大型擠壓機機架超壓預緊技術研究

陳永甲，張 君，侯永超，張萬福，周少凡，馮東曉

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.金屬擠壓與鍛壓裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032;3.安泰科技股份有限公司，北京 100081)

0 前言

目前擠壓機機架的預緊方式一般采用液壓拉伸預緊、加熱預緊和超壓預緊三種辦法。超壓預緊是在擠壓機機架上施加1.1～1.25倍的公稱擠壓力，拉桿受到拉力作用，產生彈性伸長，從而使壓套與后梁之間產生縫隙，按照計算和測量的厚度，在縫隙中塞入墊板，之后再卸載，使機架中產生預應力。該預緊方式的設備投資比較小，方法比較簡單，而且預緊時間比較短。

超壓預緊是擠壓機調試工作的第一步，只有在預緊合格的基礎上才能進行后續調試動作，才能保證運動部件的精度。擠壓機機架滿足了設備對精度、剛度和強度的要求，才能為后續動梁及擠壓筒中心的調整提供了可靠的保證。因此擠壓機機架預緊是擠壓機調試過程中非常重要的一環，預緊效果的好壞也直接決定了擠壓機的調試、壽命及精度等核心問題。

1 擠壓機機架預緊的原理

如圖1所示，擠壓機由前梁、后梁、拉桿螺母、拉桿、壓套等組成。125 MN擠壓機由圓柱形拉桿和受壓的壓套與前后梁用重達2.5 t的大螺母緊固成一個剛性的受力框架。擠壓機安裝好后，通過主側缸給機架施加預應力，其預緊系數為1.25，在壓套與后梁之間插入一定厚度的墊板，以保證擠壓機達到額定工作載荷125 MN時，壓套與后梁之間仍有剩余壓力。當四根拉桿總拉力達到156 MN時，后梁與壓套之間的剩余壓應力才能完全消除。拉桿一般用抗拉強度很高的材料制作，壓套則要求有較高的抗壓強度，其面積一般為拉桿截面積的1.25倍以上。為保證大型擠壓機的使用壽命，給機架施加預應力應使四個拉桿受力均勻。如圖2所示，當拉桿伸長到F點時，塞入墊板預緊，使預應力機架達到平衡狀態B點。當擠壓機工作載荷超過預緊力時，拉桿沿著O1B進一步被拉伸，拉伸變形增加，而壓套則沿著BO2減少壓縮變形(變形恢復)。當載荷增加到達額定的工作載荷P時(AC=P)，加載停止。此時，機架產生變形為E，小于非預應力機架的變形H。拉桿所受的拉伸載荷增加了P1，壓套的壓縮載荷減小了 P2，P1+P2=P，P1、P2都小于工作載荷P，并且

式中，E1為拉桿的彈性模量;A1為拉桿的截面積;E2為拉桿的彈性模量;A2為拉桿的截面積。

由于A2＞A1，即拉桿的剛度比壓套的小，因此 P2＞P1。

圖1 擠壓機結構Fig.1 Structure diagram of extrusion press

圖2 預應力機架拉桿壓套變形載荷圖Fig.2 Deformation and loading of pull-rod and pressure column of prestress frame

從圖2中可以看出，

(1)承受工作載荷時，拉桿的載荷波動小(從B點到A點)，雖然它的平均應力很高，因此疲勞破壞的可能性小;

(2)壓套始終處于受壓狀態(從B點到O2之間變化，只要工作載荷不超過1.25倍工作壓力)，壓應力狀態不易導致疲勞破壞;

(3)承受工作載荷時，拉桿的變形量E也小于預緊前變形量H。

所以預應力結構機架疲勞強度較高，不易疲勞破壞。

由于超壓預緊的擠壓力是直接作用在擠壓中心的，且四個拉桿的交點在擠壓中心，所以四個拉桿受力狀況完全一樣，其伸長量也完全相同，不會出現某個拉桿首先疲勞破壞的情況，有利于延長擠壓機使用壽命。

2 拉桿壓套受力與變形分析

對于工程中常用的金屬材料，當所受力在其彈性變形范圍內時，可以用胡克定律確定在一定壓力條件下金屬材料的伸長量。根據胡克定律，可以計算出墊板的厚度應為

式中，P為拉桿所受的拉力，N;l為拉桿的長度，mm;l為壓套長度加上前梁及后梁的厚度，mm;E為拉桿的彈性模量，MPa;A為拉桿的截面積，mm2。

125 MN擠壓機預緊時所受載荷取為156 MN，計算出塞入墊板的厚度應為9.82 mm。圖3為塞入墊板后拉桿壓套的計算應力應變圖。

圖3 125 MN擠壓機預緊后拉桿壓套應力應變圖Fig.3 Stress and strain of pull-rod and pressure column of pretightening 125MN extrusion press

2.1 拉桿與壓套的應力變化

從圖3可以看出，125 MN擠壓機在預緊完成后，拉桿壓套內始終存在有102.5 MN的預緊力，故當擠壓力從0～125 MN變化時，四根拉桿內共受拉力從102.5～147.5 MN變化，其應力變化幅值為30.5%。四根壓套共受的壓縮力的變化范圍從102.5～22.5 MN變化，其應力變化幅值是78.0%。可見，預應力機架擠壓機在工作壓力30 MPa時，拉桿周期性應力變化幅度只有非預應力拉桿周期性應力變化幅度的36%左右，從而大大提高了拉桿的抗疲勞強度。

2.2 拉桿與壓套的變形量

圖3中，當擠壓力從0～125 MN變化時，四根拉桿的伸長量變化在6.45～9.15 mm范圍內變化，其變形變化幅值為29.5%。而壓套的壓縮變形量變化在3.38～0.68 mm范圍內變化，其變形變化幅值為79.9%。擠壓力為公稱壓力125 MN時，拉桿和壓套的伸長和壓縮均是2.7 mm，即實際工作時前梁的最大位移量為不加預應力時拉桿伸長量的29.5%，拉桿、壓套及前梁變形量小，整個機架剛度較高。

3 超壓預緊力的調整與測定

125 MN擠壓機每根拉桿直徑達620 mm，質量達到38 t，由于拉桿是水平布置的，有一定的下垂度，安裝后螺母與前梁及后梁外側面貼合不嚴，所以在超壓預緊前，必須調整四根拉桿使其均勻伸長。為使四根拉桿在工作時受力均勻，螺母與前梁及后梁的端面緊密貼合，以及方便墊板塞入。在較低壓力下，測出每根拉桿的絕對伸長量，與拉桿的伸長量的計算值進行比較，采用擰緊相應螺母的方法反復糾正，使四根拉桿伸長量與理論伸長量的差值在0.05 mm以內。擰緊螺母時，要保證整體機架的垂直度，不得產生前傾或后仰現象。同時將壓套與前梁連接在一起，盡量將縫隙留在后梁與壓套之間，墊板塞入此縫隙。為塞墊板方便，墊板均做成中間剖分式的。表1為螺母調整之前的前梁位移值，實測值比計算值大很多，且不是呈線性變化的。

表1 未調整螺母之前的前梁位移值Tab.1 Displacement of front frame before adjusting nuts

螺母調整好之后，按工作壓力的1.25倍給機架施加的預緊力。但為了塞入墊板方便，必須要增加一定的縫隙。實際對125 MN壓機進行超壓預緊時，整個機架承受166 MN擠壓力，此時系統壓力為40 MPa，墊板塞入到后梁與壓套之間的縫隙，然后卸壓完成超壓預緊。圖4是125 MN擠壓機超壓預緊塞入墊板之后的圖形。

圖4 塞入墊板后圖Fig.4 Put plate in gap

3.1 拉桿伸長量的測定

在前梁垂直方向的中心貼上百分表，測量預緊后前梁在不同壓力下的位移量，即拉桿的伸長量及壓套的壓縮量，得到的數據見表2。測量值與計算值基本一致。

表2 預緊后前梁的位移值Tab.2 Displacement of pretightening front frame

3.2 壓套的波動

由于壓套的波動直接關系到動梁與擠壓筒的導向精度，而動梁及擠壓筒中心的偏離會影響制品精度，所以需要測量壓套的波動量。由于上壓套只是起輔助導向的作用，所以本文只是測量下壓套的波動量。在兩根下壓套上分別取靠近前梁側、靠近后梁側及壓套中段三個點。在壓套上方及外側貼上百分表，測量預緊前和預緊后在不同壓力時，下壓套在垂直方向和水平方向的波動量見表3、表4。圖5為壓套波動測量示意圖。

圖5 壓套波動測量圖Fig.5 Schematic sketch of measure pressure column fluctuation

表3 預緊前壓套波動量Tab.3 Fluctuation value of pressure column before unpretightening

表4 預緊后壓套的波動量Tab.4 Fluctuation value of pressure column after pretightening

因為在預緊前壓套是活動的，其垂直方向和水平方向的波動量非常大，從表3中可以看出，最大達到了+0.86 mm。而預緊后機架內預緊力的存在，壓套的波動量很小，只有+0.26 mm，是預緊前最大值的30.0%。從而提高了動梁和擠壓筒的導向精度，易于保證制品精度。

4 結論

(1)超壓預緊后拉桿應力變化幅度小，只有不預緊時拉桿應力變化幅度的36%，大大提高了拉桿的疲勞壽命。

(2)拉桿位移量即工作時前梁的位移量很小，為不加預應力時拉桿伸長量的29.5%，整體機架剛度高。

(3)壓套波動量小，保證了動梁和擠壓筒的導向精度，從而保證了制品精度。

［1］魏軍.金屬擠壓機［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［2］俞新陸.液壓機的設計和應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］衛凌云，張營杰，杜學斌.液壓機預緊力框架預緊方式探討［J］.重型機械，2012(3).

［4］金忠謀.材料力學(2版)［M］.北京，機械工業出版社，2008.

［5］段志東，蘇鐵明.組合機架的剛度分析和拉桿預緊力研究［J］.機械科學與技術，2009(4).

［6］成大先，機械設計手冊［M］.北京，化學工業出版社，2007.

［7］吳生富，金淼，聶紹珉，等.液壓機全預緊組合框架的整體性分析［J］.鍛壓技術，2006(3).

［8］吳鵬，聶紹珉.壓機組合框架結構的預緊參數優化［J］.塑性工程學報，2005(5).

［9］王立軍.預緊力組合框架的預緊及受力分析［J］.安徽冶金科技職業學院學報，2010(10).

［10］儲伯溫.100MN鋁擠壓機的設計制造與安裝調試［J］.有色金屬加工，2002(12).