預(yù)應(yīng)力機(jī)架預(yù)緊力的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

王冬梅，李 龍，胡曉龍

（1.沈陽新華印刷廠，遼寧 沈陽 110021；2.北方重工集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110141）

1 前言

自由鍛造壓機(jī)的本體框架大多都采用全預(yù)應(yīng)力的框架，其構(gòu)成如圖1所示。柱套位于上、下橫梁之間，拉桿穿過上下橫梁和柱套，通過預(yù)緊螺母構(gòu)成一個(gè)整體框架。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于拉桿而言，無論壓機(jī)是否工作都承受較大的應(yīng)力，但是應(yīng)力波動(dòng)幅度小，拉桿的截面形狀沒有急劇變化；對(duì)柱套而言，主要承受鍛造產(chǎn)生的彎矩和壓應(yīng)力，抗彎強(qiáng)度比較大，因此這種結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能比較好。柱套采用方形截面結(jié)構(gòu)，與活動(dòng)橫梁的導(dǎo)向面可采用平面導(dǎo)向，導(dǎo)向間隙可調(diào)，大大提高了導(dǎo)向精度，承載的能力也得到加強(qiáng)。

盡管全預(yù)應(yīng)力框架壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但畢竟是由多個(gè)部件組合而成，能否使優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來，保證本體機(jī)架的整體剛性，橫梁和柱套之間不出現(xiàn)開縫，都取決于預(yù)緊力的選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算。預(yù)緊力選擇的過小，保證不了壓機(jī)的正常性能；選擇過大，增大了柱套拉桿的結(jié)構(gòu)尺寸，提高了制造成本，體現(xiàn)不出全預(yù)應(yīng)力框架的優(yōu)越性。選擇合理的預(yù)緊力成為全預(yù)應(yīng)力框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段多種多樣，但都是對(duì)設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段仍然是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文主要介紹用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分析計(jì)算全預(yù)應(yīng)力框架的預(yù)緊力。

圖1 全預(yù)應(yīng)力壓機(jī)框架簡圖

2 預(yù)緊力的計(jì)算

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變形載荷圖如圖2所示，它是預(yù)緊件（拉桿）的拉伸變形圖（P—Δl坐標(biāo)）和被預(yù)緊件（橫梁、柱套）的壓縮變形圖（－P—Δz坐標(biāo)）結(jié)合而成。

2.1 預(yù)緊系數(shù)的確定

由圖1可見，Pz為預(yù)緊時(shí)拉桿受到的最大拉伸載荷，工作狀態(tài)下拉桿受到的拉力不應(yīng)超過Pz，否則柱套的壓縮變形將全部恢復(fù)，橫梁與柱套之間將出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，這是不允許的。

式中：F——壓機(jī)的公稱鍛造力；

z——預(yù)緊系數(shù)。一般情況下z取1.5～2，大型壓機(jī)取小值，小型壓機(jī)取大值。

預(yù)緊力Pj與公稱鍛造力的比值也經(jīng)常作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，Pj=z′F，z′稱為相對(duì)預(yù)緊系數(shù)。一般情況下z′取 1.2～1.5。

圖2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變形載荷圖

對(duì)于大型壓機(jī)，其工作狀態(tài)更加符合85倍率的關(guān)系，即其工作范圍一般處于20%～85%的公稱力負(fù)荷狀態(tài)。為了獲取最合適性價(jià)比的壓機(jī)，也可取z′為0.9～1。

2.2 拉桿柱套機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

根據(jù)Pz初步確定拉桿的直徑D：

式中：[σ]——拉桿材料的許用屈服極限。

由壓機(jī)的整體要求、活動(dòng)橫梁、上下橫梁的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向面的結(jié)構(gòu)和拉桿的結(jié)構(gòu)尺寸可以初步確定柱套的結(jié)構(gòu)尺寸，求得柱套的截面積，由材料可以獲取柱套的性能參數(shù)。

2.3 預(yù)緊力的計(jì)算

由圖2所示，Pj預(yù)緊完成后，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)，拉桿受到的拉力與柱套受到的壓力大小相等，此時(shí)的力Pj稱為預(yù)緊力。根據(jù)拉桿、柱套的結(jié)構(gòu)尺寸（長度、截面積等）及材料特性可求得Pj大?。?/p>

式中：Cz——柱套的剛度系數(shù)；

Cl——拉桿的剛度系數(shù)。

式中：Ez、Az、lz——柱套的彈性模量、截面積、工作長度；

El、Al、Ll——拉桿的彈性模量、截面積、工作長度。

3 工作狀態(tài)下拉桿柱套的變形校驗(yàn)

如圖2所示，工作狀態(tài)下承載工作載荷時(shí)，拉桿進(jìn)一步受到拉伸，變形增加，柱套則減少壓縮變形，當(dāng)載荷增加到公稱力F時(shí)，停止增加載荷，變形增加了δ，載荷增加了Fl，拉桿的交變載荷在0～Fl變化。增加的變形應(yīng)與δ符合。

4 上橫梁變形對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響

上述計(jì)算是在假定橫梁絕對(duì)剛性不變形的情況下得到的。實(shí)際上絕對(duì)剛性的橫梁是不存在的。由于柱套是一個(gè)體型結(jié)構(gòu)，橫梁的變形會(huì)影響柱套接觸面的壓力分布，內(nèi)部的壓力將變小甚至為零，出現(xiàn)內(nèi)部開縫的情況，可以通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段來驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)應(yīng)力。

5 柱套與橫梁接觸結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響

柱套與橫梁的接觸面結(jié)構(gòu)一般為平面接觸，在偏載狀態(tài)下柱套承受的鍛造附加彎矩將有接觸面的摩擦力來承受。由于工作時(shí)柱套受到的壓力在逐漸減小，在鍛造彎矩的作用下，柱套有外移的傾向，預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)要考慮由此而引起的柱套位移。柱套與橫梁的接觸面還有插入式結(jié)構(gòu)，即柱套的端部設(shè)計(jì)成圓柱面插入橫梁中，下間隙配合。此種結(jié)構(gòu)鍛造產(chǎn)生的附加彎矩大部分作用在此配合面上，因此這種結(jié)構(gòu)可減小預(yù)應(yīng)力，可采用較小截面的拉桿和柱套。

6 結(jié)論

壓機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度計(jì)算是一個(gè)超靜定問題，全預(yù)應(yīng)力機(jī)架將承受拉彎狀態(tài)的立柱一分為二，即承受壓彎應(yīng)力的柱套和承受純拉力的拉桿，將超靜定問題簡化，用傳統(tǒng)的計(jì)算方法就可初步確定壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)，然后再利用有限元分析等現(xiàn)代手段驗(yàn)證機(jī)架的開縫情況，優(yōu)化各部件的機(jī)構(gòu)和預(yù)緊參數(shù)，使壓機(jī)的設(shè)計(jì)更加合理，提高設(shè)備的應(yīng)用性能。

[1] 俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 中小型液壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算編寫組.中小型液壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算[M].天津：天津人民出版社，1977.

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