山东沈北数控机床有限公司欢迎您!  客服热线:13280489678
重型多向模锻液压机的主要结构

重型多向模锻液压机的主要结构

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-08-18 21:39    浏览量:

不同于上述模锻液压机,多向模锻液压机在承受巨大垂直压制载荷时,还要承受巨大的水平压制载荷,因此结构设计制造更加困难。传统结构的多向模锻液压机主要采用整体机架结构和独立水平机架结构两种形式(见图1)。整体机架结构是利用一个框架同时承受垂直方向压制载荷Fv和水平方向压制载荷Fh的结构形式。喀麦隆(Cameron)公司的180MN和300MN都采用该机架结构,其特点是结构简洁、垂直压制运动机构不受到水平压制机构或机架的影响。但在框架的立柱根部由于垂直载荷Fv和水平载荷Fh的联合作用,此处的应力会急剧增加。而且立柱内侧根部是典型的应力集中区域,又进一步加剧了此处的强度问题,导致机架的强度要求提高。因此,采用整体机架结构的多向模锻液压机都采用性能较好的厚钢板层叠结构。

多向模锻液压机的承载机架结构形式

a)整体机架结构 b)独立水平机架结构

独立水平机架结构(见图1b)是在只承受垂直方向压制载荷Fv的垂直机架基础上,增加一个水平机架来独立地承受水平方向压制载荷Fh。我国和Cameron公司的100MN都采用这一结构。其特点是水平载荷与垂直载荷分别由不同结构承载,不会造成应力的叠加,水平和垂直方向的压制能力可以非常接近。但由于工作区重叠,两个机架在工作区域(垂直压制的动梁与工作台之间)必须相互避让,水平机架的立柱需穿过或绕过垂直机架。尤其是当压机的垂直吨位增大,垂直机架和工作台也随之加大时,水平机架的设计难度会急剧增加。若水平机架绕过垂直机架,则水平机架的结构会变得非常庞大,而且会影响到垂直压制机构的布置和维护操作;若水平机架穿过垂直机架,则会严重削弱垂直机架(包括动梁和工作台),并影响水平机架的上下对称性,使水平机架处于严重的偏心受力状态。因此,采用独立水平机架结构的多向模锻液压机的吨位较小,一般在100MN左右;但其水平载荷Fh较大。

上述分析表明,重型多向模锻液压机的承载机架设计存在着受力合理性和结构合理性的矛盾。整体机架结构在垂直和水平压制结构上相互影响小,但垂直和水平压制载荷产生的应力会相互叠加。即满足了结构的独立性,但受力相互影响;独立水平机架结构则是垂直和水平压制载荷互不影响,但垂直和水平压制结构相互干涉、影响,即满足了受力的独立性,但结构相互干涉。

 

1.预应力钢丝缠绕正交预紧机架

为了克服多向承载结构的设计难题,基于预应力钢丝缠绕技术,提出了预应力钢丝缠绕正交预紧机架结构。即利用高强度预应力钢丝缠绕在多段圆弧和直线组成的整体机架外轮廓上,产生与多向压制载荷方向对应的预紧力,平衡多向载荷产生的应力,进而消除应力叠加对机架的不利影响和强度要求。

普通预应力钢丝缠绕机架如图2a所示。机架由上下半圆梁和两根立柱组成,构成由上下两段180°圆弧和两段直线组成的机架轮廓。预应力钢丝缠绕在机架外轮廓上,在圆弧段钢丝改变方向,对弧面产生压力,并随缠绕层的增多,压力逐渐增大。而圆弧上压力的合力就是钢丝缠绕产生的预紧力pv。对于普通预应力钢丝缠绕机架,其机架轮廓的圆弧集中在上下两端,因此钢丝缠绕的预紧力pv也就集中在上下两个位置,与机架所承受的压制力重合,一般沿垂直方向。这是预应力钢丝缠绕压机机架的典型结构,已大量应用于重型模锻压机、挤压机等重型液压机上。

而预应力钢丝缠绕正交预紧机架则是在普通预应力钢丝缠绕机架的基础上,将机架轮廓的圆弧分成4个段,分别置于压机结构的上下和两侧,圆弧之间则用立柱的直线连接(见图2b)。由于缠绕的钢丝在直线段不会产生预紧力,因此如图2b所示的机架轮廓可以将预应力钢丝缠绕产生的预紧力集中到上下和左右4个位置,构成垂直和水平两个正交方向的预紧力(pv和ph),与多向模锻需要的垂直和水平压制力(Fv和Fh)重合,并平衡压制载荷对机架的影响。

普通钢丝缠绕机架与正交预紧机架比较

a)普通预应力钢丝缠绕机架b)预应力钢丝缠绕正交预紧机架

由于采用预应力钢丝缠绕技术,正交预紧机架在垂直和水平方向上产生的预紧力能够分别达到多向模锻在垂直和水平方向上最大压制吨位的1.2~2倍,甚至更高。可以有效地保证整体机架在承受多向载荷单独或联合作用时的安全性。即使是在多向压制载荷引起应力叠加的区域,钢丝缠绕产生的预应力也足够大,不会出现拉应力。

由于有效克服了整体机架多向载荷相互影响、危险应力相互叠加的问题,同时预紧力的施加没有产生新的结构干涉或强度要求,因此可以说预应力钢丝缠绕正交预紧方案很好地解决了重型多向模锻液压机机架设计中受力合理性和结构合理性的矛盾,为多向模锻液压机设计提供了新的结构形式。

首台采用预应力钢丝缠绕正交预紧机架结构的40MN/64MN多向模锻液压机由清华大学联合中国二十二冶集团有限公司共同研制,于2010年7月31日热试成功,2012年投产一条高度自动化40MN/64MN多向模锻生产线。这2台设备规格相同,都采用60MPa泵直传液压系统。

2013年清华大学与中国二十二冶集团中冶京唐精密锻造有限公司又联合研制成功1台90MN/126MN多向模锻液压机(见图9-15b),并开始进行试生产。这是采用预应力钢丝缠绕正交预紧机架吨位最大的多向模锻液压机,为今后研制吨位更大的多向模锻液压机提供了非常重要的技术基础。

 

2.预应力钢丝的性能

随着预应力钢丝缠绕技术在重型模锻和挤压液压机上应用的优势逐渐展现出来,温度对预应力钢丝影响的问题越来越重要。虽然重型模锻液压机和挤压机的锻件温度达上千度,但由于锻件质量较小,而压机的体积和质量巨大,压机的散热表面积巨大,因此压机本体,特别是机架的温升并不明显。现场测量的结果也证明了模锻件的热辐射和通过模具、垫板、动梁的传热,不足以使巨大承载机架的温度升高。但仍有必要对常用的65Mn预应力钢丝的低温蠕变性能进行测量并对蠕变引起的预应力进行预估,以掌握这种钢丝的蠕变特点,正确对待锻造环境下的钢丝设计要求。

截面规格为1.5mm×5mm的65Mn钢丝采用如图3所示的蠕变试验机进行测量。试验机的上、下钢丝卡具用于夹紧钢丝试件,下卡具固定在本体结构上,上卡具与加载装置相连实现加载。加载装置利用砝码通过杠杆对钢丝施加恒定张力,并有测力传感器测量精确的钢丝张力。采用一套引伸装置对钢丝中间段800mm标距进行相对位移量的测量,以减小卡具对钢丝位移量的影响,并且避免了卡具附近钢丝的不均匀变化段。为提高测量精度,钢丝伸长量由两路位移传感器同时检测。采用加热带对钢丝标距段进行加热,经PT100测温,通过PID反馈控制系统实现自动控温。采用数显仪及智能温控仪分别对力、位移量、温度进行处理显示,并实现数据的自动存储记录。

该试验机额定载荷为1000kg,力传感器精度为0.2kg;位移传感器量程为10mm,精度为0.005mm;温度波动控制在±0.5℃的偏差范围内。

钢丝蠕变测量仪

预应力钢丝材料为65Mn冷轧回火态扁钢带,截面尺寸为1.5mm×5mm,抗拉强度Rm=1620MPa。考虑压机机架通常的工作温度,钢丝蠕变的温度范围为25~100℃。因65Mn材料的熔点温度Tm约为1673K,本文探讨的钢丝蠕变温度T<373K<0.3Tm,属于低温蠕变范畴。

 

3.恒应力下的温度影响

首先对钢丝在1044MPa的恒定拉应力下,研究温度对钢丝蠕变的影响,以确定钢丝的温度拐点。

测试开始时,试验机处于室温环境(约25℃)。待钢丝加载平稳后,维持载荷恒定,对位移传感器进行零点标定,开启钢丝加热电源同时开始记录。试验选取了7个温度水平,分别为常温、60℃、70℃、75℃、80℃、100℃、120℃。因钢丝加热达到温度稳定的时间很短,为消除钢丝热膨胀的影响,截取钢丝温度稳定达到试验温度的瞬时作为曲线起点,此后140h的钢丝伸长量如图9-17a所示。

由图4a。可以看到,加热开始后约20h内,钢丝的蠕变量迅速增加,即进入不稳定蠕变阶段。约100h后,钢丝的蠕变量变化很小,即进入了稳定蠕变阶段。

恒应力下温度对蠕变的影响曲线

a)不同温度下钢丝的蠕变应变量曲线 b)1044MPa下蠕变量随温度的变化

钢丝进入稳态蠕变状态的总应变增量Δε(包含钢丝热膨胀)随钢丝温度的变化如图4b所示。由图可见,随温度升高,总应变增量Δε增大;当温度低于75℃时,总应变量较小,小于500με;而当温度超过75℃时,应变量急剧增大,到80℃时即达到了1200με。因此,将75℃作为预应力钢丝防蠕变的最佳工作温度上限。

 

4.恒温下的应力影响

预应力钢丝上较高的应力是造成钢丝松弛或蠕变的重要原因。65Mn钢丝的抗拉强度约为1620MPa;钢丝缠绕张力的经验值约为700MPa,工作时上升至800MPa左右,不超过1000MPa。故试验取1000MPa附近区间的载荷水平进行研究,以确定钢丝的载荷拐点,为防蠕变设计提供依据。

选取对蠕变影响较大的80℃进行测量。试验由室温开始,待钢丝加载平稳后,维持载荷恒定,对位移传感器进行零点标定,开启钢丝加热电源同时开始记录。同样截取钢丝温度平稳达到试验温度的瞬时作为曲线起点,记录此后140h的钢丝伸长量。

试验选取了4个应力水平,分别为792MPa、900MPa、1044MPa、1188MPa,比较钢丝的蠕变应变量,如图5所示。由图5b可以看出,不同应力下,加热120h后,钢丝都进入了稳定蠕变状态。钢丝在小于900MPa载荷区间内蠕变量较小,而高于900MPa时蠕变量增大较快。故将钢丝80℃下的防蠕变许用应力设为900MPa。

 

5.温度循环的钢丝蠕变积累研究

经过上述测量,掌握了65Mn预应力钢丝单次加载、加热的蠕变规律。但考虑到重型模锻锻造和挤压机的工作具有周期性,钢丝的实际温度可能处于不断的周期循环状态。而每次的温度升高,是否都会产生新的蠕变,65Mn钢丝在不断的温度循环下蠕变量是否会累计,为了回答这些问题,有必要测量钢丝在循环温度下的蠕变应变量的变化规律,这对预应力钢丝缠绕结构的长期稳定十分重要。
恒温下应力对蠕变的影响曲线

a)不同应力下钢丝的蠕变应变量曲线 b)80℃下蠕变量随应力的变化

稳定蠕变阶段循环温度蠕变曲线

a)60℃ b)70℃ c)75℃ d)80℃

首先测量在稳定蠕变阶段下的温度循环影响。图6记录了加热180~700h随温度升降蠕变应变量的变化。试验选取了4个温度水平,分别为60℃、70℃、75℃和80℃,钢丝张力为1044MPa。由图可以发现钢丝冷却至室温后再次升温,钢丝应变量回复至降温前的水平,并仍处于稳定蠕变阶段,而且蠕变温度持续时间和室温持续时间对钢丝的蠕变速率及应变值都没有影响。

不稳定蠕变阶段循环温度蠕变曲线

图7则记录了在不稳定蠕变阶段,循环温度下的蠕变应变变化。钢丝温度由室温(约25℃)升至80℃,钢丝张力1044MPa。由图可知,即使在蠕变的不稳定阶段,钢丝冷却至室温后若再次升温,钢丝应变量回复至降温前的水平,并继续蠕变过程,而且蠕变温度的持续时间和室温的持续时间,对蠕变速率没有影响。

试验数据表明,重型模锻液压机或挤压机的工作循环所引起的钢丝温度循环无论是发生在钢丝蠕变的初期(不稳定蠕变阶段)还是发生在钢丝蠕变的稳定期,都不会改变钢丝蠕变的应变量和进程,不会造成钢丝蠕变应变的累积。

65Mn钢丝蠕变规律的测量说明预应力钢丝的蠕变主要发生在钢丝处于高温状态的初期(累计约100h),此后钢丝蠕变进入稳定期,蠕变量极小。由于钢丝工作温度处于低温蠕变温度段,不会进入蠕变的破坏阶段。因此,只要预应力钢丝缠绕结构在最初的工作阶段不发生结构松弛或预紧力不足,此后即可安全地工作,并具有长期稳定性。

 

6.钢丝蠕变对预应力结构的影响

钢丝蠕变后,预应力结构将丧失部分预紧力,其损失量与钢丝蠕变应变的变化量Krw和预紧结构的刚度比C有关。利用预应力结构的载荷-变形图可以帮助分析钢丝蠕变的影响,如图8所示。

预应力结构的载荷-变形图

对于预应力结构的载荷-变形图,图中A1B1是蠕变发生前预紧件(钢丝)的载荷-变形轨迹,CB1是被预紧件(立柱)的载荷-变形轨迹,B1点是蠕变发生前的预紧状态平衡点,而A1B1与CB1斜率的比值就是预紧结构的刚度比:

A1E为预紧件(钢丝层)的总伸长量,CE为被预紧件(立柱)的总压缩量。

当钢丝发生蠕变后,被预紧件(立柱)的载荷-变形特性不发生改变,其状态仍然处于CB1线上;而缠绕钢丝层则发生了蠕变,其变形增加而应力降低了。可以假设蠕变前后钢丝的弹性模量仍然保持不变,而原处于线弹性的变形有部分转变为永久变形,不承受任何载荷。因此蠕变后钢丝层的载荷-变形轨迹是与A1B1平行的A2B2,且A1A2为钢丝层的蠕变量ΔRw,其对应的预紧力下降为B1E1,且有

但预紧结构中被预紧件(立柱)的预紧压缩量得到部分释放,钢丝层又被撑长,其预紧力增加至新的平衡点B2点。B2点就是钢丝层蠕变后预紧结构新的预紧平衡点,而B1O的高度就是预紧结构预紧力的损失ΔPc。由图8可知:

将式代入式

则预紧结构的预紧损失相对量为

不失一般性,设钢丝层沿周长各处的钢丝应力相同,则钢丝层的总伸长量A1E=Lεcw;而缠绕钢丝层中温度可能升至蠕变温度的只有在工作台与动梁之间立柱段,设其长度为Lr,与钢丝周长比值为ξ,即Lr=ξL(ξ<1)。则钢丝层的稳定蠕变伸长量为A1A2=Lrεrw=ξLεrw。代入式,得预紧结构因钢丝蠕变引起的预紧力损失相对量为

根据模锻锻造液压机和挤压机钢丝缠绕机架的结构特点,一般ξ≤0.25,C=0.10~0.20。则对于某压机ξ=0.25、C=0.126,Krw=17.3%,则

由上面的计算可以看到,预应力钢丝缠绕结构因钢丝蠕变而造成的预应力损失一般小于4%。但前提是钢丝的温度不超过80℃,而

且受模具和工件热影响的范围不超过压机的最大闭合高度,小于钢丝层周长的25%。对于一般的重型模锻液压机、挤压机和自由锻液压机,由于机架结构大和表面积大、散热条件好,这两个条件都能得到满足。因此,无需采取特殊措施。

但在压机设计时对本体进行工作状态的温度场计算,验证钢丝层的升温情况还是有必要的。对于重要的压机,还可在钢丝层靠近模具的部位,预先埋入温度传感器,实时监测钢丝温度。

而对于那些不能满足上述两个条件的钢丝缠绕预应力结构,可采取在钢丝层内侧增加隔热层,在立柱内侧设置热辐射防护罩或防护链等措施加以防范。另外,可以通过适当提高预紧系数来弥补蠕变引起的预应力损失。假设需保证的最小预紧系数为η,蠕变引起的预应力损失量为Kr,则考虑补偿的预紧系数应提高到:

下一篇:没有了

相关新闻推荐

在线客服 :

服务热线:13280489678

电子邮箱: 675609587@qq.com

公司地址:山东省枣庄市滕州市经济开发区

Copyright © 2002-2020 山东沈北数控机床有限公司 版权所有--备案号:鲁ICP备20014639号-2