大型挤压机机架超压预紧技术研究

陈永甲，张 君，侯永超，张万福，周少凡，冯东晓

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.金属挤压与锻压装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032;3.安泰科技股份有限公司，北京 100081)

0 前言

目前挤压机机架的预紧方式一般采用液压拉伸预紧、加热预紧和超压预紧三种办法。超压预紧是在挤压机机架上施加1.1～1.25倍的公称挤压力，拉杆受到拉力作用，产生弹性伸长，从而使压套与后梁之间产生缝隙，按照计算和测量的厚度，在缝隙中塞入垫板，之后再卸载，使机架中产生预应力。该预紧方式的设备投资比较小，方法比较简单，而且预紧时间比较短。

超压预紧是挤压机调试工作的第一步，只有在预紧合格的基础上才能进行后续调试动作，才能保证运动部件的精度。挤压机机架满足了设备对精度、刚度和强度的要求，才能为后续动梁及挤压筒中心的调整提供了可靠的保证。因此挤压机机架预紧是挤压机调试过程中非常重要的一环，预紧效果的好坏也直接决定了挤压机的调试、寿命及精度等核心问题。

1 挤压机机架预紧的原理

如图1所示，挤压机由前梁、后梁、拉杆螺母、拉杆、压套等组成。125 MN挤压机由圆柱形拉杆和受压的压套与前后梁用重达2.5 t的大螺母紧固成一个刚性的受力框架。挤压机安装好后，通过主侧缸给机架施加预应力，其预紧系数为1.25，在压套与后梁之间插入一定厚度的垫板，以保证挤压机达到额定工作载荷125 MN时，压套与后梁之间仍有剩余压力。当四根拉杆总拉力达到156 MN时，后梁与压套之间的剩余压应力才能完全消除。拉杆一般用抗拉强度很高的材料制作，压套则要求有较高的抗压强度，其面积一般为拉杆截面积的1.25倍以上。为保证大型挤压机的使用寿命，给机架施加预应力应使四个拉杆受力均匀。如图2所示，当拉杆伸长到F点时，塞入垫板预紧，使预应力机架达到平衡状态B点。当挤压机工作载荷超过预紧力时，拉杆沿着O1B进一步被拉伸，拉伸变形增加，而压套则沿着BO2减少压缩变形(变形恢复)。当载荷增加到达额定的工作载荷P时(AC=P)，加载停止。此时，机架产生变形为E，小于非预应力机架的变形H。拉杆所受的拉伸载荷增加了P1，压套的压缩载荷减小了 P2，P1+P2=P，P1、P2都小于工作载荷P，并且

式中，E1为拉杆的弹性模量;A1为拉杆的截面积;E2为拉杆的弹性模量;A2为拉杆的截面积。

由于A2＞A1，即拉杆的刚度比压套的小，因此 P2＞P1。

图1 挤压机结构Fig.1 Structure diagram of extrusion press

图2 预应力机架拉杆压套变形载荷图Fig.2 Deformation and loading of pull-rod and pressure column of prestress frame

从图2中可以看出，

(1)承受工作载荷时，拉杆的载荷波动小(从B点到A点)，虽然它的平均应力很高，因此疲劳破坏的可能性小;

(2)压套始终处于受压状态(从B点到O2之间变化，只要工作载荷不超过1.25倍工作压力)，压应力状态不易导致疲劳破坏;

(3)承受工作载荷时，拉杆的变形量E也小于预紧前变形量H。

所以预应力结构机架疲劳强度较高，不易疲劳破坏。

由于超压预紧的挤压力是直接作用在挤压中心的，且四个拉杆的交点在挤压中心，所以四个拉杆受力状况完全一样，其伸长量也完全相同，不会出现某个拉杆首先疲劳破坏的情况，有利于延长挤压机使用寿命。

2 拉杆压套受力与变形分析

对于工程中常用的金属材料，当所受力在其弹性变形范围内时，可以用胡克定律确定在一定压力条件下金属材料的伸长量。根据胡克定律，可以计算出垫板的厚度应为

式中，P为拉杆所受的拉力，N;l为拉杆的长度，mm;l为压套长度加上前梁及后梁的厚度，mm;E为拉杆的弹性模量，MPa;A为拉杆的截面积，mm2。

125 MN挤压机预紧时所受载荷取为156 MN，计算出塞入垫板的厚度应为9.82 mm。图3为塞入垫板后拉杆压套的计算应力应变图。

图3 125 MN挤压机预紧后拉杆压套应力应变图Fig.3 Stress and strain of pull-rod and pressure column of pretightening 125MN extrusion press

2.1 拉杆与压套的应力变化

从图3可以看出，125 MN挤压机在预紧完成后，拉杆压套内始终存在有102.5 MN的预紧力，故当挤压力从0～125 MN变化时，四根拉杆内共受拉力从102.5～147.5 MN变化，其应力变化幅值为30.5%。四根压套共受的压缩力的变化范围从102.5～22.5 MN变化，其应力变化幅值是78.0%。可见，预应力机架挤压机在工作压力30 MPa时，拉杆周期性应力变化幅度只有非预应力拉杆周期性应力变化幅度的36%左右，从而大大提高了拉杆的抗疲劳强度。

2.2 拉杆与压套的变形量

图3中，当挤压力从0～125 MN变化时，四根拉杆的伸长量变化在6.45～9.15 mm范围内变化，其变形变化幅值为29.5%。而压套的压缩变形量变化在3.38～0.68 mm范围内变化，其变形变化幅值为79.9%。挤压力为公称压力125 MN时，拉杆和压套的伸长和压缩均是2.7 mm，即实际工作时前梁的最大位移量为不加预应力时拉杆伸长量的29.5%，拉杆、压套及前梁变形量小，整个机架刚度较高。

3 超压预紧力的调整与测定

125 MN挤压机每根拉杆直径达620 mm，质量达到38 t，由于拉杆是水平布置的，有一定的下垂度，安装后螺母与前梁及后梁外侧面贴合不严，所以在超压预紧前，必须调整四根拉杆使其均匀伸长。为使四根拉杆在工作时受力均匀，螺母与前梁及后梁的端面紧密贴合，以及方便垫板塞入。在较低压力下，测出每根拉杆的绝对伸长量，与拉杆的伸长量的计算值进行比较，采用拧紧相应螺母的方法反复纠正，使四根拉杆伸长量与理论伸长量的差值在0.05 mm以内。拧紧螺母时，要保证整体机架的垂直度，不得产生前倾或后仰现象。同时将压套与前梁连接在一起，尽量将缝隙留在后梁与压套之间，垫板塞入此缝隙。为塞垫板方便，垫板均做成中间剖分式的。表1为螺母调整之前的前梁位移值，实测值比计算值大很多，且不是呈线性变化的。

表1 未调整螺母之前的前梁位移值Tab.1 Displacement of front frame before adjusting nuts

螺母调整好之后，按工作压力的1.25倍给机架施加的预紧力。但为了塞入垫板方便，必须要增加一定的缝隙。实际对125 MN压机进行超压预紧时，整个机架承受166 MN挤压力，此时系统压力为40 MPa，垫板塞入到后梁与压套之间的缝隙，然后卸压完成超压预紧。图4是125 MN挤压机超压预紧塞入垫板之后的图形。

图4 塞入垫板后图Fig.4 Put plate in gap

3.1 拉杆伸长量的测定

在前梁垂直方向的中心贴上百分表，测量预紧后前梁在不同压力下的位移量，即拉杆的伸长量及压套的压缩量，得到的数据见表2。测量值与计算值基本一致。

表2 预紧后前梁的位移值Tab.2 Displacement of pretightening front frame

3.2 压套的波动

由于压套的波动直接关系到动梁与挤压筒的导向精度，而动梁及挤压筒中心的偏离会影响制品精度，所以需要测量压套的波动量。由于上压套只是起辅助导向的作用，所以本文只是测量下压套的波动量。在两根下压套上分别取靠近前梁侧、靠近后梁侧及压套中段三个点。在压套上方及外侧贴上百分表，测量预紧前和预紧后在不同压力时，下压套在垂直方向和水平方向的波动量见表3、表4。图5为压套波动测量示意图。

图5 压套波动测量图Fig.5 Schematic sketch of measure pressure column fluctuation

表3 预紧前压套波动量Tab.3 Fluctuation value of pressure column before unpretightening

表4 预紧后压套的波动量Tab.4 Fluctuation value of pressure column after pretightening

因为在预紧前压套是活动的，其垂直方向和水平方向的波动量非常大，从表3中可以看出，最大达到了+0.86 mm。而预紧后机架内预紧力的存在，压套的波动量很小，只有+0.26 mm，是预紧前最大值的30.0%。从而提高了动梁和挤压筒的导向精度，易于保证制品精度。

4 结论

(1)超压预紧后拉杆应力变化幅度小，只有不预紧时拉杆应力变化幅度的36%，大大提高了拉杆的疲劳寿命。

(2)拉杆位移量即工作时前梁的位移量很小，为不加预应力时拉杆伸长量的29.5%，整体机架刚度高。

(3)压套波动量小，保证了动梁和挤压筒的导向精度，从而保证了制品精度。

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