重型锻造压机预应力框架预紧方法研究

2023-11-10柴星田怀前郝乐晏勇刘晓波侯永超李夏峰陈永甲

中国重型装备 2023年4期

柴星田怀前郝乐晏勇刘晓波侯永超李夏峰陈永甲

(1．中国重型机械研究院股份公司,陕西西安 710021;2．西南铝业(集团)有限责任公司,重庆 401326;3．国机重型装备集团有限公司,四川德阳 618000)

对于锻造压机而言,其生产过程整机框架受交变应力,众所周知,交变应力是产生疲劳破坏的重要因素之一,因此提高整体机架的刚度和降低整机框架受交变应力的变化幅度决定了该装备的使用寿命和生产产品的品质。就预紧方式来分类,大型压机预紧框架分为半预紧和全预紧,随着锻压装备技术的不断提高,现新装备的锻造压机框架均采取全预紧方式。

许多学者对大型锻造压机框架的预紧技术进行了大量的研究,刘明勇[1]结合有限元仿真研究了大型压机预紧力与机架刚度的关系,表明螺栓预紧力对大型压机的使用稳定性具有决定性作用;冯消冰等[2]对预应力碳纤维缠绕的压机框架进行了强度分析;王立军[3]对预应力组合框架进行了受力分析,研究了多拉杆组合预紧方法。众多学者研究的预紧方法各有不同,但均致力于降低压机在工作过程中拉杆应力的波动幅度,减小拉杆所受的交变应力,提高其抗疲劳能力,增大整机框架刚度,在提高压机使用寿命的同时还可以提高压机的锻造精度[4-7]。

1 整机框架的预紧方法

压机的整体框架全预紧方式一般采用超压预紧、加热预紧、钢丝缠绕预紧和液压拉伸器预紧四种办法,整体全预紧是在整机框架上施加1.25倍的公称压力[8-10]。

1.1 超压预紧

超压预紧是将钢块置于上下砧座之间,升高整机锻造压力,从而使得框架的拉杆产生弹性变形,上压时主缸与上横梁紧贴上螺母,螺母通过与拉杆的螺纹连接将其拔长,此时压套与上横梁之间出现间隙,将预紧垫板置入间隙后整机卸压,从而使得整机框架产生预紧力[11]。

该方法的优点是:无须使用单独的预紧设备,操作方法简单,预紧力控制准确,只需要在压机升压过程中超压即可,整机框架所需的预紧时间与其他方法相比最短。缺点是:整机超压要求压机有较大的安全系数,放大压机的设计安全系数,且超压对整个压机的液压系统要求更高,整个压机升压系统的闭环中,所有液压元件及管道的性能要求更高,无疑增加了整机的制造成本,同时超压预紧过程的安全风险也大。因此该预紧方式不受推崇。

1.2 加热预紧

加热预紧是从整机框架中的拉杆两端面中心钻孔,钻孔尺寸根据所使用的加热棒外径尺寸来定,将加热棒插入拉杆两端面的孔中,加热棒通过温度控制仪来统一控制加热速度,保证各拉杆均匀升温。拉杆随着温度的不断升高而伸长,当拉杆伸长后,将上螺母旋转至一定角度,该角度系根据上螺母螺距和每根拉杆预紧所需的伸长量经计算得出的角度值,所有螺母均旋转到位后同时停止加热,待拉杆自然冷却收缩后,框架随之预紧[12-14]。

该方法的优点是:操作较为便捷,对整个压机的液压系统无特殊要求,整机框架预紧过程相较于其他方法最为安全,拆机检修方便。缺点是:需要使用温度控制仪、每根拉杆须配置两根特制加热棒,拉杆加热时对升温速度的控制有特殊要求,另外在加热过程中,加热棒如果温度过高,容易使加热棒与拉杆接触的局部产生局部材料的表面退火,这对拉杆材料的均质性有不良的影响,同时加热棒损坏率较高,一般都需要多个备件,预紧力为理论计算值,与实际预紧力可能有一定偏差。该方法在大型压机的预紧也较为常用。

1.3 钢丝缠绕预紧

钢丝缠绕预紧是将上、下梁和承压柱平置于工作平台上,并将其预装后将精度调好,采用钢丝作为预紧件,把压机的上梁、承压柱和下梁反复缠绕,直至整机框架达到设计计算的预紧力[14]。

该方法的优点是:同等公称压力下的压机整机质量轻,其整机制造成本大幅降低,大型铸锻件如梁、承压柱的零件质量大幅减小,降低制造难度和成本,同时该整机框架结构更为简单。缺点是:需要配置特殊的钢丝缠绕设备,钢丝缠绕对作业场地有要求,抗蠕变性能与抗高温性能较差[2],较难在高温环境下长期稳定工作,且钢丝缠绕后的整体框架需要整体从水平方向提转至竖直方向,对现场起重装备和作业场地有特殊要求。该方法在大型冷压模锻设备上有一定应用。

1.4 液压拉伸器预紧

以三梁四柱结构压机为例,液压拉伸器预紧是使用专用的液压拉伸器,液压拉伸器的拉伸头与拉杆通过螺纹连接,把对角布置的拉杆同时进行拉伸拔长,将四根拉杆按对角布置为一组,分为两组,交叉拔长,每次拔长后都将整机框架中该组拉杆所对应的上螺母旋转同样角度,拔长过程一般为少量多次拔长,直到液压拉伸器达到每根拉杆的预紧压力,将上螺母旋转紧即可[15],液压拉伸器预紧方式如图1所示。

1—缸体;2—支撑筒;3—活塞;4—拉伸头;5—上螺母;6—拉杆;7—上梁。图1 液压拉伸器预紧方式示意图Figure 1 Pretightening method of hydraulic tensioner

该方法的优点是:液压拉伸器预紧与超压预紧一样控制准确,安全性要高于超压预紧,预紧力的控制准确性能高于加热预紧和钢丝缠绕预紧,对整个压机的液压系统无特殊要求,拉伸器可以重复使用,便于拆机维修。缺点是:需要使用液压拉伸器,操作过程较超压预紧相对复杂,预紧过程存在高空作业,因此作业环境要设防护栏等保护措施。该方法在中型压机应用较多,因其预紧力控制精准,且安全性相对较高,越来越多大型压机采用该种预紧方式。

2 整机框架液压拉伸器预紧数学模型建立

如图2所示,当液压拉伸器将四根拉杆分次拔长至C点时,分次旋紧各拉杆对应的上螺母进行预紧,每一个拉伸头的拉力达到Fy/4,此时整机框架的预紧力达到Fy,拉杆的变形量为εy,随后卸载液压拉伸器,在拉杆收缩时将被预紧件压套预紧,此时整机框架处于预紧平衡状态A点,拉杆的变形量为εp。当锻造压机工作时,拉杆的受力情况沿O1A方向随工作压力的增大而呈线性增长,压套受到的预紧力则沿着AO2随着工作压力的增大而呈线性减少,当锻造压机的工作压力达到额定压力Fg时,整机框架产生的变形量为εg,其中,拉杆的受力在平衡状态的基础上沿着AB方向增加的拉力值为Fl,其增加的变形量为εl;压套的受力在平衡状态的基础上沿着AD方向减少的预紧力值为Ft,其减少的变形量为εt;同时考虑到整机框架在全工作过程中均处于弹性变形,可以结合胡克定律,将框架整机变形建立模型,计算出液压拉伸器预紧框架所需要拔长拉杆的理论值,由此可得到:

图2 预应力框架受力与变形关系图Figure 2 Relation of force and deformation of the prestressed frame

Fg=Fl+Ft

式中,Fg是压机的额定压力(N);Fl是压机从预紧平衡状态达到额定压力时拉杆增加的拉力值(N);Ft是压机从预紧平衡状态达到额定压力时压套减少的预紧力值(N);εl是压机从预紧平衡状态达到额定压力时拉杆的变形量(mm);εt是压机从预紧平衡状态达到额定压力时压套的变形量(mm);Al是拉杆的横截面积(mm2);At是压套的横截面积(mm2)。

框架在完全预紧后,在工作过程中,即在图中AB段任何一点,可以等效理论拉杆动态变形量与压套动态变形量相同,则有

εl=εt

同时考虑到整机框架在全工作过程中均处于弹性变形,可以结合胡克定律,将框架整机变形建立模型,计算出液压拉伸器预紧框架所需要拔长拉杆的理论值,根据拉杆与压套的螺纹公称尺寸和螺距,可以计算出拉杆在被拔长后,上螺母拧紧所需的旋转角度与弧长,由此可得到:

n=360PΔS

式中,Al是拉杆的横截面积(mm2);ΔS是整机框架通过液压拉伸器预紧时所需要拔长的理论值(mm);Fy是液压拉伸器预紧整机框架所需的预紧力(N);S是拉杆的有效长度(mm);E是拉杆的弹性模量(MPa);n是液压拉伸器预紧整机框架时上螺母拧紧所需旋转的角度(°);P是拉杆与上螺母配合螺纹的螺距(mm);D是拉杆与上螺母配合螺纹的公称直径(mm);L是液压拉伸器预紧整机框架时上螺母拧紧所需旋转的弧长(mm)。

在锻造压机中整机框架预紧力Fy一般取压机额定压力的1.15～1.35倍之间,根据实际情况来定。以三梁四柱的压机为例,最大预紧力Fy选为压机额定压力Fg的1.25倍,有效拉伸长度大于等于一倍拉杆螺纹公称直径D;设计液压拉伸器预紧装置时要考虑有足够的操作空间,因此设计液压器的最大高度,应限定在一定范围内。

综上得出,整机框架在工作过程中所受为交变应力,工程应用上常用S-N疲劳曲线来评价机械零部件寿命,从图3中可以看出,在受交变应力的机械零件其所受名义应力与应力循环次数在107内呈反比,在交变应力的作用下,拉杆和压套所受交变应力的最大幅度为:0～Fl和0～Ft,拉杆和压套产生的最大变形量幅度分别为:0～εl和0～εt,显而易见,Fl和Ft远小于Fg,因此大幅提高整机框架的刚度和预紧件与被预紧件的寿命。

图3 受交变应力的机械零部件寿命预测S-N曲线Figure 3 S-N curve for life prediction of mechanical parts subject to alternating stress

3 有限元仿真计算实例

以60 MN重型锻造压机为例,根据图4所示的变量参数,建立60 MN重型锻造压机整机框架的三维模型,对整机框架进行液压拉伸器预紧有限元仿真计算,具体参数如表1所示。

图4 液压拉伸器预紧整机框架所需参数示意图Figure 4 The parameters required for pretightened press frame by hydraulic tensioner

表1 60 MN压机液压拔长机架拉杆参数Table 1 Tie rod parameters of hydraulically drawnhousing of 6000t press

根据以上参数,在SolidWorks软件中建立了重型锻造压机的三维模型后,导入Abaqus有限元分析软件,设置合理的边界条件和负载情况,对模型进行有限元分析,将分析结果进行后处理,液压拉伸器预紧后的整机框架整体应力分布如图5所示。可以看出,设备整体框架的应力分布的应力最大值点位于压套与机架相接触处,大小为205 MPa,远低于整机框架零部件材料的许用应力。由于整机框架处于交变应力的作用下,对照相应零件材料的疲劳寿命S-N曲线,其应力循环次数约为107,一般压机每天工作上压次数约为300～500次(取上限500次为计算依据),每年除去设备检修的工作时间约为250天,可以得出,该整机框架的理论工作寿命约在80年。

图5 液压拉伸器预紧后的整机框架整体应力分布Figure 5 Overall stress distribution of the press frame after being pretightened by the hydraulic tensioner

4 60 MN整机框架液压拉伸器预紧压机预紧

根据理论计算和有限元分析得到的良好结果,在60 MN重型锻造压机上进行液压拉伸器拉伸预紧工作,支撑环、油缸、拉伸头是分体结构,因此支撑环、油缸、拉伸头分别吊装就位,吊装时注意油缸进油管角度和支撑环缺口角度,便于连接油管和旋转螺母。将四根拉杆以对角为一组,分为两组,将百分表吸至活塞上,表头打在缸体上,进行校标工作后,将百分表调零,如图6所示。安装就位后,根据计算液压拉伸器拉伸至78.5 MPa,即每根拉杆可达到预紧力18.75 MN,计划分三段上压,第一段30 MPa,第二段50 MPa,第三段80 MPa。每升压一段,旋转螺母后,卸压,待压力表数值归零后,拔下快接插头,用接油盆将缸体中余下液压油接回,随后将液压拉伸器吊至对角拉杆处进行就位安装,对未预紧拉杆进行预紧工作;如此反复直至四根拉杆均预紧至18.75 MN。每升压一段对百分表数据进行记录,数据如表2所示。