预应力机架预紧力的设计计算研究

王冬梅，李 龙，胡晓龙

（1.沈阳新华印刷厂，辽宁 沈阳 110021；2.北方重工集团有限公司 设计研究院，辽宁 沈阳 110141）

1 前言

自由锻造压机的本体框架大多都采用全预应力的框架，其构成如图1所示。柱套位于上、下横梁之间，拉杆穿过上下横梁和柱套，通过预紧螺母构成一个整体框架。这种结构对于拉杆而言，无论压机是否工作都承受较大的应力，但是应力波动幅度小，拉杆的截面形状没有急剧变化；对柱套而言，主要承受锻造产生的弯矩和压应力，抗弯强度比较大，因此这种结构的抗疲劳性能比较好。柱套采用方形截面结构，与活动横梁的导向面可采用平面导向，导向间隙可调，大大提高了导向精度，承载的能力也得到加强。

尽管全预应力框架压机本体结构具有如此多的优点，但毕竟是由多个部件组合而成，能否使优点体现出来，保证本体机架的整体刚性，横梁和柱套之间不出现开缝，都取决于预紧力的选择和设计计算。预紧力选择的过小，保证不了压机的正常性能；选择过大，增大了柱套拉杆的结构尺寸，提高了制造成本，体现不出全预应力框架的优越性。选择合理的预紧力成为全预应力框架设计的关键。

现代设计手段多种多样，但都是对设计的框架结构进行验证和优化。传统的设计手段仍然是现代设计的基础，本文主要介绍用传统设计方法分析计算全预应力框架的预紧力。

图1 全预应力压机框架简图

2 预紧力的计算

预应力结构的变形载荷图如图2所示，它是预紧件（拉杆）的拉伸变形图（P—Δl坐标）和被预紧件（横梁、柱套）的压缩变形图（－P—Δz坐标）结合而成。

2.1 预紧系数的确定

由图1可见，Pz为预紧时拉杆受到的最大拉伸载荷，工作状态下拉杆受到的拉力不应超过Pz，否则柱套的压缩变形将全部恢复，横梁与柱套之间将出现开缝现象，这是不允许的。

式中：F——压机的公称锻造力；

z——预紧系数。一般情况下z取1.5～2，大型压机取小值，小型压机取大值。

预紧力Pj与公称锻造力的比值也经常作为设计的依据，Pj=z′F，z′称为相对预紧系数。一般情况下z′取 1.2～1.5。

图2 预应力结构的变形载荷图

对于大型压机，其工作状态更加符合85倍率的关系，即其工作范围一般处于20%～85%的公称力负荷状态。为了获取最合适性价比的压机，也可取z′为0.9～1。

2.2 拉杆柱套机构参数的确定

根据Pz初步确定拉杆的直径D：

式中：[σ]——拉杆材料的许用屈服极限。

由压机的整体要求、活动横梁、上下横梁的结构、导向面的结构和拉杆的结构尺寸可以初步确定柱套的结构尺寸，求得柱套的截面积，由材料可以获取柱套的性能参数。

2.3 预紧力的计算

由图2所示，Pj预紧完成后，预应力结构达到平衡状态，拉杆受到的拉力与柱套受到的压力大小相等，此时的力Pj称为预紧力。根据拉杆、柱套的结构尺寸（长度、截面积等）及材料特性可求得Pj大小：

式中：Cz——柱套的刚度系数；

Cl——拉杆的刚度系数。

式中：Ez、Az、lz——柱套的弹性模量、截面积、工作长度；

El、Al、Ll——拉杆的弹性模量、截面积、工作长度。

3 工作状态下拉杆柱套的变形校验

如图2所示，工作状态下承载工作载荷时，拉杆进一步受到拉伸，变形增加，柱套则减少压缩变形，当载荷增加到公称力F时，停止增加载荷，变形增加了δ，载荷增加了Fl，拉杆的交变载荷在0～Fl变化。增加的变形应与δ符合。

4 上横梁变形对预应力的影响

上述计算是在假定横梁绝对刚性不变形的情况下得到的。实际上绝对刚性的横梁是不存在的。由于柱套是一个体型结构，横梁的变形会影响柱套接触面的压力分布，内部的压力将变小甚至为零，出现内部开缝的情况，可以通过现代设计手段来验证，进一步优化预应力。

5 柱套与横梁接触结构对预应力的影响

柱套与横梁的接触面结构一般为平面接触，在偏载状态下柱套承受的锻造附加弯矩将有接触面的摩擦力来承受。由于工作时柱套受到的压力在逐渐减小，在锻造弯矩的作用下，柱套有外移的倾向，预应力的设计要考虑由此而引起的柱套位移。柱套与横梁的接触面还有插入式结构，即柱套的端部设计成圆柱面插入横梁中，下间隙配合。此种结构锻造产生的附加弯矩大部分作用在此配合面上，因此这种结构可减小预应力，可采用较小截面的拉杆和柱套。

6 结论

压机机架的强度计算是一个超静定问题，全预应力机架将承受拉弯状态的立柱一分为二，即承受压弯应力的柱套和承受纯拉力的拉杆，将超静定问题简化，用传统的计算方法就可初步确定压机机架结构，然后再利用有限元分析等现代手段验证机架的开缝情况，优化各部件的机构和预紧参数，使压机的设计更加合理，提高设备的应用性能。

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