专利名称：一种预应力钢丝缠绕内凹型梁机架的制作方法
技术领域：
本发明属于重型装备、重型机械等工业领域中所使用的承载设备结构，特别涉及一种预 应力钢丝缠绕机架。
背景技术：
本发明所指内凹型梁机架，它是预应力钢丝缠绕机架的一种。
预应力钢丝缠绕机架的特点是将原有的整体机架剖分为上梁、下梁和两侧立柱分别制造， 再施加预紧钢丝层缠绕成整体。其疲劳强度好，承载能力高，降低了加工制造难度，应用广 泛。其结构示意图如图l所示，立柱在缠绕钢丝层预紧力的作用下，任何状态均保持受压， 有效地降低了疲劳裂纹扩展的可能，受力情况较为理想。但其上、下梁的受力情况较复杂， 应力分布由于梁结构的不同而不同，而且在预紧状态下梁底面往往为拉应力区域，工作状态 下还可能呈压应力，应力状态具有交变性质，为疲劳强度的薄弱环节。因此，需设计合理的 梁结构，使得在任何状态下，其底面均呈低拉应力或无拉应力，这对提高梁的强度具有重要 的意义。此外，梁底面通常作为其它部件(如油缸)的安装面，因此梁的结构往往还影响其 它部件的安装与配合，同时也会影响机架的整体高度及稳定性等。
目前，预应力钢丝缠绕机架的上、下梁有半圆梁、拱形梁、三角形梁和凸底型梁等结构。
半圆梁结构的机架平面示意图如图l所示。其结构简单，易于加工装配，应用最为广泛。 但梁底面可能产生拉一压交变循环应力区，大大降低了梁整体的疲劳强度，且底面总变形量 较大，不利于油缸等部件的安装。
拱形梁结构的机架平面示意图如图2所示。其应力状态较为理想，采用合适的半圆形垫 块与拱形梁的配合形式，可使梁在预紧和工作状态下均呈压应力。但其缺点是需保证半圆形 垫块与拱形梁的圆弧面配合。对于大尺寸机架，不能实现缠绕后机床上的再加工，因此只能 靠打磨修整、垫以较软的金属垫片实1L两者之间的配合，增加了装配难度。
在探索和改进的过程中半圆梁结构还有两种变异结构三角型梁、凸底型梁。 三角型梁结构的机架平面示意图如图3所示，由于预紧钢丝层仅对圆弧段作用有压应力， 确定合适的结构尺寸参数，可降低预紧状态下梁底面的拉应力，从而改善底面形成交变应力 区的情形。但其缺点是梁外缘不易加工，增加了制造难度。三角型梁的一种特殊结构——鼓 形梁结构的机架平面示意图如图4所示，此梁结构的顶面由于预紧状态下钢丝层产生的压应
力较小，而工作状态下拉应力较大，为危险区域。
凸底型梁结构的机架平面示意图如图5所示。外凸部分使梁的抗弯强度增强，故预紧状 态下梁底面拉应力降低，从而改善了底面形成交变应力区的情形。此外，外凸部分使缠绕钢丝层对立柱产生了水平预紧力，故凸底型梁结构的机架适用于承受偏心载荷。但其缺点是梁 重量增加，形状突变处存在应力集中，并且需增加立柱的长度以保证压机足够的工作空间， 从而增加了机架的整体高度。
现有的几种梁结构机架各具优点，但均存在不足之处，对预应力钢丝缠绕机架的设计及 应用增加了限制因素。
发明内容
本发明的目的是针对现有梁结构机架存在的不足和缺点，提出一种可有效利用空间、降 低机架整体高度、并控制其在任何状态下底面拉应力均较小的内凹型梁机架。 本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的
一种预应力钢丝缠绕机架，由上梁l、下梁2和两侧立柱3组成，其特征在于所述的
上梁1和下梁2的断面均呈倒凹字型，梁的内缘由一底平面6及两过渡圆弧面5组成，梁的 外缘4及内缘圆弧5在梁外缘圆弧直径7的同一侧，并且上梁的底平面与油缸连接。
所述上梁和下梁的内缘的凹深度与梁的底面应力呈以下关系
CT (0) _尸c(J _ s) — 2"0]_ a。义[a,(j + i _ 2s) — 2a。]}
a。 = [ + (J -
;r ^4 —
a,=---
1 2
"o
其中，s为内缘的凹深度，"c(O)为梁的底面应力，^为机架窗口宽度的1/2， i 为外缘圆 弧的半径，A为单根立柱对梁的作用力，//为梁的最大高度，6为梁的厚度。
本发明与现有预应力钢丝缠绕梁结构机架相比，具有以下突出性效果及优点①突破了
当立柱宽度及间距一定时梁上应力情况即定的模式。通过调整梁的内凹深度尺寸，可改变梁 上的弯曲应力及预紧钢丝层产生的压应力，从而调整梁底面的应力分布。②梁底平面作为油 缸及其它部件的安装面，有效利用了空间，降低了机架整体高度，提高了整体稳定性并减轻 了机架重量。
图1为半圆梁结构的机架平面示意图。
图2为拱形梁结构的机架平面示意图。 图3为三角型梁结构的机架平面示意图。 图4为鼓形梁结构的机架平面示意图。 图5为凸底型梁结构的机架平面示意图。
4图6为内凹型梁结构的机架平面示意图。
图7为本发明的内凹型梁1/2结构的平面计算模型。
图8为本发明提供的25MN自由锻/快锻液压机的梁底面应力R.(O)与内凹深度s的对照图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明。
图6为内凹型梁结构的机架平面示意图。本发明提供的预应力钢丝缠绕机架，由上梁l、 下梁2和两侧立柱3组成，所述的上梁1和下梁2的断面均呈倒凹字型，梁的内缘由一底平 面6及两过渡圆弧面5组成，梁的外缘4及内缘圆弧5在梁外缘圆弧直径7的同一侧，上梁 的底平面与油缸连接。
内凹型梁预紧状态下梁的弯曲应力较大，底面为拉应力。工作状态下，梁承受反向弯曲， 底面的拉应力减小，甚至变为压应力。因此，预紧状态为危险状态。而预紧状态下，梁底面 为弯曲拉应力最大处，为危险区域。下面采用纤维法计算预紧状态下梁底面中点处的应力， 以说明内凹结构对该处应力的影响。
该梁l/2结构的平面计算模型如图6所示。J为机架窗口宽度的1/2; vv为立柱的宽度；
s为梁内凹深度；i 为外缘圆弧的半径；r为内缘过渡圆弧段的半径；/。为中央截面F的形心至
底面的距离；少。为中央截面F的中性层至底面的距离；梁上距底面高度y处纤维的长度为/(y);
A为单根立柱对梁的作用力；《为预紧钢丝层引起的压载荷。
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若不考虑钢丝槽的深度，则/。
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则/(力="。十aj 设梁厚度均匀，6(y)=6=co"w;
中央截面附近满足平面假设，即00平面变形后仍为平面(9'0'，两平面的夹角为^，则 距底面高度y处纤维的弯曲应力o^ = (1 )
根据弯曲理论，垂直梁轴线的截面其法向应力的合力为零，故4 j> ,(力'fll
产少6丄_ 6(a!/f— a。A)
C2 = l ^办=
c，
■I /(力,
6
a！2//2 — 0^// + a，A
则由式(2)， ^
f 、 ^ /(力 _ c2
f々—Cl A /(力
又中央截面F上的弯矩
代入式(0，得^^(力=—，(c广
(c22-qq ) /(>)
故预紧状态下梁底面弯曲应力
—MC2 《04-;y)(fl^-flo;i)
(C22 - C3C!). /(0) — 。 [(2a0 +- 2a//]
钢丝层对梁中央截面的压应力
°"wc =_-
(3)
因此，预紧状态下梁底面应力
"O)w (O)十j = &Mh(") -2a0]-a。4"!("及-2" -2"。]}
式(4)中//、、、 a" A均是s的唯一表达式，因此确定^的取值，ffc(0)的大小即定。 令ctc (0) = 0 ，即仏/f (^ 一力-2a0 ] - fl。义k+ i — 2" — 2"。 ] = 0
(4)。。[fi^ (j + / _ 2s) — 2a。]
下面举出几个实施例以进一步理解本发明
实施例1: 25MN自由锻/快锻液压机预应力钢丝缠绕内凹型梁的设计 机架采用内凹型梁结构，计算模型参数i =2025mm， w=600 mm， 6=700 mm，户产2508 t，则s的取值范围为
。由上推导计算可得梁底面应力C7"0)与内凹深度s的对照图如 图7所示。5值越大，梁底面拉应力越小。当论1182mm时，trc(0)<0，预紧状态下梁底面无 拉应力作用。实际整体重量约112t,总高度约11.06m，总宽度约4.05m，上梁内凹深度约0.4m， 下梁内凹深度约0.285!11。相比于等外缘尺寸的半圆梁结构，此梁结构机架整体高度降低了约 0.685m，重量减轻了约6.7t。上梁底面的现场实测应力约为33.8MPa，应力值较小，有效地 提高了机架的整体强度。
权利要求
1.一种预应力钢丝缠绕机架，由上梁1、下梁2和两侧立柱3组成，其特征在于所述的上梁1和下梁2的断面均呈倒凹字型，梁的内缘由一底平面6及两过渡圆弧面5组成，梁的外缘4及内缘圆弧5在梁外缘圆弧直径7的同一侧，上梁的底平面与油缸连接。
2. 按照权利要求1所述的预应力钢丝缠绕机架，其特征在于所述上梁和下梁的内缘的凹深度与梁的底面应力呈以下关系<formula>formula see original document page 2</formula>其中，S为内缘的凹深度，(7c(0)为梁的底面应力，^为机架窗口宽度的1/2， i 为外缘圆 弧的半径，Pe为单根立柱对梁的作用力，//为梁的最大高度，6为梁的厚度。
全文摘要
一种预应力钢丝缠绕内凹型梁机架，上梁1和下梁2的断面均呈倒凹字型，梁的内缘由一底平面6及两过渡圆弧面5组成，梁的外缘4及内缘圆弧5在梁外缘圆弧直径7的同一侧。该机架的内凹型梁结构简单，易于加工和装配；有效利用了空间，降低了机架的整体高度，提高了整体稳定性，且减轻了重量。确定合适的梁内缘结构，可使梁在任何状态下拉应力均较小，从而提高其疲劳强度，是一种较为理想的可控低拉应力梁结构机架，具有广泛的应用前景。
文档编号B30B15/04GK101579938SQ20091008682
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者单东升, 磊 张, 张人佶, 李志波, 峰 林, 林智琳, 苏鹏程, 韩俊明, 颜永年 申请人:清华大学