液壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架預(yù)緊方式探討

衛(wèi)凌云，張營杰，杜學(xué)斌，唐照環(huán)，梁舒婷

(1．金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032;2．中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的框架使液壓機(jī)具有很高的整體剛度，這種結(jié)構(gòu)使得框架的抗側(cè)彎能力明顯增強(qiáng)、消除了設(shè)備承受偏心載荷時(shí)拉桿上附加的彎曲應(yīng)力和變形，與此同時(shí)，降低了框架拉桿的應(yīng)力波動幅值，提高了拉桿的疲勞強(qiáng)度，延長了拉桿的疲勞壽命。預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)是液壓機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在液壓機(jī)上的應(yīng)用不僅提高了制品的質(zhì)量，而且改善了拉桿的受力狀況。許多大、中型液壓機(jī)都采用了預(yù)應(yīng)力框架，因此對框架預(yù)緊方法的研究就顯得尤為重要。

目前液壓機(jī)的預(yù)緊普遍采用超壓預(yù)緊、液壓拉伸預(yù)緊和加熱預(yù)緊三種方法。

1 預(yù)應(yīng)力框架的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)液壓機(jī)采用了三梁四柱式結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力框架的結(jié)構(gòu)通常有四種型式:雙螺母式結(jié)構(gòu)、螺母壓套式結(jié)構(gòu)、錐臺式結(jié)構(gòu)、錐套式結(jié)構(gòu)。前兩種結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用比較廣，錐臺式或錐套式結(jié)構(gòu)對加工精度要求高，適用于小型液壓機(jī)，這里不再陳述。目前，中、小型液壓機(jī)普遍采用雙螺母式結(jié)構(gòu)，大、中型液壓機(jī)普遍采用螺母壓套式結(jié)構(gòu)。圖1為雙螺母式結(jié)構(gòu)。

此預(yù)應(yīng)力框架主要由梁Ⅰ (1)、拉桿 (2)、梁Ⅱ (3)及螺母 (4、5、6、7)組成，螺母共分四層。通過螺母將兩件梁和拉桿固定，構(gòu)成一個整體框架。預(yù)緊段的長度為L。此結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力只是施加在與梁聯(lián)接的拉桿部分。

圖1 雙螺母式結(jié)構(gòu)Fig.1 Double-nut structure

圖2為螺母壓套式結(jié)構(gòu)，此預(yù)應(yīng)力框架主要由梁Ⅰ(1)、拉桿2、壓套3、梁Ⅱ(4)及螺母5組成。壓套定位在梁Ⅰ和梁Ⅱ之間，拉桿安裝在兩件梁和壓套之中，通過螺母固定構(gòu)成一個整體框架。拉桿預(yù)緊段的計(jì)算長度為L2，壓套預(yù)緊段的計(jì)算長度為L1。此結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力施加在拉桿的全長范圍內(nèi)，因此也稱為全預(yù)應(yīng)力框架。

圖2 螺母壓套式結(jié)構(gòu)Fig.2 Nut pressing sleeve structure

由于預(yù)緊方式的不同，安裝的定位基準(zhǔn)就不同。針對以上兩種結(jié)構(gòu)，采用超壓預(yù)緊時(shí)，定位基準(zhǔn)都是外側(cè)的螺母;采用液壓螺母預(yù)緊時(shí)，定位基準(zhǔn)即為內(nèi)側(cè)的螺母或壓套;采用加熱預(yù)緊時(shí)根據(jù)工藝要求安裝定位基準(zhǔn)內(nèi)外側(cè)均可，一般采用內(nèi)基準(zhǔn)。但不論采用何種預(yù)緊方式，在進(jìn)行預(yù)緊前都要將螺母擰緊 (稱為冷預(yù)緊)，使螺母與梁端面緊密貼合。

2 預(yù)應(yīng)力框架機(jī)理

所謂預(yù)應(yīng)力框架，就是液壓機(jī)沒有工作的狀況下在框架內(nèi)部已經(jīng)存在預(yù)緊應(yīng)力。在一般情況下，實(shí)際預(yù)緊應(yīng)力應(yīng)大于工作應(yīng)力，這樣液壓機(jī)工作時(shí)螺母與梁之間始終存在著一定的應(yīng)力，使框架保持為一個整體，增加了設(shè)備的整體剛度。

圖3為拉桿與連接件的受力變形圖，圖中曲線1表示液壓機(jī)工作時(shí)拉桿拉力的變化圖;斜線2表示拉桿受力變形圖;斜線3表示連接件受力變形圖;曲線4表示液壓機(jī)工作時(shí)拉桿總拉力的變化圖。

圖3 拉桿與連接件的受力變形圖Fig.3 Mechanical deformation of draw bar and connecting piece

由圖3可以看出，預(yù)應(yīng)力框架中的預(yù)應(yīng)力有以下作用:

(1)Qp為液壓機(jī)安裝后拉桿的預(yù)拉力，梁或壓套的預(yù)壓力。隨著液壓機(jī)工作壓力的提高，拉桿的拉應(yīng)力逐漸增大，梁或壓套的壓應(yīng)力隨著逐漸減少;

(2)液壓機(jī)滿負(fù)荷F工作時(shí)，在連接件內(nèi)部還有Q′p的殘余預(yù)應(yīng)力防止框架松動、增加框架的剛度。殘余預(yù)應(yīng)力一般為滿負(fù)荷工作應(yīng)力的0.1～0.25倍;

(3)液壓機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，拉桿的周期性應(yīng)力的幅度ΔF只有非預(yù)應(yīng)力拉桿幅度的30%～60%;拉桿的伸長量Δλ為非預(yù)應(yīng)力拉桿伸長量的20%～40%，大大提高了拉桿的抗疲勞性。

綜上所述，框架內(nèi)的預(yù)應(yīng)力提高了框架的剛度，最終有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

不論那種預(yù)緊方式，在預(yù)緊前必須要確定螺母擰緊的弧長或墊板的厚度，需要計(jì)算拉桿和梁或壓套的預(yù)變形量，即λb和λm。參考文獻(xiàn) ［1］中預(yù)變形量計(jì)算公式如下:

計(jì)算出λb和λm后，就可以確定螺母的旋轉(zhuǎn)弧長和增加的墊板厚度。

3 超壓預(yù)緊

超壓預(yù)緊采用設(shè)備自身的液壓系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)架安裝并經(jīng)過冷預(yù)緊后，在總壓力超過公稱壓力的1.1～1.25倍的情況下使液壓機(jī)加載，以外側(cè)螺母為基準(zhǔn)，立柱由于超載受到拉力作用，產(chǎn)生彈性伸長，立即把預(yù)先擰緊的內(nèi)側(cè)螺母旋轉(zhuǎn)一定的角度或在梁內(nèi)側(cè)與壓套之間增加一定厚度的墊板，達(dá)到預(yù)緊的目的。

預(yù)緊方法比較簡單，一般不需要其他輔助設(shè)備。預(yù)緊時(shí)間比較短，只要把液壓機(jī)的工作壓力提高到公稱壓力的1.1～1.25倍，擰轉(zhuǎn)內(nèi)螺母或加墊板即可。

超壓預(yù)緊雖然簡單，但也存在缺點(diǎn):預(yù)緊應(yīng)力不夠大，由于密封和設(shè)備強(qiáng)度的影響，超壓預(yù)緊的壓力不會超過公稱壓力的1.1～1.25倍;超壓預(yù)緊時(shí)，梁和拉桿的撓性變形就會增大，往往需要提高工作梁及拉桿的強(qiáng)度，從而增加設(shè)備的成本;為了節(jié)約開支，超壓預(yù)緊時(shí)設(shè)備零部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)，降低了設(shè)備的安全性;設(shè)備的安裝精度難以保證，針對雙螺母式結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)一般以內(nèi)側(cè)螺母為基準(zhǔn)來調(diào)整立柱和兩個梁的垂直度和水平度，而超壓預(yù)緊是以外螺母為基準(zhǔn)調(diào)整擰動內(nèi)螺母，框架往往會產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象。

錐臺式或錐套式結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)由于沒有內(nèi)螺母而不適合采用超壓預(yù)緊進(jìn)行預(yù)緊。

4 液壓拉伸預(yù)緊

液壓拉伸預(yù)緊實(shí)際上就是采用液壓拉伸器對拉桿直接施加外力，使拉桿在其彈性變形區(qū)被拉長，通過計(jì)算出的變形量數(shù)值確定拉伸油缸的壓力，達(dá)到壓力后，立即把預(yù)先擰緊的外側(cè)螺母旋轉(zhuǎn)一定的角度，達(dá)到預(yù)緊的目的。

4.1 液壓拉伸器的工作原理

液壓拉伸器一般由液壓泵、高壓軟管、壓力表和拉伸體組成。液壓泵主要提供壓力油源，壓力表反映液壓泵的輸出壓力值，高壓軟管用于連接液壓泵、壓力表和拉伸體。拉伸體是實(shí)現(xiàn)拉桿彈性伸長的執(zhí)行元件，結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由拉緊螺母1、活塞油缸2和支撐環(huán)3組成。

工作時(shí)，液壓泵輸出的壓力油進(jìn)入活塞油缸，壓力油推動活塞油缸的活塞運(yùn)動，帶動拉伸螺母向上移動，由于拉伸螺母與拉桿頭螺紋相連，從而拉伸拉桿，當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，擰動螺母4轉(zhuǎn)動一定角度滿足計(jì)算值后，活塞油缸泄壓，松開拉緊螺母，完成一個預(yù)緊工作。

圖4 拉伸體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of tensile body structure

4.2 液壓拉伸預(yù)緊的優(yōu)缺點(diǎn)

液壓拉伸預(yù)緊有一定的優(yōu)勢，簡述如下:

液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力可以降低，只要滿足工作需要即可。

預(yù)緊時(shí)拉桿及連接件只承受拉力，沒有剪切力和側(cè)向力。

由于采用預(yù)拉伸，螺母與連接件沒有相對摩擦，不會損傷結(jié)合面。

雖然液壓拉伸預(yù)緊有一些優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn):

拉桿頭部的設(shè)計(jì)需要與液壓拉伸器螺紋相匹配，且需要的拉桿長度將會加長。

隨著液壓機(jī)公稱壓力的提高，拉伸器的尺寸就相應(yīng)加大，對安裝操作空間的需求就會越來越大。

對于全應(yīng)力框架來說，液壓拉伸器的行程將難以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 液壓拉伸預(yù)緊時(shí)的注意事項(xiàng)

拉伸器油缸屬于超高壓工況，使用時(shí)必須注意安全。

在預(yù)緊前首先要計(jì)算液壓泵的壓力，防止出現(xiàn)壓力過高超過拉桿或連接件的承受能力，拉桿或連接件出現(xiàn)塑性變形。

拉伸時(shí)液壓泵的輸出壓力應(yīng)平穩(wěn)加壓，以防出現(xiàn)過大的沖擊，影響預(yù)緊效果。

預(yù)緊時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意拉伸油缸的行程，不能超過油缸行程極限。

5 加熱預(yù)緊

加熱預(yù)緊是最常用的預(yù)緊方法，加熱的方法很多，一般有火焰加熱、電加熱、電阻絲加熱、感應(yīng)圈加熱和過熱蒸汽加熱等。液壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架預(yù)緊的加熱一般采用電阻絲加熱和過熱蒸汽加熱兩種，過熱蒸汽加熱的機(jī)理見參考文獻(xiàn) ［1］，這里只描述電阻絲加熱。

5.1 電阻絲加熱原理

加熱預(yù)緊就是利用拉桿的受熱膨脹的原理，即:

式中，ΔL為拉桿溫度升高△T的伸長量，mm;L為拉桿原始溫度的計(jì)算長度，mm;α為材料的線膨脹系數(shù)，1/℃;ΔT為拉桿加熱后與常溫的溫度差，℃。

5.2 電阻絲加熱方案的確定

首先計(jì)算拉桿的總變形量:λ=λb+λm+c，考慮了一定的富余量c，將λ代入式 (1)，即可以計(jì)算出拉桿需要加熱升高的溫度

式中，T為拉桿需要加熱升高的溫度，℃;T室為室內(nèi)溫度，℃。

其次計(jì)算加熱拉桿所需的熱量

式中，Q為加熱拉桿所需熱量，kJ;G為拉桿需要加熱的重量，kg;C材料的比熱，kJ/kg℃。

計(jì)算出熱量后，還要考慮加熱效率，就可以得出加熱需要的熱量。

最后計(jì)算加熱功率:

式中，P為加熱拉桿所需功率，kW;t為加熱拉桿的時(shí)間，考慮實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在一個班完成，一般取8 h，即 28800 s。

根據(jù)計(jì)算出的功率值，選型電熱元件，確定加熱方案。

不論采用電阻絲加熱還是過熱蒸汽加熱進(jìn)行預(yù)緊，拉桿都要加工內(nèi)孔，保證加熱從拉桿內(nèi)部開始。根據(jù)加熱特點(diǎn)，內(nèi)部的溫度一定高于表面溫度，這樣只要檢測到拉桿表面溫度達(dá)到計(jì)算值，拉桿的伸長量就會到達(dá)預(yù)定值，這時(shí)立即把預(yù)先擰緊的外側(cè)螺母旋轉(zhuǎn)一定的角度，待立柱冷卻后，就會產(chǎn)生很大的預(yù)緊力，達(dá)到預(yù)緊的目的。

6 預(yù)緊方式對比及結(jié)論

表1為以上各種預(yù)緊方式的對比。

表1 預(yù)緊方式的對比Table 1 Contrast of pre-tightening modes

從表1可知，每種預(yù)緊方式都有各自的優(yōu)勢，在確定時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮。但不論采用何種預(yù)緊方式對拉桿進(jìn)行預(yù)緊，都會在拉桿內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，提高框架的剛度，增加設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

［1］ 杜學(xué)斌，衛(wèi)凌云，聶揚(yáng)江．?dāng)D壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架的加熱預(yù)緊 ［J］．重型機(jī)械科技，2006(3):9－11．

［2］ 魏軍．金屬擠壓機(jī) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［3］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997．