鋼管矯直機機架受力特性及初始預應力研究

馬立東, 王 勤, 王 飛

(1.太原科技大學 山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室, 山西 太原 030024；2.重慶賽迪冶煉裝備系統集成工程技術研究中心有限公司, 重慶 401122；3.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013)

?

實驗研究

鋼管矯直機機架受力特性及初始預應力研究

馬立東1,2, 王 勤3, 王 飛3

(1.太原科技大學 山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室, 山西 太原 030024；2.重慶賽迪冶煉裝備系統集成工程技術研究中心有限公司, 重慶 401122；3.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013)

分析了螺栓式預應力機架結構的特點，推導了預應力拉桿的受力過程，證明了單個螺栓預應力結構本身并不能提高拉桿的剛度，也不能改善拉桿應力波動范圍，中小型機架結構中應慎重使用；結合鋼管矯直機兩種主流的拉桿結構，分析不同初始預應力作用下機架的剛度，可以發現，通過多個預應力拉桿對上橫梁的夾緊作用，可以提高整個機架結構的剛度，而且在同等重量的情況下施加同等預應力，短預應力預緊的效果優于拉桿全長預緊效果。

機架；預應力；拉桿結構；預緊

0 前言

為保證產品最終精度，矯直機起著至關重要的作用，而機架剛度直接關系著產品在生產中工藝設定參數的有效性，通過科學研究機架剛度影響因素，能夠有效控制機架變形，并保證最終產品精度可控。預應力結構已經在軋鋼及鍛壓設備的機架中得到廣泛的應用，學者們也對其進行了廣泛的研究。顏永年[1]系統的研究了螺栓式預應力結構的形式、受力狀態、設計方法，認為螺栓式預應力拉桿結構能夠減小拉桿的載荷波動，提高拉桿的抗疲勞強度。鄒家祥[2]認為螺栓式預應力比無預應力機構的機架剛度系數大。楊固川[3]分析了整體機架和預應力機架的受力情況，認為在機架外形尺寸、材料性能、材料重量成本相同條件下，兩種機架的剛度相同。謝仕鴻[4]通過有限元模擬的方法計算了預應力矯直機機架的受力情況，并與測量值進行了比較，結果一致。陳長盛[5]通過有限元方法對螺栓預應力結構進行了模態分析，分析了不同預應力值對設備固有頻率及傳遞響應的影響。

1 鋼管矯直機機架基本機構

典型六斜輥矯直機(2-2-2)的機架機構(圖1)為8立柱、上橫梁、下橫梁組成的框架結構。圖2所示為短預應力結構，承受預應力的部分只是上橫梁孔位置處拉桿部分，支架主體為一實芯圓柱，國內設計制造的鋼管矯直機大多采用了這一結構，圖3所示為標準預應力結構，整個拉桿均承受預應力，支架由拉桿和立柱(套筒)共同組成，國外Bronx采用了這種結構，且國內制造的板帶矯直機、鋼板壓平機也是采用的這種結構。大多數工程設計人員對預應力結構存在誤解，認為圖3所示預應力結構能夠增加剛度，而事實并非完全如此。本文首先基于彈性力學基本原理對單個螺栓預應力結構進行受力狀態分析，然后通過有限元方法分析兩種典型矯直機機架結構受載荷情況下的剛度情況。

圖1 鋼管矯直機機架機構圖Fig.1 Structure of frame of the steel tube straightener

圖2 短預應力結構Fig.2 Short pre-stressed structure

圖3 標準預應力結構Fig.3 Standard pre-stressed structure

2 螺栓式預應力拉桿結構的受力分析

假設標準預應力機架的立柱與拉桿的總面積與短預應力的立柱部分的截面積一致，該兩種設備總重量一致，標準預應力拉桿穿過上下橫梁和立柱時無間隙配合(間隙極小可忽略不計)，螺母與拉桿預應力為P0，機架受到的最大工作載荷為P，兩種類型機架的作用情況相同，且假設兩種類型。

設標準預應力機架拉桿截面積F1，立柱截面積F2，總截面積為F，其中F1/F2=a，則

F1=Fa+1

F2=aFa+1

圖4所示為標準預應力結構拉桿受力圖，圖中OH為拉桿的彈性變形路徑，AB為立柱的彈性變形路徑(因為受到預應力，開始即儲存應力)，PAF即Py為事先加載預應力，此時拉桿預先拉長δOF，立柱被預先壓縮δEF，PCE即PZ為施加工作載荷，在該載荷施加的過程中，拉桿被繼續拉長δAD，立柱釋放壓縮量δAD，此時工作載荷與拉桿繼續拉長對應的力PCD以及立柱釋放的力PDE保持平衡。由胡克定律可知(鋼的彈性模量E基本一致)

δAD=PCDhF1E=PDEhF2E=(a+1)PCDhFE=(a+1)PCDhaFE

所以

PCDPDE=1a

又因為

PZ=PCD+PDE

所以

PZ=(a+1)PCD

由此得到

δAD=PZhFE

對應短預應力結構，其承受預應力部分即拉桿對應上橫梁孔內部分與標準預應力中拉桿在上橫梁孔內部分受力狀態一致，所以只需比較上下橫梁之間部分受力情況。在承受工作載荷PZ情況下，實芯立柱的變形量為

δ=PZhFE=δAD

由此得出，兩種結構在承受相同工作載荷情況下，變形量相同，即兩種結構剛度一致。

再比較標準預應力結構中拉桿和短預應力結構中的立柱的應力波動情況，設兩個應力波動范圍分別為σ1和σ2。標準預應力結構中拉桿的應力波動范圍為

σ1=PCDF1=PZ/(a+1)F/(a+1)=PZF=σ2

因此，兩種結構的應力波動范圍也一致，從這個意義上來說，兩種結構抵抗疲勞的性能也一致，而從應力值的大小來看，拉桿上承受的力與實芯立柱承受的力一致，但是由于拉桿的截面積小，因此，拉桿上的應力值將一直處于比較大的量值水平上，從材料的抗蠕變性能考慮，標準預應力結構抗蠕變性能相對較差。其次，標準預應力結構中雖然拉桿與立柱之間的間隙很小，但是仍然存在間隙，在設備運轉過程中，其振動激勵更明顯。另外，通常在設備選材料時，拉桿材料通常選擇高強合金鋼，其成本也相對較高。

圖4 單個預應力結構受力狀態圖Fig.4 Forced state of single pre-stressed structure

3 機架整體的簡化有限元分析

從單個預應力結構來講，其本身并不能提高結構的剛度，對于鋼管矯直機機架而言，由于其很難做成整體式機架，上下橫梁與8立柱的連接必不可少。不同的連接方式使得連接部位的夾緊狀態不一致，導致結構施加彎曲載荷時剛度變形有差別。通過對兩種機架類型分別加載不同預應力，分析預應力對于機架剛度的影響。

3.1 模型建立

鋼管矯直機為8立柱結構，由于其對稱結構，可以取其四分之一幾何模型進行分析，具體結構如圖5所示，X、Z界面為對稱面。由于下橫梁固定在基礎上，因此取消下橫梁計算，將立柱(拉桿)下底面全約束。上橫梁上兩個孔為矯直時承受矯直力的載荷面，按照最大載荷2.8 MN計算，對應一般正常載荷分布，中間孔承受載荷為側面孔承受載荷2倍。其中，中間孔位置通過參考點-面耦合綁定一個正Y方向載荷0.35 MN，側面孔同樣綁定一個相同載荷大小的耦合力，載荷最終作用到孔的側面。由于計算過程中結構始終處于彈性范圍內，所以材料統一取為屈服強度400 MPa，彈性模量210 GPa的理想彈塑性材料。兩種預應力結構模型的區別在于立柱部分，標準預應力結構中立柱為套筒，中間為拉桿，而短預應力結構中立柱為實芯圓柱。標準預應力結構在拉桿中間位置施加預應力，短預應力結構在立柱位于上橫梁孔中間的位置施加預應力。分別對兩種結構施加不同的預應力，分析結構中O點隨預應力值變化特征。

圖5 有限元分析幾何模型Fig.5 Geometric model of finite element analysis

3.2 結果分析

結構在給定載荷作用下會發生彎曲，彎曲最大點在中心孔位置，圖6所示為預應力為0.56 MN時，短預應力結構的縱向位移云圖。在施加預應力后立柱的孔內部分被壓縮，導致整個上橫梁有微量-Y方向位移，施加載荷之后，立柱受拉，使整個結構大部分位置產生+Y方向位移。

圖6 載荷0.56 MN時短預應力結構Y方向位移云圖Fig.6 Y direction displacement contour of short pre-stressed structure with 5.6MN load

分別對兩種結構施加預應力400 000 N、420 000 N、490 000 N、525 000 N、560 000 N、700 000 N，得到上橫梁最危險部位在施加預應力后的位移、施加載荷后的總位移以及預應力后產生的變形，預應力后產生的變形為施加載荷后的總位移與施加預應力后的位移之差，結果如表1、表2所示。

表1 標準預應力結構變形

表2 短預應力結構變形

從結構可以得出，在施加預應力后，隨著載荷的變大，橫梁伴隨著拉桿作用區的變短而產生向下的位移，且預應力越大，向下移動的位移越大，施加相同載荷后又使橫梁孔位置產生向上的位移，此時預先加載預應力預應力越大，則位移越小。在鋼管矯直機的實際使用中，我們關心的是加載預應力之后發生的變形，即表中的第三列，此組數值描述了機架承受載荷的彎曲撓度剛度，從兩個表中均可看出，預應力越大，發生的變形越小。對比兩種結構可以發現，短預應力結構比標準預應力結構發生的變形更小。

圖7所示為兩種結構隨預應力載荷變化的變形曲線，從圖中可以看到兩種結構變形均隨預應力增大而減小，在預應力小于0.56 MN時近似成正比例變化，而當預應力大于0.56 MN后，變形變化幅度變得極小。對于給定結構而言，預應力加載到0.56 MN即可，而預應力再加大對于結構剛度影響并不大。

分析結構的受力情況，上橫梁受到向上的兩個工作載荷，此兩個工作載荷傳遞到拉桿，而靠近中心孔位置的拉桿承擔載荷近似為中心孔處載荷與側面孔載荷的一半，即0.525 MN，由此可得出結論，施加預應力載荷為分擔到拉桿最大載荷的1.1～1.2倍即可。

圖7 上橫梁變形曲線Fig.7 Deformation curve of upper beam

4 結 論

(1)預應力結構并不能提高本身的剛度，也不能提高拉桿的抗疲勞性能，提高抗疲勞性能還是依賴于拉桿材料的選擇。

(2)對于稍大型的矯直機機架，由于制造及運輸限制，不能做成整體機架，必須有必要的連接措施，此時需要采用預應力結構。

(3) 短預應力結構相比于標準預應力結構而言抵抗彎曲變形的能力更好，建議采用短預應力結構。

[1] 顏永年, 俞新陸著.機械設計中的預應力結構[M]. 北京, 機械工業出版社，1989.

[2] 鄒家祥. 軋鋼機械[M]. 北京：機械工業出版社，2004:184.

[3] 楊固川.整機機架與預應力機架分析研究[J]. 冶金設備，2013, 4 (2): 33-34.

[4] 謝仕鴻, 聶海雄, 王效崗, 等. 預應力矯直機機架的有限元模擬和實測研究[J].太原科技大學學報. 2011,32(1):36-39.

[5] 陳長盛, 王強, 劉瑞峰，等. 螺栓連接對結構模態及傳遞特性影響研究[J]. 振動與沖擊. 2014,33(2):178-182.

[6] 陳欣，李俊峰，曾時金.斜輥矯直機鑄焊式機架橫梁的優化分析[J]. 鋼管.2013,42(1):71-74.

[7] 樸景威，王立萍，徐澤寧，等. 斜輥矯直機機架強度剛度有限元分析[J]. 機械設計與制造.2009(9):54-55.

[8] 丁玉偉. 斜輥管材矯直機機架的強度有限元分析[J].河北理工大學學報.2011,33(4):53-55.

[9] 王曉璐，田雅琴，黃慶學，等. 基于NASTRAN 矯直機機架的有限元分析[J].中國重型裝備.2011(3):25-27.

[10]張柏森，王長周，宋錦春. φ15～70mm 液壓管材矯直機機架工作狀態有 限元研究[J].冶金設備.2011,192(6):44-46.

Force characteristics of steel tube straightening machine frame andinfluence of initial pre-stress of the pull rod

MA Li-dong1,2, WANG Qin3, WANG Fei3

(1.Key Laboratory of Metallurgical equipment design theory and Technology of Shanxi Province,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;2.CISDI Chongqing Iron & Steelmaking Plant Integration Co.,Ltd., 401122;3.MCC CISDI Engineering Co.,Ltd., Chongqing 401122, China)

The characteristics of the bolt pre-stressed structure is analyzed, stress of pre-stressed rod is derived, show that single bolt pre-stressed structure itself does not improve the stiffness, also does not improve the bar stress fluctuation range, small and medium type frame structure should be used cautiously; with two mainstream rod structure of steel tube straightener, stiffness of house with different initial prestressing force is analyzed, the clamping effect of several pre-stressed rod on the upper beam can improve the stiffness of the whole machine structure, under the condition with the same pre-stressed load and the same house weight, short pre-stressed structure is better than standard pre-stressed structure.

frame structure; pre-stressed; rod; preload

2014-09-02；

2014-10-20

國家自然基金(51404160)；山西省自然基金(2014021025-1)；博士后啟動基金(20142012)；博士啟動基金(20102021)

馬立東(1980-)，男，太原科技大學博士，副教授，主要研究方向為矯直工藝及設備。

TG333

A

1001-196X(2015)01-0032-05