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      【行業】擠壓機預應力框架壓柱變形原因

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      擠壓機框架是一個封閉的組合結構,主要由前、后梁、擠壓梁和4根壓柱組成簡稱三梁四柱,它是承受擠壓力的最基本的構件。組合框架目前常見的有兩種形式,一種是帶鉤頭的厚板疊加成的預應力拉桿和受壓柱套組合機架;另一種是圓柱形拉桿和受壓柱套組合機架。

      無論哪種結構,都是通過前梁外側用預緊專用工具對張力柱加載預緊力使其拉伸,同時壓柱受壓,整個框架處于預應力的狀態。由于預應力結構框架能大大提高液壓機的承載能力,因此,預應力組合框架以其自身結構優勢成為現代液壓機設計中的常用結構。

      目前擠壓機框架的受力分析都是以傳統理論計算(利用理論或經驗公式)和有限元數值模擬相結合的方法。那本文我們就通過實測數據和結構力學分析來找出產生這一現象的原因。

      試驗方法

      由于擠壓機四根壓柱不僅承受壓力,兩根下壓柱還作為擠壓梁和擠壓簡座的導軌,承載各部件的重量,而上壓柱只是作為擠壓簡座的輔助導軌,所以壓力試驗只進行兩下壓柱在不同工作載荷下的變形情況。

      以20MN擠壓機為例,首先在兩根下壓柱導軌側面及上面選擇測試點,導軌側面選3個點,導軌上面選3個點,其中一點靠近后梁、另一點在中間部位、最后一點靠近前梁,具體位置見圖2所示。每個測量點用百分表進行測量,百分表座固定在機外靜止的支架上,確保試驗數據不受外界因素干擾。采集的數據如表1所示。

      變形原因分析

      擠壓機預應力框架是由前、后梁、四根壓柱和四根拉桿組成,拉桿穿過前、后梁和壓柱的孔,拉桿兩端用螺母將其緊固為整體框架。對拉桿預緊后,壓柱的全長及前、后梁和螺母貼合處承受壓應力,拉桿承受拉應力。在施加載荷時,前、后梁和壓柱都承受著擠壓應力和彎矩的作用。

      一般情況下,實際預緊應力應大于工作應力,這樣擠壓機工作時螺母與梁之間始終存在著一定的應力,使框架保持為一個整體,增加了設備的整體剛度。由于擠壓機框架結構是對稱于中間平面的,且偏心載荷不大,為便于分析,假設載荷對稱于中間平面或軸對稱,空間框架簡化為平面框架。

      壓柱和拉桿的變形關系

      拉桿和壓柱的預應力是在彈性范圍內施加的,拉桿預緊力與變形量的關系符合虎克定律。壓柱和拉桿的變形和受力關系的變化過程見圖3所示,拉桿受預緊力F0的拉伸,伸長量為λ1,相反,壓柱則在F0的壓縮下,其壓縮量為λ2。

      當施加工作載荷F后,拉桿繼續伸長,壓柱隨之被放松,壓縮量也隨著減少,為Δλ。拉桿拉力增至F2, 而壓柱的壓縮力由F0減至F1,F1被稱為殘余預緊力。這時拉桿的總拉力是殘余預緊力F1與工作載荷F之和。

      對于預應力框架的擠壓機,工作載荷被分為兩部分,拉桿和壓柱各分擔一部分,工作載荷中最主要的拉伸部分由拉桿承擔,彎曲部分則由壓柱承擔。而且預緊力參數的設計直接關系到框架的穩定性和安全性。預緊力過小,將致使前、后梁與壓柱的結合面發生開縫;預緊力過大,將致使拉桿過度塑性變形而產生早期斷裂。

      后梁的變形分析

      后梁安裝工作油缸,擠壓機加載時,后梁承受油缸的反作用力。由于后梁的剛度遠大于壓柱的剛度,因此可以將后梁簡化為簡支梁,支點間距離為寬邊壓柱的中心距。工作油缸壓力簡化為作用于法蘭半圓環重心上的兩個集中力。根據擠壓機簡化結構畫出的后梁受力分布、剪力圖及彎矩圖,見圖4所示。F為工作壓力,D為工作油缸外徑。根據材料力學分析,后梁沿擠壓中心向外彎曲。

      前梁的變形分析

      前梁在擠壓機加載時,承受的是擠壓力,假設擠壓力作用在模座與前梁中心圓環形接觸面的重心上,近似取為D/π,所以其變形情況與后梁類同。

      整體框架分析

      將以上各主要構件組合成框架結構,利用預緊力將框架進行預緊后成為預應力組合框架結構。對于預應力組合結構,在實際工作中梁存在彎曲變形,有可能引起壓柱內角部開縫,影響框架整體性,為了確保在各種載荷工況下梁柱結合面均不開縫,預緊力是保證整體性的決定性因素,因此預緊力選取的大小,必須保證在最大工作載荷下,壓柱中還存在一定的壓應力。

      同時考慮了前、后梁的彎曲變形,承載后拉桿和壓柱均不同程度地發生了彎曲變形,其變形情況見圖5所示。圖中F為工作載荷,F1為壓柱所承受的壓力(殘余預緊力),M為前、后梁對壓柱產生的彎矩.從圖中可以看出壓柱是向內彎曲的,最大變形位于中部。

      綜上我們可知:

      (1)當給整個預應力框架施加工作載荷時,壓柱由于壓縮力減小,同時受到彎矩的作用,導致壓柱側導軌面向內彎曲,上導軌面向上彎曲。

      (2)壓力試驗記錄的數據基本符合理論分析壓柱變形趨勢。

      (3)由于前梁采用非中心對稱結構,即左右對稱、上下非對稱,后梁為中心對稱結構,在進行壓力試驗時壓柱還承載擠壓梁和擠壓簡座的重量,還受到擠壓力偏載因素的影響,所以實測數據變化不是很均勻。

      注:本文由機哥整理自《鍛壓裝備與制造技術》2019年第1期,作者王艷鵬。轉載請注明出處。

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