专利名称：自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由锻造液压机，特别涉及自由锻造液压机的机架。
背景技术：
自由锻造液压机是锻造行业生产锻件的关键设备。传统的自由锻造液压机为三梁 四圆柱非全预应力机架结构，在恶劣的锻造工况下，须承受单向大幅值的交变载荷，在快速 加载和突然卸载时常常引起机架剧烈振动和晃动。圆形张立柱既作为机架又作为拉杆，还 作为活动横梁的导向体，不但时时承受满吨位的轴向拉力，总是在大幅值的单向交变拉应 力下工作，偏心锻造时，还要承受活动横梁的横向推力和弯矩，以及由于上、下横梁变形而 作用于内侧固定螺母处的角弯矩等静力载荷。同时，由于活动横梁圆导套的点接触应力状 态而引起的不均勻磨损和导向间隙增大，任一侧的两根立柱都不可能均勻受力，即会导致 单根立柱承受偏心载荷。因而，圆形张立柱成为液压机最易破坏的零件，张立柱发生断裂的 例子屡见不鲜。近年来，有的将油泵直接传动系统简单地应用在上述三梁四圆柱非全预应力机架 上，或将焊接结构的三梁四圆柱式普通油压机作为锻造压机使用，造成焊缝开裂、油缸漏 油，导致压机使用和维护成本较高。有的仅仅将四圆柱改成了方形立柱，但其受力状态、整体刚性和抗疲劳强度没有 得到根本改变；有的虽然改成了全预应力机架，但由于延用传统的四柱式结构，仍不可能提 高压机中心线任两侧的两根立柱的截面惯性矩和抗弯刚度，还会有一根立柱承受偏载力的 危险。同时，四柱式结构仍然存在着象传统水压机一样的不利操作环境工艺适应性差、不 易接近中心、钢锭进出空间小，可操作性和可视性差等。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种自由锻造液压机双柱斜置式多拉 杆预应力机架，解决传统三梁四圆柱非全预应力机架整体刚度、抗疲劳强度、抗偏载能力和 工艺适应性较差，以及压机维护成本高的问题。本发明的具体技术方案是—种自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，包括立柱、上横梁、下横梁 和拉杆，其特征在于所述立柱是一种空心矩形立柱，所述空心矩形立柱为两个，多根高强 度拉杆置于两个所述空心矩形立柱中，所述拉杆的两端穿过所述上横梁、下横梁，所述上横 梁与所述空心矩形立柱之间、所述下横梁与所述空心矩形立柱之间分别采用矩形定位键镶 嵌在一起，按照设计规定的预紧力和预紧方法，通过预紧螺母使所述高强度拉杆全长上产 生预紧拉力，同时对所述上横梁、下横梁和所述空心矩形立柱施加预紧压力，从而构成双柱 预应力组合受力机架；两个所述空心矩形立柱的形心连线相对压机工作台移动方向的中心 线成一个a角度布置。两个所述空心矩形立柱在全长上为中空的长方形横截面，两端部为悬突结构，其
3形心连线相对压机工作台移动方向的中心线的夹角a在55° 75°之间。置于每根所述空心矩形立柱中的所述高强度拉杆的数量，可根据压机吨位选择5 根、6根、7根、10根、16根，每根所述高强度拉杆的直径在(M60 240mm间，材料的许用 应力彡700MPa，安全系数> 2. 5。所述高强度拉杆靠近立柱四壁，向内侧、前后侧布置，所述高强度拉杆的布置形式 至少有两排。两个所述空心矩形立柱的四周安装有相互垂直的耐磨导板。所述矩形定位键共有4组16个，分别在所述上横梁与所述空心矩形立柱之间、所 述下横梁与所述空心矩形立柱之间呈十字形布置。本发明与现有技术相比，有以下优点和有益效果。本发明有别于锻造工厂现使用的自由锻造液压机的受力机架，采用本发明所构成 的自由锻造液压机，拉杆应力的变化幅值仅为最大载荷应力的15 %，预应力偏差低于3 %， 较传统三梁四圆柱水压机提高了压机整体刚度、抗疲劳强度和可靠性。同时，还有良好的压 机性能和工艺操作性。本发明的原理和结构不仅可以应用于各种吨位的自由锻造液压机，而且也可以推 广应用于所有适合工艺的立式液压机上，并可对传统锻造压机进行改造，从而带来诸多有 益效果可降低设备重量，减少投资费用，减少设备占地面积和地坑深度，简化了设备基础， 降低了厂房高度和宽度，减小了行车跨度，使车间作业面积和高度空间得到充分利用，降低 了维修费用等。本发明将直接导致一种具有节能降耗利好的现代自由锻造液压机的实现。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的双柱斜置式受力机架布置示意图；图3是本发明的多拉杆的布置示意图；图4是本发明的双柱斜置式机架预紧程序示意图；图5是本发明的预应力组合机架拉杆和立柱(梁)力-变形图。下面结合附图通过实施例对本发明做详细说明。
具体实施例方式如图1所示，一种自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，主要由下横梁 1、两个空心矩形立柱2、上横梁4和置于空心矩形立柱中的高强度拉杆5和预紧螺母7组 成。所述空心矩形立柱2为两个，高强度拉杆5置于两个所述空心矩形立柱2中，并穿过所 述上横梁4、下横梁1，所述上横梁4与所述空心矩形立柱2之间、所述下横梁1与所述空心 矩形立柱2之间，通过4组16个呈十字形布置的矩形定位键3将上横梁4和下横梁1与两 个空心矩形立柱2牢固地镶嵌在一起。按照设计规定的预紧力和预紧方法，通过预紧螺母7、垫圈6使所述高强度拉杆5 全长上产生预紧拉力，同时对所述上横梁1、下横梁4和所述空心矩形立柱2施加预紧压力， 从而构成双柱预应力组合受力机架。置于每根所述空心矩形立柱2中的所述高强度拉杆5的数量，可根据压机吨位选择5根、6根、7根、10根、16根，每根所述高强度拉杆5的直径在(M60 240mm间，材料 的许用应力彡700MPa，安全系数> 2. 5。如图3所示，高强度拉杆5的布置原则是尽可能靠近远离中性轴的立柱四壁，向 内侧、前后侧分布。所述高强度拉杆5的数量与布置形式有3+2，4+2，4+3，4+2+2，4+4+2， 6+4+6。两个所述空心矩形立柱2的四周安装有相互垂直的耐磨导板9。如图1、2所示，整个机架座于两个整体式基础梁8上，两个所述空心矩形立柱2的 形心连线(Y轴线)相对压机工作台移动方向(X轴线)的中心线成a角度斜置，该角度a 在55° 75°之间。通过8套超长地脚螺栓10将下横梁1和基础梁8—起与基础内的地 锚装置锚固。变张力拉杆预紧力的计算变张力拉杆预紧力的计算方法是，若每根立柱有n根拉杆，则第i根拉杆的预紧力 Pi为:Pi = K(n_i)Pj式中P」——每根拉杆最终要求的预紧力，即全部预紧完毕后，拉杆应达到的拉伸 力。i侧立柱中预紧顺序的自然排列数。K一一为拉杆与立柱和上、下横梁的刚度系数，对于确定的液压机结构，K为常数。双柱斜置式机架预紧程序采用两套预紧螺母共用一套超高压泵装置，按照图4所示方位和编号顺序，每次 同时预紧左右立柱上的相邻编号的两根拉杆，并且一次预紧到位。(1)预紧螺母油缸力的计算按照变张力预紧方法，计算出每根拉杆在预紧时所需的拉力和预紧螺母油缸的工 作介质压力。(2)施加预紧前的检查按照图纸要求，检查各个螺母与横梁垫板之间的间隙符合要求；按照电测实施方 案，将应变片和导线及仪表装置全部安装到位；对机架的精度进行测量和调整，符合图纸尺 寸和精度要求。(3)按图4所示方位，将拉杆螺母分别编号，按照每次同时预紧两根立柱上的相邻 编号的两根拉杆顺序进行预紧。(4)按图4编号顺序依次对左右两侧拉杆螺母进行预紧，使预紧螺母的表压力均 达到规定的压力。从支承套的开口处各个拧紧拉杆螺母。(5)分别测量出拉杆在预紧时的伸长值和油泵卸压后的回缩量，然后分别记录。(6)检查机架精度，安装防松装置。下面就本发明的具体技术方案作进一步的说明1) 一种自由锻造液压机的双柱斜置式预应力机架，包含自由锻造液压机的双柱斜 置式组合机架和多拉杆预紧件。在任一台自由锻造液压机上，采用特殊构造的双空心矩形 立柱和上、下横梁构成组合机架，将多根高强度拉杆置于空心立柱中，并穿过上、下横梁，按 设计照规定的预紧力和预紧方法，通过预紧螺母使拉杆全长上产生预紧拉力，同时对上、下横梁和立柱施加预紧压力，从而使整个组合机架处于应力预紧状态；将双空心矩形立柱的形心连线与压机工作台移动方向的中心线成某一角度斜置布置，并将该机架作为安装液压 缸、活动横梁、导向装置、移动工作台等装置的载体，以及承受全部工作载荷的受力框架，即 构成一台自由锻造液压机的本体部分。2)双柱斜置式多拉杆预应力组合受力机架的两个空心矩形立柱设计，是在全长上 为中空的长方形横截面，两端部为悬突结构，采用四组十字矩形定位键将上、下横梁与立柱 牢固地镶嵌在一起。从材料力学分析可知，在横截面面积相同的情况下，使材料远离中性轴 的空心矩形横截面构件的抗弯面积惯量，即截面惯性矩是最大的，其抗弯曲能力比圆环形 或是空心正方形截面更强。即使是四根矩形截面立柱，将任一侧的两根分体立柱截面的惯 性矩叠加起来，总惯性矩也仅是具有相同截面面积和结构特性的一根整体立柱的1/4。这种空心结构立柱犹如一个自然烟囱，既可直接阻隔来自钢锭或锻件热的热辐 射，又可通过下横梁的出砂孔或立柱外侧开口，将冷空气吸入，使聚集在在立柱内部的热气 流从上横梁的出砂孔散出，有效防止了热辐射造成拉杆的不均勻伸长。此外还能完全防止 氧化皮、工具等对拉杆表面造成损伤。同时，在每根立柱四周提供了至少4个、多达8个相互垂直的平面，供安装耐磨导 板，为活动横梁提供了一个坚固、刚性的和低接触应力的平面导向体。3)所述的上、下横梁为铸造结构，采用计算机三维有限元分析软件(FEM)接触问 题分析法，对双柱预应力机架进行整体结构优化设计，使机架的变形和应力获得了精确的 求解，预测出锻造过程中的结构的应力状态及其变形趋势，优化受力框架的结构，确定其在 最佳强度和刚度下的几何尺寸，使材料得到合理的分配，充分发挥出所用材料的潜力。对 上、下横梁实施预紧的高度方向的横截面形状与尺寸与双立柱保持一致，同时，必须采取特 殊的细节设计，如出砂孔光刀处理和磁粉探伤，上横梁安装主缸的圆孔采用大圆角过渡，超 允许偏心矩加载实时检测，以避免梁、柱部分部位的应力集中现象。4)置于每根所述空心立柱中的高强度拉杆的数量，可根据压机吨位选择。实践证 明，采用多根拉杆优于只用一根拉杆可用较小的液压预紧缸，分别预紧每根拉杆；可按空 心立柱截面形状，对称均勻布置多拉杆，受力均衡；拉杆螺纹根部加工误差小，产生的弯曲 应力影响较小；由于横截面积小，材料组织和热处理性能均勻性好，可充分发挥材料的力学 性能；制造加工方便，根据需要，对于超长的拉杆，可采用双向螺母分段错位连接起来使用。5)所述的预紧力设计和预紧方法有别于任何压机受力机架预应力设计按最大 锻造力和最大允许偏心距设计、调整和设定拉杆的预应力，预紧系数为1. 35，即预紧力是工 作载荷的1.35倍；上、下横梁与立柱接触部分的横截面尺寸相当，梁的高度方向受压缩后 的变形不可忽略，计算的被压缩构件的尺寸应包括上、下横梁和立柱的的相应高度尺寸；采 用两套特殊的预紧螺母和共用一套超高压泵装置，按照图4所示方位和编号顺序，每次同 时预紧左右立柱上的相邻编号的两根拉杆，并且一次预紧到位；采用变张力法在应力实时 监测下进行预紧，每根拉杆在预紧时所需的拉力不同，全部预紧完成后，达到平均载荷的拉 力，均勻一致的预应力，偏差低于3 %。理论和实践证明，这种机架结构具有较高的整体刚性、抗疲劳强度、承载能力和安 全可靠性。上、下横梁的内侧不再需要固定螺母，预紧后，不开缝，无需重复紧固外侧螺母， 拉杆永无磨损。根据虎克定律，拉杆和被预紧构件(立柱和梁)之间的力和变形量应满足图5所示关系。工作时，立柱承受压应力和弯曲应力，拉杆承受拉应力，其最大和最小拉应力的变化幅值仅为最大载荷应力的15%。国外同类设备中的拉杆在使用了 30多年后，经过 测试拉杆的预应力偏差仍在10%以下。在整机寿命周期内不会产生立柱断裂事故，各个构 件的使用寿命因此而延长，大大降低了设备维修费用和寿命周期成本。
6)双柱斜置式布置必须以适当的方式利用这种效果，即将两个空心矩形立柱的形 心连线与压机工作台移动方向的中心线成某一角度斜置布置。较四柱式具有较大的截面惯 性矩和抗弯刚度，允许偏心锻造范围大，能够承受偏心载荷时产生的巨大的弯曲应力和压 应力，并且能够达到很好的平衡和稳定性。
权利要求
一种自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，包括立柱、上横梁、下横梁和拉杆，其特征在于所述立柱是一种空心矩形立柱(2)，所述空心矩形立柱(2)为两个，高强度拉杆(5)置于两个所述空心矩形立柱(2)中，所述拉杆(5)的两端穿过所述上横梁(4)、下横梁(1)，所述上横梁(4)与所述空心矩形立柱(2)之间、所述下横梁(1)与所述空心矩形立柱(2)之间分别采用矩形定位键(3)镶嵌在一起，按照设计规定的预紧力和预紧方法，通过预紧螺母(7)使所述高强度拉杆(5)全长上产生预紧拉力，同时对所述上横梁(1)、下横梁(4)和所述空心矩形立柱(2)施加预紧压力，从而构成双柱预应力组合受力机架；两个所述空心矩形立柱(2)的形心连线相对压机工作台移动方向的中心线成α角度斜置。
2.按照权利要求1所述的自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，其特征在 于两个所述空心矩形立柱(2)在全长上为中空的长方形横截面，两端部为悬突结构，其形 心连线相对压机工作台移动方向的中心线的夹角α在55° 75°之间。
3.按照权利要求1所述的自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，其特征在 于置于每根所述空心矩形立柱(2)中的所述高强度拉杆(5)的数量，可根据压机吨位至少 选择5根，每根所述高强度拉杆(5)的直径在160 Φ 240mm间，材料的许用应力> 700MPa, 安全系数>2. 5。
4.按照权利要求1所述的自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，其特征在 于所述高强度拉杆(5)靠近立柱四壁，向内侧、前后侧布置，所述高强度拉杆(5)的布置形 式至少有两排。
5.按照权利要求1所述的自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，其特征在 于两个所述空心矩形立柱(2)的四周安装有相互垂直的耐磨导板(9)。
6.按照权利要求1所述的自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，其特征在 于所述矩形定位键(3)共有4组16个，分别在所述上横梁(4)与所述空心矩形立柱(2) 之间、所述下横梁(1)与所述空心矩形立柱(2)之间呈十字形布置。
全文摘要
自由锻造液压机双柱斜置式多拉杆预应力机架，涉及锻造液压机。本发明解决传统机架整体刚度、抗疲劳强度、抗偏载能力和工艺适应性较差的问题。本发明的特征在于所述立柱是两个空心矩形结构，多根高强度拉杆置于两个所述立柱中，拉杆的两端穿过上横梁、下横梁，在上横梁与立柱之间、下横梁与立柱之间分别采用矩形定位键镶嵌在一起，通过预紧螺母使所述拉杆全长上产生预紧拉力，同时对上横梁、下横梁和所述立柱施加预紧压力，从而构成双柱预应力组合受力机架；两个空心矩形立柱的形心连线相对压机工作台移动方向的中心线成α角度斜置。本发明不仅可应用于自由锻造液压机，而且也可应用于适合工艺的立式液压机上，并可对传统锻造压机进行改造。
文档编号B21J13/04GK101823114SQ201010161389
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者姚祖康, 毛春燕, 薛峰, 郭玉玺 申请人:太原重工股份有限公司