預應力機架預緊力計算及應用

鄭奕平，陳 煒，楊偉國，王 曄，姜 虹

(杭鋼集團公司中型軋鋼廠，浙江 杭州 310022)

0 前言

為適應市場需求，杭鋼中軋廠新投產φ130七輥棒材矯直機。在設備調試試生產時，每次棒材咬入后，主機機架振動極大，傳動電機電流不穩，棒材矯直效果不盡人意。通過分析排查，認為機架預緊力不夠是主要原因。由于機架預緊力不夠，降低了機架內聯接的可靠性和緊密性，從而出現縫隙或發生相對滑移，都不利于機架整體穩定及設備使用。因此對機架預緊力進行計算校核，重新選擇預緊系數并進行預緊，以保證設備穩定運行。

1 預應力機架的基本結構

φ130七輥棒材矯直機預應力機架由上橫梁、下橫梁及5根立柱系統組成。上下橫梁采用鑄焊件，用來安裝輥縫調整的壓下壓上機構并承載矯直力，立柱系統由預緊拉桿，支承套、上下緊固螺母、預緊墊及液壓螺母組成(圖1)。拉桿采用材料為35CrMo，與上下橫梁形成預應力機架。液壓螺母通過預緊墊支撐預緊后，對拉桿和支承套產生作用，分別產生拉伸和壓縮變形，此時將上螺母鎖緊，則在機架內部產生預應力。

2 受力分析及計算

2.1 受力及變形分析

機架以下橫梁底面為準，下螺母進行定位。由于預緊時上下橫梁剛性大，變形很小，所以可以忽略。單根拉桿而言，在聯接緊密未預緊狀態時，各零件不受力變形，當通過液壓螺母，增加預應力Qp預緊立柱，立柱和支撐套分別產生拉伸變形λb和壓縮變形λm;當進入矯直狀態時，在彈性范圍內，立柱承受矯直力F，故所受拉力由Qp增至總拉力Q，伸長量增加Δλ，而支撐套壓縮量變小，壓縮量為= λm-Δλ，支撐套壓縮力由Qp減至殘余預緊力(見圖2)，圖中螺栓總拉力為Q，螺栓預緊力為Qp，殘余預緊力為與工作拉力為F。

圖1 機架及立柱系統圖紙Fig.1 Composition sketch of housing and support

圖2 立柱聯接受力變形圖線圖Fig.2 Stress and deformation of column joint

根據拉桿及支撐套截面進行剛度計算:

拉桿直徑d=210 mm，長度2 200 mm，E=210 000 GN/m2

支撐套外徑 D1=300 mm，內徑 D2=230 mm，長度1 500 mm，E=210 000

根據工藝要求及相應矯直力計算，矯直機上橫梁所承受的總的矯直力為4.5 MN，通過5根預應力拉桿將上下橫梁拉緊，單根拉桿所受矯直力F=900 000 N

將Cb、Cm、F代入式(1)

則 Qpmin=1 398 648 N

在機架承受范圍內，較大的預緊力更能增強聯接的可靠性和緊密性，有利于機架整體穩定，但預緊力必須滿足拉桿的強度要求。根據對拉桿受力分析，立柱最小截面為螺桿M140×6處，故該處為危險截面，通過對該面進行強度校核確定。

拉桿材料為 35CrMo，抗拉強度 σb=985 MPa，屈服強度σs=889MPa

螺紋聯接件的許用應力為［σ］=σs/n;n為安全系數，控制預緊力的緊聯接n選擇1.5。

(1)不確定信息刻畫方式對比 語義信息在刻畫并處理不確定決策信息方面具有突出的優勢，傳統的語義信息刻畫方式往往直接給出語義短語，如本文提出利用CFGJ刻畫不確定信息，如其CFGJ在刻畫豐富程度方面更有優勢。此外，對語義信息處理的傳統方式是將語義短語轉換為實數或模糊數進行處理，易造成信息的丟失；而CFGJ則轉換為PD-HFLTS進行處理，如對語義信息“”，“”，“”，“”集結得到“”，該方式能有效保留原始決策信息，其精確度更高。

而根據圖2，螺栓總拉力Q=Qp+ΔF

將Cb、Cm、F代入式(2)，A選M140×6截面積，以140 mm近似代入式(2)

則Qpmin=2 504 348 N

根據以上計算，需滿足

2.2 根據液壓螺母結構進行壓力確定

液壓螺母:油缸直徑360 mm，活塞直徑190 mm

最小預緊壓力

2.3 安裝精度影響

在考慮上下螺母聯接緊密狀態下選擇Pmin、Pmax。在設備現場，通過對各聯接面檢查，發現無預緊狀態時，各支撐套與上橫梁聯接面有不平狀況。由于施工現場條件限制，即使對立柱安裝面增設修配墊片，整體平面度檢驗存在0.2 mm誤差，故在預緊時同時需要考慮安裝偏差帶來的影響。由于聯接的緊密性要求，必須先消除該間隙。上橫梁剛性極大，不考慮其變形，故排除間隙值需將各支撐套壓緊變形0.2 mm，則聯接緊密。

設消除該間隙所需預緊力為F'

將數據帶入式(3)，計算得

相應預緊壓力

從式(3)看出，當修配后支撐套與下橫梁出現間隙越大，排除間隙所需預緊力也越大。而為提高機架整體強度，現設計時支撐套的剛度值往往選取比較高，一旦有間隙產生，需要進行間隙排除的力也將會非常高，故在設計制造過程中，需要加強對立柱及橫梁結合面的形位公差控制，并在安裝時進行詳細檢測，盡力消除間隙。

2.4 確定預緊壓力

根據以上計算，簡化將Pmin與P'值疊加作為最小預緊壓力P，為30.3 MPa，小于最大預緊力34.1 MPa要求，滿足強度要求。原安裝時機架液壓螺母預緊壓力為15 MPa，遠低于計算結果，故需要對機架重新進行預緊。根據現場施工條件狀況，確定預緊壓力32 MPa作為液壓螺母預緊壓力。

3 應用

通過計算校核后，重新進行施工。在對立柱安裝面進行修配，檢測，加墊后，對φ130七輥棒材矯直機機架重新進行了預緊，壓力升高至32 MPa后，旋緊上螺母固定。預緊后矯直機重新試運行，機架原有振動基本消失，矯直機過鋼時電流平穩，整機穩定性大為提高，通過試生產驗證，該預緊壓力選擇較為合適。

4 結語

選擇合適預緊力是預應力機架穩定運行的前提，本文主要針對棒材矯直機預應力機架預緊力進行了選擇計算。在不同工況狀態下，殘余預緊力的選擇將不同。而現場機架安裝精度也會對預緊力產生較大影響，計算時需要進行相應修正。同時，機架零件加工精度、材料機械性能等都會對機架預緊力選擇會產生影響，在精度要求較高時需要做進一步計算。

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