預應力機架預緊力的設計計算研究

王冬梅，李 龍，胡曉龍

（1.沈陽新華印刷廠，遼寧 沈陽 110021；2.北方重工集團有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141）

1 前言

自由鍛造壓機的本體框架大多都采用全預應力的框架，其構成如圖1所示。柱套位于上、下橫梁之間，拉桿穿過上下橫梁和柱套，通過預緊螺母構成一個整體框架。這種結構對于拉桿而言，無論壓機是否工作都承受較大的應力，但是應力波動幅度小，拉桿的截面形狀沒有急劇變化；對柱套而言，主要承受鍛造產生的彎矩和壓應力，抗彎強度比較大，因此這種結構的抗疲勞性能比較好。柱套采用方形截面結構，與活動橫梁的導向面可采用平面導向，導向間隙可調，大大提高了導向精度，承載的能力也得到加強。

盡管全預應力框架壓機本體結構具有如此多的優點，但畢竟是由多個部件組合而成，能否使優點體現出來，保證本體機架的整體剛性，橫梁和柱套之間不出現開縫，都取決于預緊力的選擇和設計計算。預緊力選擇的過小，保證不了壓機的正常性能；選擇過大，增大了柱套拉桿的結構尺寸，提高了制造成本，體現不出全預應力框架的優越性。選擇合理的預緊力成為全預應力框架設計的關鍵。

現代設計手段多種多樣，但都是對設計的框架結構進行驗證和優化。傳統的設計手段仍然是現代設計的基礎，本文主要介紹用傳統設計方法分析計算全預應力框架的預緊力。

圖1 全預應力壓機框架簡圖

2 預緊力的計算

預應力結構的變形載荷圖如圖2所示，它是預緊件（拉桿）的拉伸變形圖（P—Δl坐標）和被預緊件（橫梁、柱套）的壓縮變形圖（－P—Δz坐標）結合而成。

2.1 預緊系數的確定

由圖1可見，Pz為預緊時拉桿受到的最大拉伸載荷，工作狀態下拉桿受到的拉力不應超過Pz，否則柱套的壓縮變形將全部恢復，橫梁與柱套之間將出現開縫現象，這是不允許的。

式中：F——壓機的公稱鍛造力；

z——預緊系數。一般情況下z取1.5～2，大型壓機取小值，小型壓機取大值。

預緊力Pj與公稱鍛造力的比值也經常作為設計的依據，Pj=z′F，z′稱為相對預緊系數。一般情況下z′取 1.2～1.5。

圖2 預應力結構的變形載荷圖

對于大型壓機，其工作狀態更加符合85倍率的關系，即其工作范圍一般處于20%～85%的公稱力負荷狀態。為了獲取最合適性價比的壓機，也可取z′為0.9～1。

2.2 拉桿柱套機構參數的確定

根據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。

由壓機的整體要求、活動橫梁、上下橫梁的結構、導向面的結構和拉桿的結構尺寸可以初步確定柱套的結構尺寸，求得柱套的截面積，由材料可以獲取柱套的性能參數。

2.3 預緊力的計算

由圖2所示，Pj預緊完成后，預應力結構達到平衡狀態，拉桿受到的拉力與柱套受到的壓力大小相等，此時的力Pj稱為預緊力。根據拉桿、柱套的結構尺寸（長度、截面積等）及材料特性可求得Pj大小：

式中：Cz——柱套的剛度系數；

Cl——拉桿的剛度系數。

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 工作狀態下拉桿柱套的變形校驗

如圖2所示，工作狀態下承載工作載荷時，拉桿進一步受到拉伸，變形增加，柱套則減少壓縮變形，當載荷增加到公稱力F時，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。增加的變形應與δ符合。

4 上橫梁變形對預應力的影響

上述計算是在假定橫梁絕對剛性不變形的情況下得到的。實際上絕對剛性的橫梁是不存在的。由于柱套是一個體型結構，橫梁的變形會影響柱套接觸面的壓力分布，內部的壓力將變小甚至為零，出現內部開縫的情況，可以通過現代設計手段來驗證，進一步優化預應力。

5 柱套與橫梁接觸結構對預應力的影響

柱套與橫梁的接觸面結構一般為平面接觸，在偏載狀態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，預應力的設計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構，即柱套的端部設計成圓柱面插入橫梁中，下間隙配合。此種結構鍛造產生的附加彎矩大部分作用在此配合面上，因此這種結構可減小預應力，可采用較小截面的拉桿和柱套。

6 結論

壓機機架的強度計算是一個超靜定問題，全預應力機架將承受拉彎狀態的立柱一分為二，即承受壓彎應力的柱套和承受純拉力的拉桿，將超靜定問題簡化，用傳統的計算方法就可初步確定壓機機架結構，然后再利用有限元分析等現代手段驗證機架的開縫情況，優化各部件的機構和預緊參數，使壓機的設計更加合理，提高設備的應用性能。

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