專利名稱：一種預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞內(nèi)凹型梁機(jī)架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于重型裝備、重型機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域中所使用的承載設(shè)備結(jié)構(gòu)，特別涉及一種預(yù) 應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架。
背景技術(shù)：
本發(fā)明所指內(nèi)凹型梁機(jī)架，它是預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架的一種。
預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架的特點(diǎn)是將原有的整體機(jī)架剖分為上梁、下梁和兩側(cè)立柱分別制造， 再施加預(yù)緊鋼絲層纏繞成整體。其疲勞強(qiáng)度好，承載能力高，降低了加工制造難度，應(yīng)用廣 泛。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示，立柱在纏繞鋼絲層預(yù)緊力的作用下，任何狀態(tài)均保持受壓， 有效地降低了疲勞裂紋擴(kuò)展的可能，受力情況較為理想。但其上、下梁的受力情況較復(fù)雜， 應(yīng)力分布由于梁結(jié)構(gòu)的不同而不同，而且在預(yù)緊狀態(tài)下梁底面往往為拉應(yīng)力區(qū)域，工作狀態(tài) 下還可能呈壓應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)具有交變性質(zhì)，為疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。因此，需設(shè)計(jì)合理的 梁結(jié)構(gòu)，使得在任何狀態(tài)下，其底面均呈低拉應(yīng)力或無拉應(yīng)力，這對提高梁的強(qiáng)度具有重要 的意義。此外，梁底面通常作為其它部件(如油缸)的安裝面，因此梁的結(jié)構(gòu)往往還影響其 它部件的安裝與配合，同時也會影響機(jī)架的整體高度及穩(wěn)定性等。
目前，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架的上、下梁有半圓梁、拱形梁、三角形梁和凸底型梁等結(jié)構(gòu)。
半圓梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖如圖l所示。其結(jié)構(gòu)簡單，易于加工裝配，應(yīng)用最為廣泛。 但梁底面可能產(chǎn)生拉一壓交變循環(huán)應(yīng)力區(qū)，大大降低了梁整體的疲勞強(qiáng)度，且底面總變形量 較大，不利于油缸等部件的安裝。
拱形梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖如圖2所示。其應(yīng)力狀態(tài)較為理想，采用合適的半圓形墊 塊與拱形梁的配合形式，可使梁在預(yù)緊和工作狀態(tài)下均呈壓應(yīng)力。但其缺點(diǎn)是需保證半圓形 墊塊與拱形梁的圓弧面配合。對于大尺寸機(jī)架，不能實(shí)現(xiàn)纏繞后機(jī)床上的再加工，因此只能 靠打磨修整、墊以較軟的金屬墊片實(shí)1L兩者之間的配合，增加了裝配難度。
在探索和改進(jìn)的過程中半圓梁結(jié)構(gòu)還有兩種變異結(jié)構(gòu)三角型梁、凸底型梁。 三角型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖如圖3所示，由于預(yù)緊鋼絲層僅對圓弧段作用有壓應(yīng)力， 確定合適的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，可降低預(yù)緊狀態(tài)下梁底面的拉應(yīng)力，從而改善底面形成交變應(yīng)力 區(qū)的情形。但其缺點(diǎn)是梁外緣不易加工，增加了制造難度。三角型梁的一種特殊結(jié)構(gòu)——鼓 形梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖如圖4所示，此梁結(jié)構(gòu)的頂面由于預(yù)緊狀態(tài)下鋼絲層產(chǎn)生的壓應(yīng)
力較小，而工作狀態(tài)下拉應(yīng)力較大，為危險(xiǎn)區(qū)域。
凸底型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖如圖5所示。外凸部分使梁的抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)，故預(yù)緊狀 態(tài)下梁底面拉應(yīng)力降低，從而改善了底面形成交變應(yīng)力區(qū)的情形。此外，外凸部分使纏繞鋼絲層對立柱產(chǎn)生了水平預(yù)緊力，故凸底型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架適用于承受偏心載荷。但其缺點(diǎn)是梁 重量增加，形狀突變處存在應(yīng)力集中，并且需增加立柱的長度以保證壓機(jī)足夠的工作空間， 從而增加了機(jī)架的整體高度。
現(xiàn)有的幾種梁結(jié)構(gòu)機(jī)架各具優(yōu)點(diǎn)，但均存在不足之處，對預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架的設(shè)計(jì)及 應(yīng)用增加了限制因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有梁結(jié)構(gòu)機(jī)架存在的不足和缺點(diǎn)，提出一種可有效利用空間、降 低機(jī)架整體高度、并控制其在任何狀態(tài)下底面拉應(yīng)力均較小的內(nèi)凹型梁機(jī)架。 本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架，由上梁l、下梁2和兩側(cè)立柱3組成，其特征在于所述的
上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內(nèi)緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的 外緣4及內(nèi)緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側(cè)，并且上梁的底平面與油缸連接。
所述上梁和下梁的內(nèi)緣的凹深度與梁的底面應(yīng)力呈以下關(guān)系
CT (0) _尸c(J _ s) — 2"0]_ a。義[a,(j + i _ 2s) — 2a。]}
a。 = [ + (J -
;r ^4 —
a,=---
1 2
"o
其中，s為內(nèi)緣的凹深度，"c(O)為梁的底面應(yīng)力，^為機(jī)架窗口寬度的1/2， i 為外緣圓 弧的半徑，A為單根立柱對梁的作用力，//為梁的最大高度，6為梁的厚度。
本發(fā)明與現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞梁結(jié)構(gòu)機(jī)架相比，具有以下突出性效果及優(yōu)點(diǎn)①突破了
當(dāng)立柱寬度及間距一定時梁上應(yīng)力情況即定的模式。通過調(diào)整梁的內(nèi)凹深度尺寸，可改變梁 上的彎曲應(yīng)力及預(yù)緊鋼絲層產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而調(diào)整梁底面的應(yīng)力分布。②梁底平面作為油 缸及其它部件的安裝面，有效利用了空間，降低了機(jī)架整體高度，提高了整體穩(wěn)定性并減輕 了機(jī)架重量。


圖1為半圓梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。
圖2為拱形梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。 圖3為三角型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。 圖4為鼓形梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。 圖5為凸底型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。
4圖6為內(nèi)凹型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。
圖7為本發(fā)明的內(nèi)凹型梁1/2結(jié)構(gòu)的平面計(jì)算模型。
圖8為本發(fā)明提供的25MN自由鍛/快鍛液壓機(jī)的梁底面應(yīng)力R.(O)與內(nèi)凹深度s的對照圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的說明。
圖6為內(nèi)凹型梁結(jié)構(gòu)的機(jī)架平面示意圖。本發(fā)明提供的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架，由上梁l、 下梁2和兩側(cè)立柱3組成，所述的上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內(nèi)緣由一底平 面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內(nèi)緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側(cè)，上梁 的底平面與油缸連接。
內(nèi)凹型梁預(yù)緊狀態(tài)下梁的彎曲應(yīng)力較大，底面為拉應(yīng)力。工作狀態(tài)下，梁承受反向彎曲， 底面的拉應(yīng)力減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力。因此，預(yù)緊狀態(tài)為危險(xiǎn)狀態(tài)。而預(yù)緊狀態(tài)下，梁底面 為彎曲拉應(yīng)力最大處，為危險(xiǎn)區(qū)域。下面采用纖維法計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下梁底面中點(diǎn)處的應(yīng)力， 以說明內(nèi)凹結(jié)構(gòu)對該處應(yīng)力的影響。
該梁l/2結(jié)構(gòu)的平面計(jì)算模型如圖6所示。J為機(jī)架窗口寬度的1/2; vv為立柱的寬度；
s為梁內(nèi)凹深度；i 為外緣圓弧的半徑；r為內(nèi)緣過渡圓弧段的半徑；/。為中央截面F的形心至
底面的距離；少。為中央截面F的中性層至底面的距離；梁上距底面高度y處纖維的長度為/(y);
A為單根立柱對梁的作用力；《為預(yù)緊鋼絲層引起的壓載荷。
<formula>formula see original document page 5</formula>
若不考慮鋼絲槽的深度，則/。
<formula>formula see original document page 5</formula>
則/(力="。十a(chǎn)j 設(shè)梁厚度均勻，6(y)=6=co"w;
中央截面附近滿足平面假設(shè)，即00平面變形后仍為平面(9'0'，兩平面的夾角為^，則 距底面高度y處纖維的彎曲應(yīng)力o^ = (1 )
根據(jù)彎曲理論，垂直梁軸線的截面其法向應(yīng)力的合力為零，故4 j> ,(力'fll
產(chǎn)少6丄_ 6(a!/f— a。A)
C2 = l ^辦=
c，
■I /(力,
6
a！2//2 — 0^// + a，A
則由式(2)， ^
f 、 ^ /(力 _ c2
f々—Cl A /(力
又中央截面F上的彎矩
代入式(0，得^^(力=—，(c廣
(c22-qq ) /(>)
故預(yù)緊狀態(tài)下梁底面彎曲應(yīng)力
—MC2 《04-;y)(fl^-flo;i)
(C22 - C3C!). /(0) — 。 [(2a0 +- 2a//]
鋼絲層對梁中央截面的壓應(yīng)力
°"wc =_-
(3)
因此，預(yù)緊狀態(tài)下梁底面應(yīng)力
"O)w (O)十j = &Mh(") -2a0]-a。4"!("及-2" -2"。]}
式(4)中//、、、 a" A均是s的唯一表達(dá)式，因此確定^的取值，ffc(0)的大小即定。 令ctc (0) = 0 ，即仏/f (^ 一力-2a0 ] - fl。義k+ i — 2" — 2"。 ] = 0
(4)。。[fi^ (j + / _ 2s) — 2a。]
下面舉出幾個實(shí)施例以進(jìn)一步理解本發(fā)明
實(shí)施例1: 25MN自由鍛/快鍛液壓機(jī)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞內(nèi)凹型梁的設(shè)計(jì) 機(jī)架采用內(nèi)凹型梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型參數(shù)i =2025mm， w=600 mm， 6=700 mm，戶產(chǎn)2508 t，則s的取值范圍為
。由上推導(dǎo)計(jì)算可得梁底面應(yīng)力C7"0)與內(nèi)凹深度s的對照圖如 圖7所示。5值越大，梁底面拉應(yīng)力越小。當(dāng)論1182mm時，trc(0)<0，預(yù)緊狀態(tài)下梁底面無 拉應(yīng)力作用。實(shí)際整體重量約112t,總高度約11.06m，總寬度約4.05m，上梁內(nèi)凹深度約0.4m， 下梁內(nèi)凹深度約0.285!11。相比于等外緣尺寸的半圓梁結(jié)構(gòu)，此梁結(jié)構(gòu)機(jī)架整體高度降低了約 0.685m，重量減輕了約6.7t。上梁底面的現(xiàn)場實(shí)測應(yīng)力約為33.8MPa，應(yīng)力值較小，有效地 提高了機(jī)架的整體強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架，由上梁1、下梁2和兩側(cè)立柱3組成，其特征在于所述的上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內(nèi)緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內(nèi)緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側(cè)，上梁的底平面與油缸連接。
2. 按照權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架，其特征在于所述上梁和下梁的內(nèi)緣的凹深度與梁的底面應(yīng)力呈以下關(guān)系<formula>formula see original document page 2</formula>其中，S為內(nèi)緣的凹深度，(7c(0)為梁的底面應(yīng)力，^為機(jī)架窗口寬度的1/2， i 為外緣圓 弧的半徑，Pe為單根立柱對梁的作用力，//為梁的最大高度，6為梁的厚度。
全文摘要
一種預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞內(nèi)凹型梁機(jī)架，上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內(nèi)緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內(nèi)緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側(cè)。該機(jī)架的內(nèi)凹型梁結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和裝配；有效利用了空間，降低了機(jī)架的整體高度，提高了整體穩(wěn)定性，且減輕了重量。確定合適的梁內(nèi)緣結(jié)構(gòu)，可使梁在任何狀態(tài)下拉應(yīng)力均較小，從而提高其疲勞強(qiáng)度，是一種較為理想的可控低拉應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)機(jī)架，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B30B15/04GK101579938SQ20091008682
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者單東升, 磊 張, 張人佶, 李志波, 峰 林, 林智琳, 蘇鵬程, 韓俊明, 顏永年 申請人:清華大學(xué)