王麗薇 ，王曉磊 ，張 磊 ，孫德河 ，王玲玲

（1.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司，技術(shù)中心，天津 300452）

重型臥式鋁擠壓機(jī)是鋁擠壓技術(shù)領(lǐng)域的核心裝備，主要用于生產(chǎn)整體、大尺寸、薄壁、寬幅和高精度、高性能工業(yè)鋁材，對(duì)航空、航天、艦船和高鐵等國(guó)防和重大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)具有重要支撐作用。臥式鋁擠壓機(jī)通常采用預(yù)應(yīng)力框架作為擠壓工作載荷的承載結(jié)構(gòu)，其整體性對(duì)擠壓制品質(zhì)量有直接影響。臥式鋁擠壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架組成主要包括前梁、后梁、螺母和圓形張力柱，為保證框架整體性，需對(duì)處于前梁、后梁內(nèi)的張力柱實(shí)施加熱，而后靠人工強(qiáng)力預(yù)緊，此種結(jié)構(gòu)和預(yù)緊方式的弊端在于，隨著壓機(jī)服役時(shí)間增加，由于各接觸面的局部塑性變形、螺母松動(dòng)以及摩擦緩解等原因，圓形張力柱將成為框架的最薄弱環(huán)節(jié)，尤其是各接觸區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力突變，輕則導(dǎo)致框架承載時(shí)整體性不足，降低擠壓制品精度，重則致使張力柱發(fā)生疲勞斷裂，框架承載功能失效，危及壓機(jī)使用安全。隨著臥式鋁擠壓機(jī)噸位不斷增大，圓形張力柱在設(shè)計(jì)和制造方面同樣面臨極大挑戰(zhàn)，若采用較大直徑的圓形張力柱，張力柱應(yīng)力較低，但制造風(fēng)險(xiǎn)較高；若采用小直徑圓形張力柱，又會(huì)引起設(shè)計(jì)應(yīng)力超限，安全系數(shù)降低，因此，圓形張力柱設(shè)計(jì)和制造已成為制約預(yù)應(yīng)力框架承載能力提升的瓶頸問(wèn)題，亟待突破。為此，我公司在進(jìn)行重型臥式鋁擠壓機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，創(chuàng)建了疊板式張力柱設(shè)計(jì)和制造方法，研制了疊板式全預(yù)緊封閉框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 疊板式全預(yù)緊封閉框架

疊板式全預(yù)緊封閉框架結(jié)構(gòu)的主要特征是以疊板式張力柱代替圓形張力柱，采用前梁、后梁、方形壓套和疊板式張力柱的組合結(jié)構(gòu)，室溫下可控超高壓全預(yù)緊技術(shù)，對(duì)疊板式張力柱進(jìn)行全長(zhǎng)預(yù)緊，以確保方形壓套始終受壓，整個(gè)框架在擠壓全過(guò)程中各接觸面均處于無(wú)開(kāi)縫狀態(tài)，形成真正完全封閉的承載框架結(jié)構(gòu)，從而使壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)整體性得到根本性提高。本文基于某重型臥式鋁擠壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)建立分析模型，以論證疊板式全預(yù)緊封閉框架結(jié)構(gòu)的整體性，為同類(lèi)型鋁擠壓機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 理論分析

疊板式張力柱即疊板式“T”型鉤頭張力柱，因由多片鋼板疊合而成，亦稱(chēng)之為“疊板”，用疊板式“T”型鉤頭張力柱替代傳統(tǒng)圓形張力柱，如圖2所示，疊板厚度方向與框架平面彎曲受力方向一致，疊板厚度增加，抗彎變形能力亦會(huì)增大，而且單片鋼板厚度和總片數(shù)可自由調(diào)整和匹配，疊板長(zhǎng)度也可根據(jù)設(shè)計(jì)需要作自由選擇，尤其重要的是，各單片鋼板性能差異極小，分組組裝成疊板應(yīng)用于不同承載工況，相對(duì)壓機(jī)中心呈45°對(duì)稱(chēng)布置，各疊板組表現(xiàn)的整體性能和使用性能更趨一致性，而且疊板制造還具有短周期、低風(fēng)險(xiǎn)和不受大鍛件工藝條件限制等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖2 疊板式張力柱

疊板截面呈扁寬形狀，隨設(shè)備噸位力增加，疊板尺寸和重量亦增加，疊板組因自重產(chǎn)生的撓曲變形也將增大，當(dāng)變形增大到一定數(shù)值，若不采取措施，將會(huì)危及框架整體性和安全性。為此，提出了“疊板組撓曲變形預(yù)緊前校正”方法，即在預(yù)緊力施加前，對(duì)各疊板組施加初始拉力，使疊板組半圓鍵端面和壓套端面分別與前梁、后梁完全貼合，以及使各疊板組內(nèi)部組織應(yīng)力趨于均勻。在施加初始拉力過(guò)程中，按照理論計(jì)算，需分多次將疊板組拉伸至平直狀態(tài)，另外，考慮到前梁、后梁的上、下部分仍存在局部結(jié)構(gòu)差異，每次施加設(shè)定拉力后，都需要測(cè)出各疊板組拉伸量，并校核各疊板組拉伸量與平均伸長(zhǎng)量比值，此值必須滿足技術(shù)要求，同時(shí)，還需仔細(xì)測(cè)量和觀察前梁的實(shí)際位移量，以確認(rèn)對(duì)疊板組施加實(shí)際拉力與設(shè)定拉力一致。

疊板組安裝時(shí)，由前梁和后梁支撐，根據(jù)支座條件，可以將其簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，疊板自重即為梁自重，而梁自重可視為作用于梁上的均布載荷，由此，疊板自重產(chǎn)生撓曲變形即為梁的撓度，疊板自重?fù)锨冃稳鐖D3所示。對(duì)撓曲線近似微分方程積分可得撓曲線方程

圖3 疊板自重?fù)锨冃?/p>

在跨度中點(diǎn)，撓曲線切線斜率等于零，撓度最大值

式中：q為疊板承受均布載荷，l為疊板長(zhǎng)度，E為材料彈性模量，I為疊板中部截面慣性矩。

校正疊板組自重?fù)锨冃?，使疊板組恢復(fù)平直狀態(tài)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)疊板組施加初始拉力F0克服自重，梁彎曲變形轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)考慮軸向拉力和橫向力的“縱橫彎曲”變形，即有

引用記號(hào)

由 x=0、x=l/2 時(shí)，w=0，可推得

2 有限元分析

2.1 建模

疊板式全預(yù)緊封閉框架不僅要滿足最大擠壓工作載荷的承載要求，同時(shí)還要承載來(lái)自其上安裝的多個(gè)功能部件的自重載荷。隨設(shè)備噸位力增加，這些功能部件的自重載荷亦增加，若予以忽略，將使框架整體性評(píng)估產(chǎn)生嚴(yán)重偏差[9-12]。為此，建立了鋁擠壓機(jī)框架整體全接觸有限元分析模型，針對(duì)與框架存在接觸關(guān)系的所有部件，結(jié)合擠壓工藝和各部件特點(diǎn)，確定在框架承載最大擠壓工作載荷時(shí)各部件的具體位置，以建立高精確性的框架受力分析模型來(lái)獲取高準(zhǔn)確性的框架性能評(píng)估結(jié)果。

以某重型臥式鋁擠壓機(jī)為有限元分析對(duì)象，框架整體除前梁、后梁、壓套和疊板式張力柱等部件外，還包括主工作缸、側(cè)工作缸、鎖緊工作缸、主柱塞、擠壓梁和擠壓筒組件等。由于鋁擠壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)和載荷具有對(duì)稱(chēng)性，取壓機(jī)二分之一結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，如圖4所示。

圖4 框架整體全接觸有限元分析模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

為便于描述，將疊板式張力柱分組，即分為上側(cè)疊板組和下側(cè)疊板組，如圖5所示。

根據(jù)理論計(jì)算，先對(duì)疊板組施加24.3MN初始拉力，將疊板組自重?fù)锨冃涡Ｕ?，滿足撓度與疊板組長(zhǎng)度比值小于1/1000設(shè)計(jì)要求，而后再施加181.4MN預(yù)緊力。經(jīng)有限元計(jì)算，獲取最大擠壓工作載荷下疊板組變形狀態(tài)如圖6所示。由圖可知，疊板組內(nèi)各疊板變形趨于一致。

圖5 疊板組位置

圖6 疊板組變形

圖7 壓套與梁接觸狀態(tài)

與上側(cè)疊板組和下側(cè)疊板組相對(duì)應(yīng)，上壓套、下壓套與前梁、后梁的接觸狀態(tài)如圖7所示。由圖可知，上壓套、下壓套與前梁、后梁的全周接觸區(qū)域內(nèi)均未出現(xiàn)開(kāi)縫。另查結(jié)果顯示預(yù)緊完成時(shí)疊板拉伸變形7.73mm，壓套壓縮變形4.45mm，壓套與前梁、后梁結(jié)合面壓縮變形合計(jì)1.95mm。由此，疊板式“T”型鉤頭處半圓鍵下墊板厚度增加值為7.73+4.45+1.95=14.13mm。

3 結(jié)論

臥式鋁擠壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架承載能力提升長(zhǎng)期被圓形張力柱的設(shè)計(jì)和制造水平制約。以疊板式張力柱代替圓形張力柱，研制疊板式全預(yù)緊封閉框架結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于重型臥式鋁擠壓機(jī)開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。近些年，通過(guò)多臺(tái)套臥式鋁擠壓機(jī)工程應(yīng)用實(shí)踐證明，疊板式張力柱承載時(shí)一致性較好，疊板式全預(yù)緊封閉框架穩(wěn)定可靠，壓機(jī)擠壓制品精度高，因此，將疊板式張力柱設(shè)計(jì)制造方法應(yīng)用于重型臥式鋁擠壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，能夠有效提升預(yù)應(yīng)力框架承載能力、整體性和安全性，具有重要的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。