上方为起始点，经起升机构和小车运行机构的复合运动，按正常工作轨迹运行至堆场内抓取集装箱，再返回到卡车上方卸完集装箱。按照上述工作循环记录并保存压力机连续运转的动态数据得到各测点的应变-时间历程，然后将应变信号转变成相应的强度刚度值，得到强度刚度-时间历程。测点的选择参照静态强度刚度值较大和主要金属结构均覆盖的原则，选择点1、2、7、9、12做测试。表明主梁跨中位置强度刚度测点承受了更大的交变强度刚度，应变幅度变化大。
将铁桩放在机床的滑块和下模板之间，进行动态冲压测试，选取部分应力较大的测点，测试其在动态载荷下的应力变化情况，根据读取结果和动应力其中铁墩经应变片标定，测得压力机动态测试载荷为205t。
表2 各测点静应力
测点 应力/MPa 测点 应力/MPa 测点 应力/MPa
A1 80.33 B1 74.55 E1 -7.56
A3 - 0.21 B3 0.77 E2 -7.46
A4 41.16 B4 44.98 G1 -76.02
A5 35.77 B5 35.74 G2 58.24
A6 35.56 B6 32.48 G3 -63.21
A7 35.18 B7 32.55 H1 -24.50
A8 48.65 B8 42.00 H2 -5.84
A9 91.98 B9 82.28 H3 -24.29
A10 -1.33 B10 - 0.11 C1 -2.32
A11 -6.23 B11 - 3.95 C2 0.00
A12 -9.07 B12 - 15.44 C3 -28.35
A13 -16.59 B13 - 18.48 C4 -2.24
A14 -24.43 B14 - 21.59 D1 -8.68
A15 -23.52 B15 - 20.65 D2 -38.29
A16 -17.54 B16 - 16.38 D3 -38.29
A17 -4.97 B17 14.24 D4 -7.67
Rw 28.81 Rz 28.10 Rn 16.73
表3无损检测结果
工件名称 场桥 工件数量 2 表面状况 打磨
型号规格 — 主体材质 Q345C 检测时机 —
检测仪器型号
PXUT-330
检测仪器编号
118901
探头型号
13×13K2
探头频率 2.5MHz 探头前沿 12.0mm 折射角度 63.4°
试块型号 LA-2 评定灵敏度 DAC-18dB 补偿 4dB
耦合剂
化学浆糊
检测方法 横波单晶斜探头直接接触法
扫查面
单面双侧
检测部位 指定 检测比例 指定部位 焊缝等级 1级
检测标准 JB/T10559—2006
根据评估目标，对压力机金属结构中的主要焊缝和怀疑有缺陷的焊缝进行无损探伤检测，确定该部位是否存在内部或表面缺陷（如裂纹等）。对场桥上左侧主梁、右侧主梁上的对接焊缝区指定部位进行超声波检测，未发现超标反射波显示，根据JB/T10559—2006标准评定合格。将液压加载器放在滑块和下模板之间对压力机进行加载，当加载到 250t 后卸载，整个过程利用表式传感器对滑块和下模板表面进行位移采集。将铁墩放在机床的滑块和下模板之间，进行动态冲压测试，选取同样测点，整个过程利用表式传感器对滑块和下模板表面进行位移采集，其中铁墩经应变片标定，测得压力机动态测试载荷为 210t。
3结论
由于机床结构左右基本对称，机床左右两侧测得的静应力和动应力基本一致。动态载荷 205t 下的应力值普遍比静态载荷 250t 下的应力数值大，动态载荷 210t 下的位移值普遍比静态载荷 250t 下的位移数值大，说明机床精度不能完全依靠机床在静态载荷下的刚度和刚度值决定，由于存在振动等情况，动态载荷下机床的精度评定更复杂，因素更多。机床喉口位置三块钢板，即中间为机身主板厚 60mm，外侧为外辅板厚 40mm，内侧为内辅板厚 100mm。三块板虽然都承受冲压时机身的变形，但应力存在差别，内辅板应力较小，外辅板和主板次之。机床动态和静态刚度强度测试结果一方面反映机床的冲压精度，另一方面为机床的有限元仿真分析提供参考依据。虽然各测点的强度刚度峰值都未超过材料的许用强度刚度值，但是接近材料的许用强度刚度。经无损检测，抽查的部位未发现存在内部或表面缺陷。
参考文献：
[1]王军领，郑 翔，吴 焕.圆柱滚子轴承动静态有限元分析[J].扬州大学学报：自然科学版，2012，（2）：43-46.
[2]王军领，詹俊勇，仲太生，等.组合式大型压力机横梁强度刚度分析[J].锻压装备与制造技术，2014，（6）：26-29.
[3]王军领，郑 翔，姚菁琳.高速压力机机身减振的研究[J].制造技术与机床，2013，（9）：72-76.