馬立東, 王 勤, 王 飛

(1.太原科技大學(xué) 山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024；2.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司, 重慶 401122；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

?

實(shí)驗(yàn)研究

鋼管矯直機(jī)機(jī)架受力特性及初始預(yù)應(yīng)力研究

馬立東1,2, 王 勤3, 王 飛3

(1.太原科技大學(xué) 山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024；2.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司, 重慶 401122；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

分析了螺栓式預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力拉桿的受力過(guò)程，證明了單個(gè)螺栓預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本身并不能提高拉桿的剛度，也不能改善拉桿應(yīng)力波動(dòng)范圍，中小型機(jī)架結(jié)構(gòu)中應(yīng)慎重使用；結(jié)合鋼管矯直機(jī)兩種主流的拉桿結(jié)構(gòu)，分析不同初始預(yù)應(yīng)力作用下機(jī)架的剛度，可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)多個(gè)預(yù)應(yīng)力拉桿對(duì)上橫梁的夾緊作用，可以提高整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度，而且在同等重量的情況下施加同等預(yù)應(yīng)力，短預(yù)應(yīng)力預(yù)緊的效果優(yōu)于拉桿全長(zhǎng)預(yù)緊效果。

機(jī)架；預(yù)應(yīng)力；拉桿結(jié)構(gòu)；預(yù)緊

0 前言

為保證產(chǎn)品最終精度，矯直機(jī)起著至關(guān)重要的作用，而機(jī)架剛度直接關(guān)系著產(chǎn)品在生產(chǎn)中工藝設(shè)定參數(shù)的有效性，通過(guò)科學(xué)研究機(jī)架剛度影響因素，能夠有效控制機(jī)架變形，并保證最終產(chǎn)品精度可控。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)已經(jīng)在軋鋼及鍛壓設(shè)備的機(jī)架中得到廣泛的應(yīng)用，學(xué)者們也對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。顏永年[1]系統(tǒng)的研究了螺栓式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形式、受力狀態(tài)、設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為螺栓式預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)能夠減小拉桿的載荷波動(dòng)，提高拉桿的抗疲勞強(qiáng)度。鄒家祥[2]認(rèn)為螺栓式預(yù)應(yīng)力比無(wú)預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)的機(jī)架剛度系數(shù)大。楊固川[3]分析了整體機(jī)架和預(yù)應(yīng)力機(jī)架的受力情況，認(rèn)為在機(jī)架外形尺寸、材料性能、材料重量成本相同條件下，兩種機(jī)架的剛度相同。謝仕鴻[4]通過(guò)有限元模擬的方法計(jì)算了預(yù)應(yīng)力矯直機(jī)機(jī)架的受力情況，并與測(cè)量值進(jìn)行了比較，結(jié)果一致。陳長(zhǎng)盛[5]通過(guò)有限元方法對(duì)螺栓預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，分析了不同預(yù)應(yīng)力值對(duì)設(shè)備固有頻率及傳遞響應(yīng)的影響。

1 鋼管矯直機(jī)機(jī)架基本機(jī)構(gòu)

典型六斜輥矯直機(jī)(2-2-2)的機(jī)架機(jī)構(gòu)(圖1)為8立柱、上橫梁、下橫梁組成的框架結(jié)構(gòu)。圖2所示為短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，承受預(yù)應(yīng)力的部分只是上橫梁孔位置處拉桿部分，支架主體為一實(shí)芯圓柱，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的鋼管矯直機(jī)大多采用了這一結(jié)構(gòu)，圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，整個(gè)拉桿均承受預(yù)應(yīng)力，支架由拉桿和立柱(套筒)共同組成，國(guó)外Bronx采用了這種結(jié)構(gòu)，且國(guó)內(nèi)制造的板帶矯直機(jī)、鋼板壓平機(jī)也是采用的這種結(jié)構(gòu)。大多數(shù)工程設(shè)計(jì)人員對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)存在誤解，認(rèn)為圖3所示預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能夠增加剛度，而事實(shí)并非完全如此。本文首先基于彈性力學(xué)基本原理對(duì)單個(gè)螺栓預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力狀態(tài)分析，然后通過(guò)有限元方法分析兩種典型矯直機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)受載荷情況下的剛度情況。

圖1 鋼管矯直機(jī)機(jī)架機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Structure of frame of the steel tube straightener

圖2 短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)Fig.2 Short pre-stressed structure

圖3 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)Fig.3 Standard pre-stressed structure

2 螺栓式預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)的受力分析

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力機(jī)架的立柱與拉桿的總面積與短預(yù)應(yīng)力的立柱部分的截面積一致，該兩種設(shè)備總重量一致，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力拉桿穿過(guò)上下橫梁和立柱時(shí)無(wú)間隙配合(間隙極小可忽略不計(jì))，螺母與拉桿預(yù)應(yīng)力為P0，機(jī)架受到的最大工作載荷為P，兩種類型機(jī)架的作用情況相同，且假設(shè)兩種類型。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力機(jī)架拉桿截面積F1，立柱截面積F2，總截面積為F，其中F1/F2=a，則

F1=Fa+1

F2=aFa+1

圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)拉桿受力圖，圖中OH為拉桿的彈性變形路徑，AB為立柱的彈性變形路徑(因?yàn)槭艿筋A(yù)應(yīng)力，開始即儲(chǔ)存應(yīng)力)，PAF即Py為事先加載預(yù)應(yīng)力，此時(shí)拉桿預(yù)先拉長(zhǎng)δOF，立柱被預(yù)先壓縮δEF，PCE即PZ為施加工作載荷，在該載荷施加的過(guò)程中，拉桿被繼續(xù)拉長(zhǎng)δAD，立柱釋放壓縮量δAD，此時(shí)工作載荷與拉桿繼續(xù)拉長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的力PCD以及立柱釋放的力PDE保持平衡。由胡克定律可知(鋼的彈性模量E基本一致)

δAD=PCDhF1E=PDEhF2E=(a+1)PCDhFE=(a+1)PCDhaFE

所以

PCDPDE=1a

又因?yàn)?/p>

PZ=PCD+PDE

所以

PZ=(a+1)PCD

由此得到

δAD=PZhFE

對(duì)應(yīng)短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其承受預(yù)應(yīng)力部分即拉桿對(duì)應(yīng)上橫梁孔內(nèi)部分與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力中拉桿在上橫梁孔內(nèi)部分受力狀態(tài)一致，所以只需比較上下橫梁之間部分受力情況。在承受工作載荷PZ情況下，實(shí)芯立柱的變形量為

δ=PZhFE=δAD

由此得出，兩種結(jié)構(gòu)在承受相同工作載荷情況下，變形量相同，即兩種結(jié)構(gòu)剛度一致。

再比較標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中拉桿和短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的立柱的應(yīng)力波動(dòng)情況，設(shè)兩個(gè)應(yīng)力波動(dòng)范圍分別為σ1和σ2。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中拉桿的應(yīng)力波動(dòng)范圍為

σ1=PCDF1=PZ/(a+1)F/(a+1)=PZF=σ2

因此，兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波動(dòng)范圍也一致，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，兩種結(jié)構(gòu)抵抗疲勞的性能也一致，而從應(yīng)力值的大小來(lái)看，拉桿上承受的力與實(shí)芯立柱承受的力一致，但是由于拉桿的截面積小，因此，拉桿上的應(yīng)力值將一直處于比較大的量值水平上，從材料的抗蠕變性能考慮，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗蠕變性能相對(duì)較差。其次，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中雖然拉桿與立柱之間的間隙很小，但是仍然存在間隙，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其振動(dòng)激勵(lì)更明顯。另外，通常在設(shè)備選材料時(shí)，拉桿材料通常選擇高強(qiáng)合金鋼，其成本也相對(duì)較高。

圖4 單個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)圖Fig.4 Forced state of single pre-stressed structure

3 機(jī)架整體的簡(jiǎn)化有限元分析

從單個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來(lái)講，其本身并不能提高結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)于鋼管矯直機(jī)機(jī)架而言，由于其很難做成整體式機(jī)架，上下橫梁與8立柱的連接必不可少。不同的連接方式使得連接部位的夾緊狀態(tài)不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)施加彎曲載荷時(shí)剛度變形有差別。通過(guò)對(duì)兩種機(jī)架類型分別加載不同預(yù)應(yīng)力，分析預(yù)應(yīng)力對(duì)于機(jī)架剛度的影響。

3.1 模型建立

鋼管矯直機(jī)為8立柱結(jié)構(gòu)，由于其對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以取其四分之一幾何模型進(jìn)行分析，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，X、Z界面為對(duì)稱面。由于下橫梁固定在基礎(chǔ)上，因此取消下橫梁計(jì)算，將立柱(拉桿)下底面全約束。上橫梁上兩個(gè)孔為矯直時(shí)承受矯直力的載荷面，按照最大載荷2.8 MN計(jì)算，對(duì)應(yīng)一般正常載荷分布，中間孔承受載荷為側(cè)面孔承受載荷2倍。其中，中間孔位置通過(guò)參考點(diǎn)-面耦合綁定一個(gè)正Y方向載荷0.35 MN，側(cè)面孔同樣綁定一個(gè)相同載荷大小的耦合力，載荷最終作用到孔的側(cè)面。由于計(jì)算過(guò)程中結(jié)構(gòu)始終處于彈性范圍內(nèi)，所以材料統(tǒng)一取為屈服強(qiáng)度400 MPa，彈性模量210 GPa的理想彈塑性材料。兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型的區(qū)別在于立柱部分，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中立柱為套筒，中間為拉桿，而短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中立柱為實(shí)芯圓柱。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在拉桿中間位置施加預(yù)應(yīng)力，短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在立柱位于上橫梁孔中間的位置施加預(yù)應(yīng)力。分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)施加不同的預(yù)應(yīng)力，分析結(jié)構(gòu)中O點(diǎn)隨預(yù)應(yīng)力值變化特征。

圖5 有限元分析幾何模型Fig.5 Geometric model of finite element analysis

3.2 結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)在給定載荷作用下會(huì)發(fā)生彎曲，彎曲最大點(diǎn)在中心孔位置，圖6所示為預(yù)應(yīng)力為0.56 MN時(shí)，短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的縱向位移云圖。在施加預(yù)應(yīng)力后立柱的孔內(nèi)部分被壓縮，導(dǎo)致整個(gè)上橫梁有微量-Y方向位移，施加載荷之后，立柱受拉，使整個(gè)結(jié)構(gòu)大部分位置產(chǎn)生+Y方向位移。

圖6 載荷0.56 MN時(shí)短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)Y方向位移云圖Fig.6 Y direction displacement contour of short pre-stressed structure with 5.6MN load

分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力400 000 N、420 000 N、490 000 N、525 000 N、560 000 N、700 000 N，得到上橫梁最危險(xiǎn)部位在施加預(yù)應(yīng)力后的位移、施加載荷后的總位移以及預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生的變形，預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生的變形為施加載荷后的總位移與施加預(yù)應(yīng)力后的位移之差，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)變形

表2 短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)變形

從結(jié)構(gòu)可以得出，在施加預(yù)應(yīng)力后，隨著載荷的變大，橫梁伴隨著拉桿作用區(qū)的變短而產(chǎn)生向下的位移，且預(yù)應(yīng)力越大，向下移動(dòng)的位移越大，施加相同載荷后又使橫梁孔位置產(chǎn)生向上的位移，此時(shí)預(yù)先加載預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力越大，則位移越小。在鋼管矯直機(jī)的實(shí)際使用中，我們關(guān)心的是加載預(yù)應(yīng)力之后發(fā)生的變形，即表中的第三列，此組數(shù)值描述了機(jī)架承受載荷的彎曲撓度剛度，從兩個(gè)表中均可看出，預(yù)應(yīng)力越大，發(fā)生的變形越小。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)比標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形更小。

圖7所示為兩種結(jié)構(gòu)隨預(yù)應(yīng)力載荷變化的變形曲線，從圖中可以看到兩種結(jié)構(gòu)變形均隨預(yù)應(yīng)力增大而減小，在預(yù)應(yīng)力小于0.56 MN時(shí)近似成正比例變化，而當(dāng)預(yù)應(yīng)力大于0.56 MN后，變形變化幅度變得極小。對(duì)于給定結(jié)構(gòu)而言，預(yù)應(yīng)力加載到0.56 MN即可，而預(yù)應(yīng)力再加大對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度影響并不大。

分析結(jié)構(gòu)的受力情況，上橫梁受到向上的兩個(gè)工作載荷，此兩個(gè)工作載荷傳遞到拉桿，而靠近中心孔位置的拉桿承擔(dān)載荷近似為中心孔處載荷與側(cè)面孔載荷的一半，即0.525 MN，由此可得出結(jié)論，施加預(yù)應(yīng)力載荷為分擔(dān)到拉桿最大載荷的1.1～1.2倍即可。

圖7 上橫梁變形曲線Fig.7 Deformation curve of upper beam

4 結(jié) 論

(1)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)并不能提高本身的剛度，也不能提高拉桿的抗疲勞性能，提高抗疲勞性能還是依賴于拉桿材料的選擇。

(2)對(duì)于稍大型的矯直機(jī)機(jī)架，由于制造及運(yùn)輸限制，不能做成整體機(jī)架，必須有必要的連接措施，此時(shí)需要采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

(3) 短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比于標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)而言抵抗彎曲變形的能力更好，建議采用短預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

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Force characteristics of steel tube straightening machine frame andinfluence of initial pre-stress of the pull rod

MA Li-dong1,2, WANG Qin3, WANG Fei3

(1.Key Laboratory of Metallurgical equipment design theory and Technology of Shanxi Province,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;2.CISDI Chongqing Iron & Steelmaking Plant Integration Co.,Ltd., 401122;3.MCC CISDI Engineering Co.,Ltd., Chongqing 401122, China)

The characteristics of the bolt pre-stressed structure is analyzed, stress of pre-stressed rod is derived, show that single bolt pre-stressed structure itself does not improve the stiffness, also does not improve the bar stress fluctuation range, small and medium type frame structure should be used cautiously; with two mainstream rod structure of steel tube straightener, stiffness of house with different initial prestressing force is analyzed, the clamping effect of several pre-stressed rod on the upper beam can improve the stiffness of the whole machine structure, under the condition with the same pre-stressed load and the same house weight, short pre-stressed structure is better than standard pre-stressed structure.

frame structure; pre-stressed; rod; preload

2014-09-02；

2014-10-20

國(guó)家自然基金(51404160)；山西省自然基金(2014021025-1)；博士后啟動(dòng)基金(20142012)；博士啟動(dòng)基金(20102021)

馬立東(1980-)，男，太原科技大學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)槌C直工藝及設(shè)備。

TG333

A

1001-196X(2015)01-0032-05