王文杰，林 峰，張 磊，王 欣

（清華大學(xué) 機械工程系 先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機架”在重型多向模鍛壓機上的應(yīng)用

王文杰，林 峰，張 磊，王 欣

（清華大學(xué) 機械工程系 先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

針對重型多向模鍛液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在結(jié)構(gòu)獨立性與力學(xué)獨立性矛盾的問題，提出基于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)的多向模鍛“正交預(yù)緊機架”結(jié)構(gòu)。40MN多向模鍛液壓機是世界上第一臺采用“正交預(yù)緊機架”結(jié)構(gòu)的多向模鍛液壓機。本文以40MN多向模鍛液壓機為研究對象，運用ABAQUS有限元商業(yè)軟件對“正交預(yù)緊機架”進行有限元分析，并結(jié)合“正交預(yù)緊機架”的纏繞施工與工藝試驗，研究其在預(yù)緊狀態(tài)、工作狀態(tài)與合成狀態(tài)時的受力與變形狀況。結(jié)果證明：“正交預(yù)緊機架”結(jié)構(gòu)具有剛度大、整體性好等優(yōu)點，能夠滿足重型壓機設(shè)計要求，為液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了重要參考價值。

液壓機；正交預(yù)緊機架；預(yù)應(yīng)力；有限元分析；多向模鍛

多向模鍛又稱多柱塞模鍛，是一種精密優(yōu)質(zhì)、綠色環(huán)保的鍛造技術(shù)，它綜合了模鍛和擠壓的優(yōu)點，克服了模鍛錘及其他老式鍛壓設(shè)備加工的局限性和生產(chǎn)、勞動條件差等一系列弱點；改變了一般鍛件敷料大、余量大、公差大的狀況，可加工出其他鍛壓方式無法或較難生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的鍛件[1]。多向模鍛零件具有金屬流線連續(xù)，鍛件機械性能高；材料在強烈壓應(yīng)力作用下變形，塑性提高，有利于鍛造溫度范圍窄的難變形合金成形；材料變形均勻，組織致密、性能一致性好等一系列優(yōu)點[2]，是一種先進、精密、節(jié)能、省材的綠色制造技術(shù)[3，4]。但世界上萬噸以上的多向模鍛壓機數(shù)量有限，主要是美國卡麥?。–ameron）公司分別于 1952年、1961年和 1967年建造的100MN、180MN和300MN三臺多向模鍛液壓機[5，6]。目前，Cameron公司的300MN多向模鍛液壓機是世界最大噸位的多向模鍛液壓機。其根本原因在于重型多向模鍛壓機的水平穿孔力或水平合模力對壓機水平機架的承載能力提出了更高要求，使壓機的設(shè)計與制造難度增大。

1 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機架”結(jié)構(gòu)

重型多向模鍛液壓機承載機架主要形式是獨立水平機架和整體機架，如圖1所示。

圖1 重型多向模鍛壓機承載機架結(jié)構(gòu)形式

如圖1a所示，獨立水平機架的結(jié)構(gòu)形式是垂直載荷Fv和水平載荷Fh分別有兩個互不干涉的機架承受，垂直機架承受垂直方向的一對壓制反力，臥式水平機架承受水平方向的一對壓制反力。如圖1b所示，整體機架結(jié)構(gòu)形式是垂直載荷Fv和水平載荷Fh同時由一個承載結(jié)構(gòu)承受，機構(gòu)可以是預(yù)緊形式（如鋼絲纏繞、螺栓預(yù)緊等）或者是非預(yù)緊形式，但預(yù)緊力只產(chǎn)生于單一主方向上，其他方向無預(yù)緊力。分析可知，獨立水平機架克服了承載時力學(xué)上的獨立，但機架結(jié)構(gòu)之間需要相互避讓，造成結(jié)構(gòu)的相互干涉。整體機架克服了承載時結(jié)構(gòu)的不干涉，但機架受力復(fù)雜，造成力疊加，在機架的立柱根部會產(chǎn)生應(yīng)力集中（圖1b的A、B等處），力學(xué)上的獨立性無法保證，因此對機架所采用材料的強度要求高，最大噸位受到限制。綜上，重型多向模鍛液壓機承載結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要矛盾是：結(jié)構(gòu)獨立性與力學(xué)獨立性不能同時滿足。

針對此問題，清華大學(xué)根據(jù)普通預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機架提出了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架結(jié)構(gòu)[7]，如圖2所示。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)是通過在機架外側(cè)纏繞鋼絲產(chǎn)生預(yù)緊力，與工作載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相互抵消，從而大大提高結(jié)構(gòu)的承載能力[8-10]。鋼絲纏繞預(yù)緊是依靠柔性體鋼絲在圓弧表面包裹的面壓產(chǎn)生預(yù)緊力，如圖3所示。

圖2 兩種機架的對比

圖3 鋼絲纏繞預(yù)緊力計算

式中：q為鋼絲纏繞時在圓弧表面產(chǎn)生的面壓；T為鋼絲層所受張力；R為圓弧面半徑；P為等效預(yù)緊力，q沿圓弧面積分的合力就是鋼絲層對此圓弧面產(chǎn)生的等效預(yù)緊力P，方向沿該圓弧面的圓心角的角平分線。

重型多向模鍛液壓機在機架立柱設(shè)計中采用預(yù)應(yīng)力剖分-坎合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[11，12]。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架由4個直段梁和4個圓弧梁構(gòu)成，且直段梁的外輪廓與圓弧梁的外輪廓相切，4個圓弧梁圓心角總和為360°。鋼絲層在機架外輪廓上的直線部分時（直線部分曲率半徑趨近于無窮大），由式（1）可知，鋼絲層不對直線部分產(chǎn)生壓力，不產(chǎn)生預(yù)緊力；同理可知，在機架外輪廓的圓弧部分，鋼絲層改變了方向，對圓弧面產(chǎn)生面壓力。即在機架外輪廓圓弧段產(chǎn)生正交纏繞預(yù)緊力Ph與Pv，以平衡水平壓制載荷與垂直壓制載荷。此種結(jié)構(gòu)既解決了機架承載應(yīng)力相互疊加的問題，又解決了機架內(nèi)部結(jié)構(gòu)干涉的問題。

2 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機架”有限元分析

40MN多向模鍛液壓機是世界上第一臺正交預(yù)緊機架結(jié)構(gòu)的多向模鍛液壓機。本文以40MN多向模鍛壓機機架為例，采用有限元商業(yè)軟件ABAQUS對“正交預(yù)緊機架”預(yù)緊狀態(tài)與合成狀態(tài)時的剛度、整體性能進行分析。

2.140 MN多向模鍛壓機幾何模型

40MN多向模鍛液壓機機架總高為8.157m，水平橫向跨度為5.409m，機架總厚度為2.629m，預(yù)緊系數(shù)η為1.7，如圖4所示。

圖4 40MN多向模鍛液壓機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機架預(yù)緊狀態(tài)有限元分析

2.2.1 有限元模型

根據(jù)載荷與結(jié)構(gòu)的對稱性，取機架的四分之一模型進行分析，對稱面如圖5所示。

圖5 預(yù)緊狀態(tài)下有限元模型

2.2.2 計算結(jié)果分析

如圖6所示為機架預(yù)緊后X方向與Y方向變形的位移結(jié)果。從圖6a可知，機架在總長范圍內(nèi)最大撓度為0.8599mm，最大撓度變化量為 0.8599/8.157= 0.1054mm/m，與機架的總長相比，機架在預(yù)緊狀態(tài)時剛度性能較好；從圖6b可知，機架在Y方向上的壓縮量為3.308+0.4948=3.8028mm，與機架的總長相比，機架在預(yù)緊狀態(tài)時剛度性能較好；當機架的兩個牌坊在Y方向上壓縮量保持一致時，對機架的整體安裝（如上、下墊梁的安裝等）影響很小。

圖6 預(yù)緊狀態(tài)時機架位移（放大150倍）

有限元分析顯示機架預(yù)緊時各部件結(jié)合面上的預(yù)緊應(yīng)力如圖7所示，在左上立柱與上拱形梁結(jié)合面A面上，預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-180MPa～-110MPa；左上立柱與左拱形梁的結(jié)合面B面上，預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-118MPa～-90MPa；左下立柱與左拱形梁的結(jié)合面C面上，預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-140MPa～-66MPa；左下立柱與下拱形梁結(jié)合面D面上，預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-60MPa～-85MPa，整個機架預(yù)緊時處于壓應(yīng)力狀態(tài)，機架完整性較好。

圖7 預(yù)緊狀態(tài)機架結(jié)合面上的預(yù)應(yīng)力

2.3 機架工作狀態(tài)有限元分析

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機架工作狀態(tài)時的變形狀況直接關(guān)系到鍛件加工時的尺寸精度，是預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機架剛度的直接反映。

2.3.1 有限元模型

根據(jù)載荷與結(jié)構(gòu)的對稱性，取正交預(yù)緊機架的四分之一模型進行分析，如圖8所示。

圖8 合成狀態(tài)機架有限元模型

2.3.2 計算結(jié)果分析

2.3.2.1 垂直加載狀態(tài)

垂直工作載荷單獨作用時，機架工作狀態(tài)下X、Y方向位移（放大200倍）如圖9所示。從圖9a可知，機架在總長范圍內(nèi)最大撓度為2.307mm，即垂直工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為2.307/8.157=0.2828mm/m，與機架的總長相比，機架工作狀態(tài)垂直方向單獨加載時X方向剛度性能較好。從圖9b可知，機架Y方向位移總變形量為3.364-0=3.364mm，與機架總高相比位移變形量較小，剛度較好。由此可知，工作狀態(tài)下垂直載荷單獨作用時“正交預(yù)緊”機架剛度較好。

2.3.2.2 水平加載狀態(tài)

圖9 垂直工作載荷單獨作用X、Y方向位移

水平工作載荷單獨作用時，機架工作狀態(tài)下X、 Y方向位移（放大50倍）如圖10所示。從圖10a可知，機架在總高范圍內(nèi)最大撓度為2.899mm，即水平工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為2.899/8.157=0.3554mm/m，與機架的總高相比，機架工作狀態(tài)水平工作載荷單獨加載時X方向剛度性能較好。從圖10b可知，機架e點與f點之間Y方向位移變形量為1.739-0=1.739mm?？芍?，與機架整體高度尺寸相比變形量較小。因此，水平工作載荷單獨作用時預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊”機架剛度較好。

圖10 水平工作載荷單獨作用X、Y方向位移

2.3.2.3 垂直-水平聯(lián)合加載狀態(tài)

垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用時，機架工作狀態(tài)下X、Y方向位移如圖11所示。從圖11a可知，機架在總高范圍內(nèi)最大撓度值為0.5205mm，即垂直-水平工作載荷單獨作用時機架水平方向最大撓度變化量為0.5205/8.157=0.0638mm/m，與機架的總高尺寸相比，機架在工作狀態(tài)垂直-水平工作載荷聯(lián)合加載時X方向剛度性能較好。從圖11b可知，機架e點與f點之間Y方向總位移變形量為2.508-0=2.508mm?？芍?，與機架整體高度尺寸相比變形量較小。因此，垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用時“正交預(yù)緊”機架剛度較好。

圖11 垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用X、Y方向位移

2.4 機架合成狀態(tài)有限元分析

機架在合成狀態(tài)（預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)的疊加，反映了機架工作時的應(yīng)力狀態(tài)）時，由于工作載荷的作用鋼絲層會產(chǎn)生額外拉伸張力。該拉伸張力與正交預(yù)緊機架工作時的剛度比密切相關(guān)，而剛度比可通過鋼絲圓周伸長有限元方法得到，進而得到機架合成狀態(tài)時三種載荷作用下鋼絲層對機架外輪廓各圓弧段的面壓力（如表1所示），從而考查預(yù)緊力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架的整體性。

表1 不同加載狀態(tài)下圓弧段面壓/MPa

2.4.1 有限元模型

根據(jù)載荷與結(jié)構(gòu)的對稱性，取機架的四分之一模型進行分析，如圖12所示。

2.4.2 計算結(jié)果分析

2.4.2.1 垂直加載狀態(tài)

機架合成狀態(tài)垂直工作載荷單獨作用時Y方向應(yīng)力如圖13所示。在右上立柱與上拱形梁結(jié)合面A面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-73MPa～-64MPa；右上立柱與右拱形梁的結(jié)合面B面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-53MPa～-19MPa；右下立柱與右拱形梁的結(jié)合面C面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-41MPa～-37MPa；右下立柱與下拱形梁結(jié)合面D面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-32MPa～-35MPa?？芍?，各個結(jié)合面上殘余預(yù)緊應(yīng)力均為壓應(yīng)力。機架結(jié)合面未出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，因此垂直工作載荷單獨作用時預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊”機架保持了良好的整體性。

2.4.2.2 水平加載狀態(tài)

水平工作載荷單獨作用時Y方向受力狀況如圖 14所示。在結(jié)合面A面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為 -144MPa ～-98MPa；結(jié)合面B面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為 -70MPa ～-60MPa；結(jié)合面C面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-82MPa～-49MPa；結(jié)合面D面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為 -52MPa ～-56MPa?？芍?，各個部件結(jié)合面上的殘余預(yù)緊應(yīng)力均為壓應(yīng)力。因此，水平工作載荷單獨作用時預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊”機架結(jié)合面未出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，保持了良好的整體性。

2.4.2.3 垂直-水平聯(lián)合加載狀態(tài)

圖12 合成狀態(tài)機架有限元模型

圖13 垂直工作載荷單獨作用Y方向應(yīng)力

圖14 水平工作載荷單獨作用Y方向應(yīng)力

圖15 垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用Y方向應(yīng)力

機架合成狀態(tài)垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用時Y方向受力如圖15所示。在結(jié)合面A面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-115MPa～-52MPa；結(jié)合面B面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-32MPa～-54MPa；結(jié)合面C面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-42MPa～-37MPa；結(jié)合面D面上，殘余預(yù)緊應(yīng)力由內(nèi)到外為-53MPa～-24MPa?？芍?，各個部件結(jié)合面上的殘余預(yù)緊應(yīng)力均為壓應(yīng)力，機架結(jié)合面未出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，垂直-水平工作載荷聯(lián)合作用時預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊”機架保持了良好的整體性。

總之，40MN多向模鍛液壓機機架采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機架”結(jié)構(gòu)，且選取預(yù)緊系數(shù)1.7時，機架在預(yù)緊狀態(tài)、工作狀態(tài)與合成狀態(tài)都具有良好的剛度、整體性。因此，通過對40MN多向模鍛液壓機在預(yù)緊狀態(tài)、工作狀態(tài)與合成狀態(tài)的有限元分析表明：預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架這種承載結(jié)構(gòu)完全可以滿足重型多向模鍛承載結(jié)構(gòu)的使用需求。

3 應(yīng)用與實踐

以40MN多向模鍛液壓機為研究對象，對“正交預(yù)緊機架”承載結(jié)構(gòu)的纏繞施工過程進行探討。根據(jù)機架設(shè)計要求，40MN多向模鍛液壓機機架的纏繞施工主要已知條件如表2所示。

采用A型變張力的鋼絲纏繞工藝，并運用小臺階等張力纏繞計算的方法，可得到機架纏繞過程中鋼絲施工張力曲線，如圖16所示。

如圖17所示，在40MN多向模鍛壓機機架的鋼絲纏繞施工過程中，利用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)，采用半橋接線溫度自補償方法每纏繞5層鋼絲進行一次機架預(yù)緊力測量，進而對整個機架的預(yù)緊力進行監(jiān)測。此外，每纏繞5層鋼絲利用百分表對機架的壓縮變形和立柱撓度進行測量，進而對機架預(yù)緊狀態(tài)時的變形進行分析。

表2 機架預(yù)緊纏繞已知條件（單個牌坊）

圖16 鋼絲纏繞工藝理論張力與施工張力

圖17 40MN多向模鍛機架纏繞施工現(xiàn)場

圖18a為利用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機架”研制的40MN多向模鍛液壓機。圖18b為40MN多向模鍛液壓機試鍛造出的DN80不銹鋼Z2CND17-1球閥球芯鍛件；圖18c為該壓機鍛造出的我國第一個3寸20#鋼電站閥體鍛件，閥門鍛件外形圓整，剖面上的金屬流線連續(xù)完整，沖擊韌性大大提高；圖18d為40MN多向模鍛液壓機為中核蘇閥試鍛的6寸20#鋼真空閥閥體鍛件，鍛件充型飽滿致密，尺寸準確。上述產(chǎn)品工藝壓制試驗表明，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架在承受垂直與水平壓制載荷作用時，表現(xiàn)出了良好的機架完整性與承載性能，能夠滿足重型多向模鍛液壓機的使用需求。

圖18 40MN多向模鍛液壓機及其鍛件

4 結(jié)論

（1）針對重型多向模鍛壓機設(shè)計過程中存在的結(jié)構(gòu)獨立性與力學(xué)獨立性問題，提出預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架承載結(jié)構(gòu)。

（2）40MN多向模鍛液壓機機架在預(yù)緊狀態(tài)、工作狀態(tài)與合成狀態(tài)的有限元分析表明：機架整體X、Y方向位移變化量小，機架結(jié)合面未出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，處于較強的壓應(yīng)力狀態(tài)，因此預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架結(jié)構(gòu)具有良好的剛度及整體性，可滿足多向模鍛壓機的使用要求。

（3）40MN多向模鍛液壓機機架纏繞施工與工藝試驗表明了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機架在設(shè)計、加工、制造、纏繞、安裝調(diào)試、生產(chǎn)過程中的可行性，是重型多向模鍛液壓機承載結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的突破，為發(fā)展我國多向模鍛制造這一節(jié)材、降耗、優(yōu)質(zhì)的綠色鍛造技術(shù)提供了裝備技術(shù)保證和難得的機遇。

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The application of pre-stressing wire-wound“orthogonal pre-load frame”to heavy multi-ram forging hydraulic press

WANG Wenjie,LIN Feng,ZHANG Lei,WANG Xin
（Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology of Ministry of Education, Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

Taking 40MN multi-ram forging hydraulic press an a research object in the text,the ABAQUS finite element commercial software has been adopted to perform the finite element analysis to the“orthogonal pre-load frame”;by combining the wire-wound construction and process experiment,its force and deformation conditions in the pre-load state, working state and the synthesis state have been studied.The results of simulation and experiment prove that the“orthogonal pre-load frame”structure has the advantages of large stiffness and excellent integrity,which can satisfy the design requirements and provide important reference for the design and optimization of hydraulic press structure.

Multi-ram forge;Pre-stressing;Orthogonal pre-load frame;Finite element analysis

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.001

1672-0121（2016）01-0007-06

2015－06－26；

2015－08－07

高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家科技重大專項資助項目（2012ZX04010082）；國家863計劃資助項目（2012AA040202）

王文杰（1985-），男，博士在讀，主攻重型鍛壓設(shè)備設(shè)計研究。E-mail:Wangwenjiedlut@163.com