預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”在重型多向模鍛壓機上的應用

王文杰，林 峰，張 磊，王 欣

（清華大學 機械工程系 先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”在重型多向模鍛壓機上的應用

王文杰，林 峰，張 磊，王 欣

（清華大學 機械工程系 先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

針對重型多向模鍛液壓機結構設計中存在結構獨立性與力學獨立性矛盾的問題，提出基于預應力鋼絲纏繞技術的多向模鍛“正交預緊機架”結構。40MN多向模鍛液壓機是世界上第一臺采用“正交預緊機架”結構的多向模鍛液壓機。本文以40MN多向模鍛液壓機為研究對象，運用ABAQUS有限元商業軟件對“正交預緊機架”進行有限元分析，并結合“正交預緊機架”的纏繞施工與工藝試驗，研究其在預緊狀態、工作狀態與合成狀態時的受力與變形狀況。結果證明：“正交預緊機架”結構具有剛度大、整體性好等優點，能夠滿足重型壓機設計要求，為液壓機結構設計與優化提供了重要參考價值。

液壓機；正交預緊機架；預應力；有限元分析；多向模鍛

多向模鍛又稱多柱塞模鍛，是一種精密優質、綠色環保的鍛造技術，它綜合了模鍛和擠壓的優點，克服了模鍛錘及其他老式鍛壓設備加工的局限性和生產、勞動條件差等一系列弱點；改變了一般鍛件敷料大、余量大、公差大的狀況，可加工出其他鍛壓方式無法或較難生產的形狀復雜的鍛件[1]。多向模鍛零件具有金屬流線連續，鍛件機械性能高；材料在強烈壓應力作用下變形，塑性提高，有利于鍛造溫度范圍窄的難變形合金成形；材料變形均勻，組織致密、性能一致性好等一系列優點[2]，是一種先進、精密、節能、省材的綠色制造技術[3，4]。但世界上萬噸以上的多向模鍛壓機數量有限，主要是美國卡麥隆（Cameron）公司分別于 1952年、1961年和 1967年建造的100MN、180MN和300MN三臺多向模鍛液壓機[5，6]。目前，Cameron公司的300MN多向模鍛液壓機是世界最大噸位的多向模鍛液壓機。其根本原因在于重型多向模鍛壓機的水平穿孔力或水平合模力對壓機水平機架的承載能力提出了更高要求，使壓機的設計與制造難度增大。

1 預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”結構

重型多向模鍛液壓機承載機架主要形式是獨立水平機架和整體機架，如圖1所示。

圖1 重型多向模鍛壓機承載機架結構形式

如圖1a所示，獨立水平機架的結構形式是垂直載荷Fv和水平載荷Fh分別有兩個互不干涉的機架承受，垂直機架承受垂直方向的一對壓制反力，臥式水平機架承受水平方向的一對壓制反力。如圖1b所示，整體機架結構形式是垂直載荷Fv和水平載荷Fh同時由一個承載結構承受，機構可以是預緊形式（如鋼絲纏繞、螺栓預緊等）或者是非預緊形式，但預緊力只產生于單一主方向上，其他方向無預緊力。分析可知，獨立水平機架克服了承載時力學上的獨立，但機架結構之間需要相互避讓，造成結構的相互干涉。整體機架克服了承載時結構的不干涉，但機架受力復雜，造成力疊加，在機架的立柱根部會產生應力集中（圖1b的A、B等處），力學上的獨立性無法保證，因此對機架所采用材料的強度要求高，最大噸位受到限制。綜上，重型多向模鍛液壓機承載結構設計的主要矛盾是：結構獨立性與力學獨立性不能同時滿足。

針對此問題，清華大學根據普通預應力鋼絲纏繞機架提出了預應力鋼絲纏繞正交預緊機架結構[7]，如圖2所示。預應力鋼絲纏繞結構是通過在機架外側纏繞鋼絲產生預緊力，與工作載荷產生的應力相互抵消，從而大大提高結構的承載能力[8-10]。鋼絲纏繞預緊是依靠柔性體鋼絲在圓弧表面包裹的面壓產生預緊力，如圖3所示。

圖2 兩種機架的對比

圖3 鋼絲纏繞預緊力計算

式中：q為鋼絲纏繞時在圓弧表面產生的面壓；T為鋼絲層所受張力；R為圓弧面半徑；P為等效預緊力，q沿圓弧面積分的合力就是鋼絲層對此圓弧面產生的等效預緊力P，方向沿該圓弧面的圓心角的角平分線。

重型多向模鍛液壓機在機架立柱設計中采用預應力剖分-坎合結構設計方法[11，12]。預應力鋼絲纏繞正交預緊機架由4個直段梁和4個圓弧梁構成，且直段梁的外輪廓與圓弧梁的外輪廓相切，4個圓弧梁圓心角總和為360°。鋼絲層在機架外輪廓上的直線部分時（直線部分曲率半徑趨近于無窮大），由式（1）可知，鋼絲層不對直線部分產生壓力，不產生預緊力；同理可知，在機架外輪廓的圓弧部分，鋼絲層改變了方向，對圓弧面產生面壓力。即在機架外輪廓圓弧段產生正交纏繞預緊力Ph與Pv，以平衡水平壓制載荷與垂直壓制載荷。此種結構既解決了機架承載應力相互疊加的問題，又解決了機架內部結構干涉的問題。

2 預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”有限元分析

40MN多向模鍛液壓機是世界上第一臺正交預緊機架結構的多向模鍛液壓機。本文以40MN多向模鍛壓機機架為例，采用有限元商業軟件ABAQUS對“正交預緊機架”預緊狀態與合成狀態時的剛度、整體性能進行分析。

2.140 MN多向模鍛壓機幾何模型

40MN多向模鍛液壓機機架總高為8.157m，水平橫向跨度為5.409m，機架總厚度為2.629m，預緊系數η為1.7，如圖4所示。

圖4 40MN多向模鍛液壓機結構示意圖

2.2 機架預緊狀態有限元分析

2.2.1 有限元模型

根據載荷與結構的對稱性，取機架的四分之一模型進行分析，對稱面如圖5所示。

圖5 預緊狀態下有限元模型

2.2.2 計算結果分析

如圖6所示為機架預緊后X方向與Y方向變形的位移結果。從圖6a可知，機架在總長范圍內最大撓度為0.8599mm，最大撓度變化量為 0.8599/8.157= 0.1054mm/m，與機架的總長相比，機架在預緊狀態時剛度性能較好；從圖6b可知，機架在Y方向上的壓縮量為3.308+0.4948=3.8028mm，與機架的總長相比，機架在預緊狀態時剛度性能較好；當機架的兩個牌坊在Y方向上壓縮量保持一致時，對機架的整體安裝（如上、下墊梁的安裝等）影響很小。

圖6 預緊狀態時機架位移（放大150倍）

有限元分析顯示機架預緊時各部件結合面上的預緊應力如圖7所示，在左上立柱與上拱形梁結合面A面上，預緊應力由內到外為-180MPa～-110MPa；左上立柱與左拱形梁的結合面B面上，預緊應力由內到外為-118MPa～-90MPa；左下立柱與左拱形梁的結合面C面上，預緊應力由內到外為-140MPa～-66MPa；左下立柱與下拱形梁結合面D面上，預緊應力由內到外為-60MPa～-85MPa，整個機架預緊時處于壓應力狀態，機架完整性較好。

圖7 預緊狀態機架結合面上的預應力

2.3 機架工作狀態有限元分析

預應力鋼絲纏繞機架工作狀態時的變形狀況直接關系到鍛件加工時的尺寸精度，是預應力鋼絲纏繞機架剛度的直接反映。

2.3.1 有限元模型

根據載荷與結構的對稱性，取正交預緊機架的四分之一模型進行分析，如圖8所示。

圖8 合成狀態機架有限元模型

2.3.2 計算結果分析

2.3.2.1 垂直加載狀態

垂直工作載荷單獨作用時，機架工作狀態下X、Y方向位移（放大200倍）如圖9所示。從圖9a可知，機架在總長范圍內最大撓度為2.307mm，即垂直工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為2.307/8.157=0.2828mm/m，與機架的總長相比，機架工作狀態垂直方向單獨加載時X方向剛度性能較好。從圖9b可知，機架Y方向位移總變形量為3.364-0=3.364mm，與機架總高相比位移變形量較小，剛度較好。由此可知，工作狀態下垂直載荷單獨作用時“正交預緊”機架剛度較好。

2.3.2.2 水平加載狀態

圖9 垂直工作載荷單獨作用X、Y方向位移

水平工作載荷單獨作用時，機架工作狀態下X、 Y方向位移（放大50倍）如圖10所示。從圖10a可知，機架在總高范圍內最大撓度為2.899mm，即水平工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為2.899/8.157=0.3554mm/m，與機架的總高相比，機架工作狀態水平工作載荷單獨加載時X方向剛度性能較好。從圖10b可知，機架e點與f點之間Y方向位移變形量為1.739-0=1.739mm?？芍c機架整體高度尺寸相比變形量較小。因此，水平工作載荷單獨作用時預應力鋼絲纏繞“正交預緊”機架剛度較好。

圖10 水平工作載荷單獨作用X、Y方向位移

2.3.2.3 垂直-水平聯合加載狀態

垂直-水平工作載荷聯合作用時，機架工作狀態下X、Y方向位移如圖11所示。從圖11a可知，機架在總高范圍內最大撓度值為0.5205mm，即垂直-水平工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為0.5205/8.157=0.0638mm/m，與機架的總高尺寸相比，機架在工作狀態垂直-水平工作載荷聯合加載時X方向剛度性能較好。從圖11b可知，機架e點與f點之間Y方向總位移變形量為2.508-0=2.508mm?？芍c機架整體高度尺寸相比變形量較小。因此，垂直-水平工作載荷聯合作用時“正交預緊”機架剛度較好。

圖11 垂直-水平工作載荷聯合作用X、Y方向位移

2.4 機架合成狀態有限元分析

機架在合成狀態（預緊狀態和工作狀態的疊加，反映了機架工作時的應力狀態）時，由于工作載荷的作用鋼絲層會產生額外拉伸張力。該拉伸張力與正交預緊機架工作時的剛度比密切相關，而剛度比可通過鋼絲圓周伸長有限元方法得到，進而得到機架合成狀態時三種載荷作用下鋼絲層對機架外輪廓各圓弧段的面壓力（如表1所示），從而考查預緊力鋼絲纏繞正交預緊機架的整體性。

表1 不同加載狀態下圓弧段面壓/MPa

2.4.1 有限元模型

根據載荷與結構的對稱性，取機架的四分之一模型進行分析，如圖12所示。

2.4.2 計算結果分析

2.4.2.1 垂直加載狀態

機架合成狀態垂直工作載荷單獨作用時Y方向應力如圖13所示。在右上立柱與上拱形梁結合面A面上，殘余預緊應力由內到外為-73MPa～-64MPa；右上立柱與右拱形梁的結合面B面上，殘余預緊應力由內到外為-53MPa～-19MPa；右下立柱與右拱形梁的結合面C面上，殘余預緊應力由內到外為-41MPa～-37MPa；右下立柱與下拱形梁結合面D面上，殘余預緊應力由內到外為-32MPa～-35MPa?？芍?，各個結合面上殘余預緊應力均為壓應力。機架結合面未出現開縫現象，因此垂直工作載荷單獨作用時預應力鋼絲纏繞“正交預緊”機架保持了良好的整體性。

2.4.2.2 水平加載狀態

水平工作載荷單獨作用時Y方向受力狀況如圖 14所示。在結合面A面上，殘余預緊應力由內到外為 -144MPa ～-98MPa；結合面B面上，殘余預緊應力由內到外為 -70MPa ～-60MPa；結合面C面上，殘余預緊應力由內到外為-82MPa～-49MPa；結合面D面上，殘余預緊應力由內到外為 -52MPa ～-56MPa?？芍?，各個部件結合面上的殘余預緊應力均為壓應力。因此，水平工作載荷單獨作用時預應力鋼絲纏繞“正交預緊”機架結合面未出現開縫現象，保持了良好的整體性。

2.4.2.3 垂直-水平聯合加載狀態

圖12 合成狀態機架有限元模型

圖13 垂直工作載荷單獨作用Y方向應力

圖14 水平工作載荷單獨作用Y方向應力

圖15 垂直-水平工作載荷聯合作用Y方向應力

機架合成狀態垂直-水平工作載荷聯合作用時Y方向受力如圖15所示。在結合面A面上，殘余預緊應力由內到外為-115MPa～-52MPa；結合面B面上，殘余預緊應力由內到外為-32MPa～-54MPa；結合面C面上，殘余預緊應力由內到外為-42MPa～-37MPa；結合面D面上，殘余預緊應力由內到外為-53MPa～-24MPa。可知，各個部件結合面上的殘余預緊應力均為壓應力，機架結合面未出現開縫現象，垂直-水平工作載荷聯合作用時預應力鋼絲纏繞“正交預緊”機架保持了良好的整體性。

總之，40MN多向模鍛液壓機機架采用預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”結構，且選取預緊系數1.7時，機架在預緊狀態、工作狀態與合成狀態都具有良好的剛度、整體性。因此，通過對40MN多向模鍛液壓機在預緊狀態、工作狀態與合成狀態的有限元分析表明：預應力鋼絲纏繞正交預緊機架這種承載結構完全可以滿足重型多向模鍛承載結構的使用需求。

3 應用與實踐

以40MN多向模鍛液壓機為研究對象，對“正交預緊機架”承載結構的纏繞施工過程進行探討。根據機架設計要求，40MN多向模鍛液壓機機架的纏繞施工主要已知條件如表2所示。

采用A型變張力的鋼絲纏繞工藝，并運用小臺階等張力纏繞計算的方法，可得到機架纏繞過程中鋼絲施工張力曲線，如圖16所示。

如圖17所示，在40MN多向模鍛壓機機架的鋼絲纏繞施工過程中，利用DH3816靜態應變測量系統，采用半橋接線溫度自補償方法每纏繞5層鋼絲進行一次機架預緊力測量，進而對整個機架的預緊力進行監測。此外，每纏繞5層鋼絲利用百分表對機架的壓縮變形和立柱撓度進行測量，進而對機架預緊狀態時的變形進行分析。

表2 機架預緊纏繞已知條件（單個牌坊）

圖16 鋼絲纏繞工藝理論張力與施工張力

圖17 40MN多向模鍛機架纏繞施工現場

圖18a為利用預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”研制的40MN多向模鍛液壓機。圖18b為40MN多向模鍛液壓機試鍛造出的DN80不銹鋼Z2CND17-1球閥球芯鍛件；圖18c為該壓機鍛造出的我國第一個3寸20#鋼電站閥體鍛件，閥門鍛件外形圓整，剖面上的金屬流線連續完整，沖擊韌性大大提高；圖18d為40MN多向模鍛液壓機為中核蘇閥試鍛的6寸20#鋼真空閥閥體鍛件，鍛件充型飽滿致密，尺寸準確。上述產品工藝壓制試驗表明，預應力鋼絲纏繞正交預緊機架在承受垂直與水平壓制載荷作用時，表現出了良好的機架完整性與承載性能，能夠滿足重型多向模鍛液壓機的使用需求。

圖18 40MN多向模鍛液壓機及其鍛件

4 結論

（1）針對重型多向模鍛壓機設計過程中存在的結構獨立性與力學獨立性問題，提出預應力鋼絲纏繞正交預緊機架承載結構。

（2）40MN多向模鍛液壓機機架在預緊狀態、工作狀態與合成狀態的有限元分析表明：機架整體X、Y方向位移變化量小，機架結合面未出現開縫現象，處于較強的壓應力狀態，因此預應力鋼絲纏繞正交預緊機架結構具有良好的剛度及整體性，可滿足多向模鍛壓機的使用要求。

（3）40MN多向模鍛液壓機機架纏繞施工與工藝試驗表明了預應力鋼絲纏繞正交預緊機架在設計、加工、制造、纏繞、安裝調試、生產過程中的可行性，是重型多向模鍛液壓機承載結構設計技術的突破，為發展我國多向模鍛制造這一節材、降耗、優質的綠色鍛造技術提供了裝備技術保證和難得的機遇。

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The application of pre-stressing wire-wound“orthogonal pre-load frame”to heavy multi-ram forging hydraulic press

WANG Wenjie,LIN Feng,ZHANG Lei,WANG Xin
（Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology of Ministry of Education, Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

Taking 40MN multi-ram forging hydraulic press an a research object in the text,the ABAQUS finite element commercial software has been adopted to perform the finite element analysis to the“orthogonal pre-load frame”;by combining the wire-wound construction and process experiment,its force and deformation conditions in the pre-load state, working state and the synthesis state have been studied.The results of simulation and experiment prove that the“orthogonal pre-load frame”structure has the advantages of large stiffness and excellent integrity,which can satisfy the design requirements and provide important reference for the design and optimization of hydraulic press structure.

Multi-ram forge;Pre-stressing;Orthogonal pre-load frame;Finite element analysis

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.001

1672-0121（2016）01-0007-06

2015－06－26；

2015－08－07

高檔數控機床與基礎制造裝備國家科技重大專項資助項目（2012ZX04010082）；國家863計劃資助項目（2012AA040202）

王文杰（1985-），男，博士在讀，主攻重型鍛壓設備設計研究。E-mail:Wangwenjiedlut@163.com