強(qiáng)力板材矯直機(jī)全預(yù)緊組合機(jī)架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

強(qiáng)力板材矯直機(jī)承受矯直力大(最大矯直力可達(dá)30 000 kN)，矯直精度要求高。采用預(yù)緊力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)可有效的減少機(jī)架受力后的彈性變形量，提高板材矯直質(zhì)量。預(yù)緊力組合機(jī)架具有剛度大，設(shè)備重量輕，制造成本低的特點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力機(jī)架的矯直效果跟預(yù)緊力、預(yù)緊拉桿和機(jī)架立柱斷面積參數(shù)的合理選擇有很大的關(guān)系。

1 矯直機(jī)預(yù)緊力組合機(jī)架的結(jié)構(gòu)與受力條件

矯直機(jī)預(yù)緊力組合機(jī)架采用了全預(yù)緊結(jié)構(gòu)，由4 根通長(zhǎng)剛性預(yù)緊拉桿將上、下橫梁及機(jī)架立柱連接為整體(見圖1)。預(yù)緊力是通過預(yù)緊工具施加的，采用超高壓液壓螺栓拉升器將立柱全長(zhǎng)預(yù)緊，并可通過調(diào)整壓力來控制拉升量，從而達(dá)到所要求的預(yù)應(yīng)力值。

機(jī)架各組件在預(yù)緊力的作用下，上、下橫梁與機(jī)架立柱被拉桿壓緊并保持緊密接觸，消除了配合間隙，并預(yù)先產(chǎn)生了壓應(yīng)力。

當(dāng)矯直機(jī)工作時(shí)，在矯直力的作用下，拉桿和立柱的受力得到再分配。拉桿和立柱受力后，力的變化之和等于矯直力。拉桿和立柱所受力的變化量與它們的剛度系數(shù)大小成正比，剛度系數(shù)大的部分所承受的矯直力分量大，剛度系數(shù)小的部分所承受的矯直力分量小。顯然，應(yīng)使立柱的剛度系數(shù)遠(yuǎn)大于拉桿，其所承受的矯直力分量要大于拉桿，正常情況下，機(jī)架立柱要承受大部分的矯直機(jī)力。

圖1 矯直機(jī)全預(yù)緊組合機(jī)架結(jié)構(gòu)Figure 1 Configuration of straightener complete pretightening combination housing

機(jī)架立柱所受的壓力應(yīng)該始終大于零，否則在矯直力的作用下，當(dāng)立柱所受的壓力變?yōu)榱愫?，機(jī)架剛度下降為拉桿的剛度，變形量會(huì)急劇增加。因此防止立柱與橫梁間出現(xiàn)離縫現(xiàn)象，成為預(yù)應(yīng)力機(jī)架剛度的前提。

2 機(jī)架立柱與預(yù)緊拉桿的斷面面積選擇

在預(yù)緊力和矯直力聯(lián)合作用下，拉桿始終承受拉伸變載荷，立柱等組合件承受壓縮變載荷。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使拉桿所受拉力的增加量減少，立柱等組合件所受壓力的減小量增加。

拉桿的相對(duì)剛度系數(shù):

立柱的相對(duì)剛度系數(shù):

式中 k1——拉桿的剛度系數(shù);

k2——立柱的剛度系數(shù);

E1——拉桿的彈性模量，拉桿用合金鋼材料，取E1=2.1×105MPa;

E2——立柱的彈性模量，立柱為鋼板焊接件，取E2=1.96×105MPa;

A1——拉桿的斷面積;

A2——立柱的斷面積;

L——拉桿和立柱等組合件的有效長(zhǎng)度。

取n=A2/A1，則

在預(yù)緊力與矯直力的共同作用下，拉桿所受最大靜拉力FL:

立柱等組合件所受最小靜壓力FZ:

式中 F0——單根拉桿預(yù)緊力;

FJ——最大矯直力。

當(dāng)立柱與拉桿斷面面積比n 取5.3 時(shí)，K1=0.17，K2=0.83。

一般取立柱與拉桿斷面積比n=4～6，即立柱斷面積為拉桿斷面積的4～6 倍。在預(yù)緊力與矯直力的共同作用下，拉桿增加的拉力為矯直力的25%～16.7%，立柱等組合件在預(yù)緊力的基礎(chǔ)上減少了75%～83.3%的矯直力。矯直力主要由機(jī)架立柱承受。

3 預(yù)緊力的確定

預(yù)緊力的大小是確定拉桿、立柱受力和斷面面積的重要參數(shù)，矯直力不僅使機(jī)架橫梁、立柱和拉桿受拉、壓載荷的作用，同時(shí)也受彎曲力矩的作用，預(yù)緊力既要保證機(jī)架具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)還要保證拉桿與立柱共同承擔(dān)由矯直力引起的彎矩。

機(jī)架立柱截面中性軸的內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力值是不同的，必須使得沿立柱橫截面上的各點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力始終為壓應(yīng)力，否則會(huì)產(chǎn)生離縫現(xiàn)象。從立柱的受力和變形看，發(fā)生離縫現(xiàn)象的危險(xiǎn)在立柱截面的內(nèi)側(cè)。所以施加的預(yù)緊力必須保證立柱截面內(nèi)側(cè)最邊上的應(yīng)力為負(fù)值。

預(yù)緊力的大小與矯直力及機(jī)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)(立柱、拉桿、橫梁的慣性矩和中性線長(zhǎng)度)有關(guān)，在進(jìn)行預(yù)緊力設(shè)計(jì)時(shí)一般約取為最大矯直力的1.6 倍，待設(shè)計(jì)機(jī)架后進(jìn)行校核。當(dāng)最大矯直力FJ=30 000 kN，4 根拉桿的預(yù)緊力為48 800 kN，單根拉桿預(yù)緊力設(shè)為F0=12 200 kN。

4 預(yù)緊機(jī)架的剛度

當(dāng)預(yù)緊拉桿和機(jī)架立柱的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸確定后，預(yù)應(yīng)力機(jī)架的剛度也就確定了，機(jī)架剛度等于拉桿和立柱的剛度之和。

4.1 預(yù)緊拉桿的材料規(guī)格與性能

拉桿是重要的受力件，在預(yù)緊力的作用下，它把上、下橫梁與立柱緊密的連接在一起，構(gòu)成一個(gè)封閉的框架。拉桿不但要具有良好的綜合力學(xué)性能，而且要具有足夠的拉長(zhǎng)量。正確的確定拉桿的最大拉力、材料牌號(hào)、力學(xué)性能、斷面尺寸，對(duì)于提高機(jī)架的剛度關(guān)系很大。

拉桿材料為30Cr2Ni2Mo 鍛件，屬大型中硬齒輪、齒圈材料，適用于制造高強(qiáng)度、高韌性、截面尺寸較大的和較重要的調(diào)質(zhì)零件。

拉桿規(guī)格與力學(xué)性能:

規(guī)格/mm:斷面尺寸?180，聯(lián)接螺紋Tr200×8

調(diào)質(zhì)熱處理力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度Rm:=880 MPa～1 080 MPa

屈服強(qiáng)度Re:≥685 MPa

延伸率A:≥13%沖擊功Ak:≥35 J

按SEP1921 進(jìn)行超聲檢測(cè):單個(gè)最大缺陷直徑小于?3 mm。

4.2 機(jī)架立柱的材料與尺寸結(jié)構(gòu)

機(jī)架立柱采用Q345A 鋼板焊接，全熔透焊縫按GB11345Ⅱ級(jí)進(jìn)行超聲檢測(cè)。

當(dāng)立柱與拉桿斷面積比n 取5.3 時(shí)，其斷面尺寸如圖2 所示。

4.3 預(yù)緊拉桿與機(jī)架立柱的強(qiáng)度

在預(yù)緊力與矯直力的作用下，機(jī)架拉桿所受最大拉伸力FL=13 475 kN。

圖2 機(jī)架立柱斷面Figure 2 Profile of housing column

拉桿截面應(yīng)力σL:

式中 S1是拉桿斷面面積，S1=25 434 mm2。

在預(yù)緊力的作用下，機(jī)架立柱所受最大截面壓縮應(yīng)力σZ:

式中 S2是立柱斷面面積，S2=134 400 mm2。

立柱與拉桿的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。

4.4 預(yù)緊機(jī)架的剛度

拉桿的剛度KL:

式中 L 是拉桿的有效長(zhǎng)度，L=6 908 mm。

立柱的剛度KZ:

式中 L'是立柱的有效長(zhǎng)度，L'=6 908 mm

預(yù)緊機(jī)架的剛度K:

5 預(yù)緊工具和預(yù)緊方案

機(jī)架預(yù)緊工具采用液壓螺栓拉伸器，預(yù)緊方案采用分4 次加壓復(fù)測(cè)的方法。

5.1 液壓螺栓拉伸器參數(shù)

拉伸器規(guī)格/mm:Tr200×8

拉伸器外徑/mm:580

拉伸器高度/mm:220

支撐圈外徑/mm:470

支撐圈高度/mm:265

油缸面積/mm:147 022

5.2 相關(guān)組件

超高壓主油管:JRC180，1 根

超高壓分油管:JRC180，2 根

快速接頭:KJC-6AB，6 套

分配器:YY-3，1 只

5.3 超高壓手動(dòng)泵:

規(guī)格型號(hào):SYB-250

最高壓力/MPa:250

低壓流量/(ml/次):14.5

高壓流量/(ml/次):0.5

控制形式:手動(dòng)控壓

儲(chǔ)油量/L:2

供油方式:單作用

5.4 預(yù)緊方案

Tr200×8 型液壓螺栓拉伸器共配2 套，采用并聯(lián)的形式，共分兩次加壓(具體參數(shù)見表1)達(dá)到緊固的參數(shù)值。每次加壓時(shí)將預(yù)緊拉桿分為兩組(對(duì)角方向兩兩一組)，分別進(jìn)行預(yù)緊拉伸。

拉伸器之間的連接采用并聯(lián)的形式，能更好的得到壓力平衡性，動(dòng)力源在起始端控制加載、保壓及卸載，終端另加壓力表以便校對(duì)核準(zhǔn)整套系統(tǒng)的壓力值的一致性，同時(shí)還可以配套螺栓測(cè)長(zhǎng)儀。

表1 加壓參數(shù)Table 1 Pressurized parameters

使用方案:

(1)將拉伸器順序擰至預(yù)緊拉桿聯(lián)接螺紋上。

(2)使用超高壓手動(dòng)泵時(shí)，先鎖緊加壓閥，然后開始打壓、保壓。在動(dòng)力源達(dá)到額定壓力后，開始保壓，用撥動(dòng)棒撥動(dòng)螺母緊固。

(3)第一次加壓在完成全部螺栓60%階段拉伸后，選出一根拉桿用表1 中相對(duì)應(yīng)的復(fù)測(cè)力抽測(cè)，檢查有沒有局部松動(dòng)的螺栓，參照表1 中拉伸值進(jìn)行對(duì)比。

(4)第二次加壓完成100%階段拉伸后，選出兩根拉桿用表1 中相對(duì)應(yīng)的復(fù)測(cè)力抽測(cè)，檢查有沒有局部松動(dòng)的螺栓，參照表1 中拉伸值進(jìn)行對(duì)比，至此拉伸全部完成。

6 結(jié)論

全預(yù)緊組合機(jī)架的運(yùn)用，有效的減少了機(jī)身彈跳，提高了矯直板材的精度，便于安裝維護(hù)，降低了制造成本，滿足了使用要求。