液壓機預應力框架預緊方式探討

衛凌云，張營杰，杜學斌，唐照環，梁舒婷

(1．金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

采用預應力結構的框架使液壓機具有很高的整體剛度，這種結構使得框架的抗側彎能力明顯增強、消除了設備承受偏心載荷時拉桿上附加的彎曲應力和變形，與此同時，降低了框架拉桿的應力波動幅值，提高了拉桿的疲勞強度，延長了拉桿的疲勞壽命。預應力框架結構是液壓機的先進技術，預應力技術在液壓機上的應用不僅提高了制品的質量，而且改善了拉桿的受力狀況。許多大、中型液壓機都采用了預應力框架，因此對框架預緊方法的研究就顯得尤為重要。

目前液壓機的預緊普遍采用超壓預緊、液壓拉伸預緊和加熱預緊三種方法。

1 預應力框架的結構

大多數液壓機采用了三梁四柱式結構，預應力框架的結構通常有四種型式:雙螺母式結構、螺母壓套式結構、錐臺式結構、錐套式結構。前兩種結構目前應用比較廣，錐臺式或錐套式結構對加工精度要求高，適用于小型液壓機，這里不再陳述。目前，中、小型液壓機普遍采用雙螺母式結構，大、中型液壓機普遍采用螺母壓套式結構。圖1為雙螺母式結構。

此預應力框架主要由梁Ⅰ (1)、拉桿 (2)、梁Ⅱ (3)及螺母 (4、5、6、7)組成，螺母共分四層。通過螺母將兩件梁和拉桿固定，構成一個整體框架。預緊段的長度為L。此結構中，預應力只是施加在與梁聯接的拉桿部分。

圖1 雙螺母式結構Fig.1 Double-nut structure

圖2為螺母壓套式結構，此預應力框架主要由梁Ⅰ(1)、拉桿2、壓套3、梁Ⅱ(4)及螺母5組成。壓套定位在梁Ⅰ和梁Ⅱ之間，拉桿安裝在兩件梁和壓套之中，通過螺母固定構成一個整體框架。拉桿預緊段的計算長度為L2，壓套預緊段的計算長度為L1。此結構中，預應力施加在拉桿的全長范圍內，因此也稱為全預應力框架。

圖2 螺母壓套式結構Fig.2 Nut pressing sleeve structure

由于預緊方式的不同，安裝的定位基準就不同。針對以上兩種結構，采用超壓預緊時，定位基準都是外側的螺母;采用液壓螺母預緊時，定位基準即為內側的螺母或壓套;采用加熱預緊時根據工藝要求安裝定位基準內外側均可，一般采用內基準。但不論采用何種預緊方式，在進行預緊前都要將螺母擰緊 (稱為冷預緊)，使螺母與梁端面緊密貼合。

2 預應力框架機理

所謂預應力框架，就是液壓機沒有工作的狀況下在框架內部已經存在預緊應力。在一般情況下，實際預緊應力應大于工作應力，這樣液壓機工作時螺母與梁之間始終存在著一定的應力，使框架保持為一個整體，增加了設備的整體剛度。

圖3為拉桿與連接件的受力變形圖，圖中曲線1表示液壓機工作時拉桿拉力的變化圖;斜線2表示拉桿受力變形圖;斜線3表示連接件受力變形圖;曲線4表示液壓機工作時拉桿總拉力的變化圖。

圖3 拉桿與連接件的受力變形圖Fig.3 Mechanical deformation of draw bar and connecting piece

由圖3可以看出，預應力框架中的預應力有以下作用:

(1)Qp為液壓機安裝后拉桿的預拉力，梁或壓套的預壓力。隨著液壓機工作壓力的提高，拉桿的拉應力逐漸增大，梁或壓套的壓應力隨著逐漸減少;

(2)液壓機滿負荷F工作時，在連接件內部還有Q′p的殘余預應力防止框架松動、增加框架的剛度。殘余預應力一般為滿負荷工作應力的0.1～0.25倍;

(3)液壓機滿負荷工作時，拉桿的周期性應力的幅度ΔF只有非預應力拉桿幅度的30%～60%;拉桿的伸長量Δλ為非預應力拉桿伸長量的20%～40%，大大提高了拉桿的抗疲勞性。

綜上所述，框架內的預應力提高了框架的剛度，最終有利于保證產品的質量。

不論那種預緊方式，在預緊前必須要確定螺母擰緊的弧長或墊板的厚度，需要計算拉桿和梁或壓套的預變形量，即λb和λm。參考文獻 ［1］中預變形量計算公式如下:

計算出λb和λm后，就可以確定螺母的旋轉弧長和增加的墊板厚度。

3 超壓預緊

超壓預緊采用設備自身的液壓系統，當機架安裝并經過冷預緊后，在總壓力超過公稱壓力的1.1～1.25倍的情況下使液壓機加載，以外側螺母為基準，立柱由于超載受到拉力作用，產生彈性伸長，立即把預先擰緊的內側螺母旋轉一定的角度或在梁內側與壓套之間增加一定厚度的墊板，達到預緊的目的。

預緊方法比較簡單，一般不需要其他輔助設備。預緊時間比較短，只要把液壓機的工作壓力提高到公稱壓力的1.1～1.25倍，擰轉內螺母或加墊板即可。

超壓預緊雖然簡單，但也存在缺點:預緊應力不夠大，由于密封和設備強度的影響，超壓預緊的壓力不會超過公稱壓力的1.1～1.25倍;超壓預緊時，梁和拉桿的撓性變形就會增大，往往需要提高工作梁及拉桿的強度，從而增加設備的成本;為了節約開支，超壓預緊時設備零部件的設計強度處于臨界狀態，降低了設備的安全性;設備的安裝精度難以保證，針對雙螺母式結構的液壓機一般以內側螺母為基準來調整立柱和兩個梁的垂直度和水平度，而超壓預緊是以外螺母為基準調整擰動內螺母，框架往往會產生傾斜現象。

錐臺式或錐套式結構的液壓機由于沒有內螺母而不適合采用超壓預緊進行預緊。

4 液壓拉伸預緊

液壓拉伸預緊實際上就是采用液壓拉伸器對拉桿直接施加外力，使拉桿在其彈性變形區被拉長，通過計算出的變形量數值確定拉伸油缸的壓力，達到壓力后，立即把預先擰緊的外側螺母旋轉一定的角度，達到預緊的目的。

4.1 液壓拉伸器的工作原理

液壓拉伸器一般由液壓泵、高壓軟管、壓力表和拉伸體組成。液壓泵主要提供壓力油源，壓力表反映液壓泵的輸出壓力值，高壓軟管用于連接液壓泵、壓力表和拉伸體。拉伸體是實現拉桿彈性伸長的執行元件，結構如圖4所示，主要由拉緊螺母1、活塞油缸2和支撐環3組成。

工作時，液壓泵輸出的壓力油進入活塞油缸，壓力油推動活塞油缸的活塞運動，帶動拉伸螺母向上移動，由于拉伸螺母與拉桿頭螺紋相連，從而拉伸拉桿，當壓力值達到設定壓力值時，擰動螺母4轉動一定角度滿足計算值后，活塞油缸泄壓，松開拉緊螺母，完成一個預緊工作。

圖4 拉伸體結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of tensile body structure

4.2 液壓拉伸預緊的優缺點

液壓拉伸預緊有一定的優勢，簡述如下:

液壓機液壓系統的設計壓力可以降低，只要滿足工作需要即可。

預緊時拉桿及連接件只承受拉力，沒有剪切力和側向力。

由于采用預拉伸，螺母與連接件沒有相對摩擦，不會損傷結合面。

雖然液壓拉伸預緊有一些優點，但也存在缺點:

拉桿頭部的設計需要與液壓拉伸器螺紋相匹配，且需要的拉桿長度將會加長。

隨著液壓機公稱壓力的提高，拉伸器的尺寸就相應加大，對安裝操作空間的需求就會越來越大。

對于全應力框架來說，液壓拉伸器的行程將難以滿足設計要求。

4.3 液壓拉伸預緊時的注意事項

拉伸器油缸屬于超高壓工況，使用時必須注意安全。

在預緊前首先要計算液壓泵的壓力，防止出現壓力過高超過拉桿或連接件的承受能力，拉桿或連接件出現塑性變形。

拉伸時液壓泵的輸出壓力應平穩加壓，以防出現過大的沖擊，影響預緊效果。

預緊時應時刻注意拉伸油缸的行程，不能超過油缸行程極限。

5 加熱預緊

加熱預緊是最常用的預緊方法，加熱的方法很多，一般有火焰加熱、電加熱、電阻絲加熱、感應圈加熱和過熱蒸汽加熱等。液壓機預應力框架預緊的加熱一般采用電阻絲加熱和過熱蒸汽加熱兩種，過熱蒸汽加熱的機理見參考文獻 ［1］，這里只描述電阻絲加熱。

5.1 電阻絲加熱原理

加熱預緊就是利用拉桿的受熱膨脹的原理，即:

式中，ΔL為拉桿溫度升高△T的伸長量，mm;L為拉桿原始溫度的計算長度，mm;α為材料的線膨脹系數，1/℃;ΔT為拉桿加熱后與常溫的溫度差，℃。

5.2 電阻絲加熱方案的確定

首先計算拉桿的總變形量:λ=λb+λm+c，考慮了一定的富余量c，將λ代入式 (1)，即可以計算出拉桿需要加熱升高的溫度

式中，T為拉桿需要加熱升高的溫度，℃;T室為室內溫度，℃。

其次計算加熱拉桿所需的熱量

式中，Q為加熱拉桿所需熱量，kJ;G為拉桿需要加熱的重量，kg;C材料的比熱，kJ/kg℃。

計算出熱量后，還要考慮加熱效率，就可以得出加熱需要的熱量。

最后計算加熱功率:

式中，P為加熱拉桿所需功率，kW;t為加熱拉桿的時間，考慮實際經驗在一個班完成，一般取8 h，即 28800 s。

根據計算出的功率值，選型電熱元件，確定加熱方案。

不論采用電阻絲加熱還是過熱蒸汽加熱進行預緊，拉桿都要加工內孔，保證加熱從拉桿內部開始。根據加熱特點，內部的溫度一定高于表面溫度，這樣只要檢測到拉桿表面溫度達到計算值，拉桿的伸長量就會到達預定值，這時立即把預先擰緊的外側螺母旋轉一定的角度，待立柱冷卻后，就會產生很大的預緊力，達到預緊的目的。

6 預緊方式對比及結論

表1為以上各種預緊方式的對比。

表1 預緊方式的對比Table 1 Contrast of pre-tightening modes

從表1可知，每種預緊方式都有各自的優勢，在確定時應統籌考慮。但不論采用何種預緊方式對拉桿進行預緊，都會在拉桿內部產生預應力，提高框架的剛度，增加設備的運行穩定性，最終提高產品的質量。

［1］ 杜學斌，衛凌云，聶揚江．擠壓機預應力框架的加熱預緊 ［J］．重型機械科技，2006(3):9－11．

［2］ 魏軍．金屬擠壓機 ［M］．北京:化學工業出版社，2006．

［3］ 成大先．機械設計手冊 ［M］．北京:化學工業出版社，1997．