重型空心立柱热装预紧加热工艺参数设计

2019-02-20高文

重型机械 2019年1期

高文

(四川工业科技学院，四川德阳 618000)

0 前言

大型重载设备上空心立柱的热装预紧是保证产品质量必不可少的重要环书。根据材料的热胀冷缩性质，在装配位置就地加热立柱，使之升温而伸长至规定值，拧紧伸出在横梁外立柱上的螺母至一定收缩角的位置，利用立柱冷却后收缩产生应力，达到预紧的目的。该环节的核心问题是加热方案的设计和加热设备的研制。

西南某企业曾对KP125 MN热模锻压力机的立柱进行了加热预紧装配，当时经过分析估算，选择天然气燃烧的高速气流通过立柱内部进行加热，成功地解决了上述问题。本文就方案有关的加热参数计算问题，提出一种较为完整的设计方法，从热弹性力学和传热学角度确定了边界条件，对加热过程初始参数的选取进行了理论计算和分析探讨。并以KP125 MN热模锻压力机前立柱预紧为例，证明了计算方法的可行性。

1 数学模型的建立

重型空心立柱为空心圆柱体如图1所示。当利用热流体通过立柱内部对其实施均匀加热时，空心圆柱体内的应力分布与温度分布近似空间轴对称，且由于柱体的壁厚大的缘故，造成加热过程中内、外壁面存在较大的温度差，产生温度应力。故对于重型立柱加热问题，一方面保证柱体伸长至规定值，以备达到冷却预紧目的；另一个方面使温度应力在材料的许可应力范围之内，保证立柱不受破坏或变形，需对通过其中的热流量进行合理控制。

图1 拉紧螺杆示意图(括号内数据为后拉杆尺寸)

立柱的内、外壁面温差(Ta-Tb)依赖于传热边界条件，即热流体温度、速度、外壁的散热条件和加热时间。在理论计算时，建立的柱体内热传导方程和壁面与烟气间的对流换热方程中存在3个未知数Q、Ta和Tb，使方程组不封闭。基于空心立柱壁厚大，产生的温度应力较大的实际情况，提出建立轴对称温度应力方程，作为补充方程，使所求解方程组封闭。为此，提出部分假设。

(1)忽略变温对材料性能的影响，假设柱体以某一均匀温度加热，将其可简化为圆筒的轴对称温度场应力问题，根据热弹性力学位移解法的基本方程，用极坐标求解温度应力分布。

设内、外壁面r分别为R1、R2，内壁面增温为Ta，外壁面增温为Tb，在热稳定状态下，推导出应力分布表达式[1]

(1)

(2)

(3)

式中，σr、σθ、σz分别为圆柱体内的径向、周向、轴向温度应力；E为材料的弹性模量，ν为材料泊淞比，α为线膨胀系数。

分析式(1)～式(2)，温度应力仅与温度差(Ta-Tb)成正比,而与温度本身的绝对值基本无关，且轴向温度应力σz是周向温度应力σθ和径向温度应力σr之和，最大应力发生在内壁面，内壁面是危险面【1】。由于径向应力在内、外壁面处为零，故，在满足材料强度范围 ≤[σ]内

(4)

式中，[σ]为材料的许用应力。

(2)根据圆柱筒的导热规律，经热传导方程推导，在稳态下，通过柱体的热流量为

(5)

式中，λ为导热系数，L为圆柱体的长度。

(3)根据工程安装技术要求，把立柱均匀加热并伸长至规定值所需的已知温度视为柱体的单位截面积平均温度Tave

则

(6)

式(4)～式(6)为封闭方程组，联立可求解得Q、Ta和Tb。

2 加热方案设计及参数选择

KP125 MN热模锻压力机前立柱热装预紧技术要求和有关参数为螺纹牙形采用45°锯齿形，螺距为24 mm；材料：25CrMo，热处理调质硬度HB186 ～HB225；收缩性能：预紧力F要求为50 MN，收缩角φs为220°，均匀加热温度为125 ℃；即已知Tave=125 ℃。

对于这类大型立柱的加热，采用电加热、电弧加热等方法均不可取。故在进行热模锻压力机前立柱热装预紧方案设计中，选取高速调温烧嘴进行加热，利用燃烧天然气的高速气流通过其中心孔，采取对流换热方式传递热量，则可收到良好效果。

但是，由于高速燃烧气体在流动过程中烟温逐渐降低，造成内壁温度不均，引起向径向和轴向热传导，要直接计算求解较为困难。而在实际应用中较高温段伸长量相应大，较低温段伸长量相应小些。假设已知平均温度一定，总伸长量一定，则不论采用何种加热方式，在内外壁温差和平均温度控制下，当处于热稳态时，单位时间内通过柱体内的热流量相等。因此，对于利用燃烧天然气的高速气流加热问题，在计算温度应力时可采用上述数学模型，对这类轴对称结构弹性体简化为轴对称温度场平面应力问题，求得稳态下通过柱体壁面的热流量Q，保证立柱加热伸长至规定值的截面积上平均温度Tave。再根据高温烟气流动过程中的对流换热公式，设计选用高速调温烧嘴参数。