强力板材矫直机全预紧组合机架的设计与应用

赵 岽 吴庆君

(1.太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工机械设备有限公司技术部，安徽 232033)

强力板材矫直机承受矫直力大(最大矫直力可达30 000 kN)，矫直精度要求高。采用预紧力组合机架结构可有效的减少机架受力后的弹性变形量，提高板材矫直质量。预紧力组合机架具有刚度大，设备重量轻，制造成本低的特点。预应力机架的矫直效果跟预紧力、预紧拉杆和机架立柱断面积参数的合理选择有很大的关系。

1 矫直机预紧力组合机架的结构与受力条件

矫直机预紧力组合机架采用了全预紧结构，由4 根通长刚性预紧拉杆将上、下横梁及机架立柱连接为整体(见图1)。预紧力是通过预紧工具施加的，采用超高压液压螺栓拉升器将立柱全长预紧，并可通过调整压力来控制拉升量，从而达到所要求的预应力值。

机架各组件在预紧力的作用下，上、下横梁与机架立柱被拉杆压紧并保持紧密接触，消除了配合间隙，并预先产生了压应力。

当矫直机工作时，在矫直力的作用下，拉杆和立柱的受力得到再分配。拉杆和立柱受力后，力的变化之和等于矫直力。拉杆和立柱所受力的变化量与它们的刚度系数大小成正比，刚度系数大的部分所承受的矫直力分量大，刚度系数小的部分所承受的矫直力分量小。显然，应使立柱的刚度系数远大于拉杆，其所承受的矫直力分量要大于拉杆，正常情况下，机架立柱要承受大部分的矫直机力。

图1 矫直机全预紧组合机架结构Figure 1 Configuration of straightener complete pretightening combination housing

机架立柱所受的压力应该始终大于零，否则在矫直力的作用下，当立柱所受的压力变为零后，机架刚度下降为拉杆的刚度，变形量会急剧增加。因此防止立柱与横梁间出现离缝现象，成为预应力机架刚度的前提。

2 机架立柱与预紧拉杆的断面面积选择

在预紧力和矫直力联合作用下，拉杆始终承受拉伸变载荷，立柱等组合件承受压缩变载荷。设计时应尽可能使拉杆所受拉力的增加量减少，立柱等组合件所受压力的减小量增加。

拉杆的相对刚度系数:

立柱的相对刚度系数:

式中 k1——拉杆的刚度系数;

k2——立柱的刚度系数;

E1——拉杆的弹性模量，拉杆用合金钢材料，取E1=2.1×105MPa;

E2——立柱的弹性模量，立柱为钢板焊接件，取E2=1.96×105MPa;

A1——拉杆的断面积;

A2——立柱的断面积;

L——拉杆和立柱等组合件的有效长度。

取n=A2/A1，则

在预紧力与矫直力的共同作用下，拉杆所受最大静拉力FL:

立柱等组合件所受最小静压力FZ:

式中 F0——单根拉杆预紧力;

FJ——最大矫直力。

当立柱与拉杆断面面积比n 取5.3 时，K1=0.17，K2=0.83。

一般取立柱与拉杆断面积比n=4～6，即立柱断面积为拉杆断面积的4～6 倍。在预紧力与矫直力的共同作用下，拉杆增加的拉力为矫直力的25%～16.7%，立柱等组合件在预紧力的基础上减少了75%～83.3%的矫直力。矫直力主要由机架立柱承受。

3 预紧力的确定

预紧力的大小是确定拉杆、立柱受力和断面面积的重要参数，矫直力不仅使机架横梁、立柱和拉杆受拉、压载荷的作用，同时也受弯曲力矩的作用，预紧力既要保证机架具有足够的刚度和稳定性，同时还要保证拉杆与立柱共同承担由矫直力引起的弯矩。

机架立柱截面中性轴的内外侧的应力值是不同的，必须使得沿立柱横截面上的各点所产生的应力始终为压应力，否则会产生离缝现象。从立柱的受力和变形看，发生离缝现象的危险在立柱截面的内侧。所以施加的预紧力必须保证立柱截面内侧最边上的应力为负值。

预紧力的大小与矫直力及机架的结构参数(立柱、拉杆、横梁的惯性矩和中性线长度)有关，在进行预紧力设计时一般约取为最大矫直力的1.6 倍，待设计机架后进行校核。当最大矫直力FJ=30 000 kN，4 根拉杆的预紧力为48 800 kN，单根拉杆预紧力设为F0=12 200 kN。

4 预紧机架的刚度

当预紧拉杆和机架立柱的材料、结构和尺寸确定后，预应力机架的刚度也就确定了，机架刚度等于拉杆和立柱的刚度之和。

4.1 预紧拉杆的材料规格与性能

拉杆是重要的受力件，在预紧力的作用下，它把上、下横梁与立柱紧密的连接在一起，构成一个封闭的框架。拉杆不但要具有良好的综合力学性能，而且要具有足够的拉长量。正确的确定拉杆的最大拉力、材料牌号、力学性能、断面尺寸，对于提高机架的刚度关系很大。

拉杆材料为30Cr2Ni2Mo 锻件，属大型中硬齿轮、齿圈材料，适用于制造高强度、高韧性、截面尺寸较大的和较重要的调质零件。

拉杆规格与力学性能:

规格/mm:断面尺寸∅180，联接螺纹Tr200×8

调质热处理力学性能:抗拉强度Rm:=880 MPa～1 080 MPa

屈服强度Re:≥685 MPa

延伸率A:≥13%冲击功Ak:≥35 J

按SEP1921 进行超声检测:单个最大缺陷直径小于∅3 mm。

4.2 机架立柱的材料与尺寸结构

机架立柱采用Q345A 钢板焊接，全熔透焊缝按GB11345Ⅱ级进行超声检测。

当立柱与拉杆断面积比n 取5.3 时，其断面尺寸如图2 所示。

4.3 预紧拉杆与机架立柱的强度

在预紧力与矫直力的作用下，机架拉杆所受最大拉伸力FL=13 475 kN。

图2 机架立柱断面Figure 2 Profile of housing column

拉杆截面应力σL:

式中 S1是拉杆断面面积，S1=25 434 mm2。

在预紧力的作用下，机架立柱所受最大截面压缩应力σZ:

式中 S2是立柱断面面积，S2=134 400 mm2。

立柱与拉杆的应力小于材料的许用应力，强度满足要求。

4.4 预紧机架的刚度

拉杆的刚度KL:

式中 L 是拉杆的有效长度，L=6 908 mm。

立柱的刚度KZ:

式中 L'是立柱的有效长度，L'=6 908 mm

预紧机架的刚度K:

5 预紧工具和预紧方案

机架预紧工具采用液压螺栓拉伸器，预紧方案采用分4 次加压复测的方法。

5.1 液压螺栓拉伸器参数

拉伸器规格/mm:Tr200×8

拉伸器外径/mm:580

拉伸器高度/mm:220

支撑圈外径/mm:470

支撑圈高度/mm:265

油缸面积/mm:147 022

5.2 相关组件

超高压主油管:JRC180，1 根

超高压分油管:JRC180，2 根

快速接头:KJC-6AB，6 套

分配器:YY-3，1 只

5.3 超高压手动泵:

规格型号:SYB-250

最高压力/MPa:250

低压流量/(ml/次):14.5

高压流量/(ml/次):0.5

控制形式:手动控压

储油量/L:2

供油方式:单作用

5.4 预紧方案

Tr200×8 型液压螺栓拉伸器共配2 套，采用并联的形式，共分两次加压(具体参数见表1)达到紧固的参数值。每次加压时将预紧拉杆分为两组(对角方向两两一组)，分别进行预紧拉伸。

拉伸器之间的连接采用并联的形式，能更好的得到压力平衡性，动力源在起始端控制加载、保压及卸载，终端另加压力表以便校对核准整套系统的压力值的一致性，同时还可以配套螺栓测长仪。

表1 加压参数Table 1 Pressurized parameters

使用方案:

(1)将拉伸器顺序拧至预紧拉杆联接螺纹上。

(2)使用超高压手动泵时，先锁紧加压阀，然后开始打压、保压。在动力源达到额定压力后，开始保压，用拨动棒拨动螺母紧固。

(3)第一次加压在完成全部螺栓60%阶段拉伸后，选出一根拉杆用表1 中相对应的复测力抽测，检查有没有局部松动的螺栓，参照表1 中拉伸值进行对比。

(4)第二次加压完成100%阶段拉伸后，选出两根拉杆用表1 中相对应的复测力抽测，检查有没有局部松动的螺栓，参照表1 中拉伸值进行对比，至此拉伸全部完成。

6 结论

全预紧组合机架的运用，有效的减少了机身弹跳，提高了矫直板材的精度，便于安装维护，降低了制造成本，满足了使用要求。