CN101579938A - 一种预应力钢丝缠绕内凹型梁机架 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种预应力钢丝缠绕内凹型梁机架

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1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1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-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现两者之间的配合，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，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：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_c\left(0\right)=\frac{P_c\left\{a_{1}H\right[a_1(A-s)-2a_0]-a_0\mathrm{\λ}[a_1(A+R-2s)-2a_0\left]\right\}}{\mathrm{bH}{a}_0[(2a_0+a_{1}H)\mathrm{\λ}-2a_{1}H]}\\ a_0=\frac{\mathrm{\π}}{2}s+(A-s)\\ a_1=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{A-s}{H}\\ \mathrm{\λ}=\ln \frac{a_0+a_{1}H}{a_0}\end{array}\right.$

其中，s为内缘的凹深度，σ_c(0)为梁的底面应力，A为机架窗口宽度的1/2，R为外缘圆弧的半径，P_c为单根立柱对梁的作用力，H为梁的最大高度，b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。

附图说明

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。

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σ_c(0)与内凹深度s的对照图。

具体实施方式

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1、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1/2结构的平面计算模型如图6所示。A为机架窗口宽度的1/2；w为立柱的宽度；s为梁内凹深度；R为外缘圆弧的半径；r为内缘过渡圆弧段的半径；f₀为中央截面F的形心至底面的距离；y₀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l(y)；P_c为单根立柱对梁的作用力；q为预紧钢丝层引起的压载荷。

若不考虑钢丝槽的深度，则 $f_0=\frac{R+s}{2}$

$l\left(y\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}s+(A-s)+(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{A-s}{H})y$

令 $a_0=\frac{\mathrm{\π}}{2}s+(A-s);$ $a_1=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{A-s}{H}$

则l(y)＝a₀+a₁y

$l\left(0\right)=a_0=\frac{\mathrm{\π}}{2}s+(A-s)=L_0;$ $l\left(H\right)=a_0+a_{1}H=\frac{\mathrm{\π}}{2}R=L_H$

设梁厚度均匀，b(y)＝b＝const；

中央截面附近满足平面假设，即OO平面变形后仍为平面O′O′，两平面的夹角为φ，则距底面高度y处纤维的弯曲应力 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}=\frac{\mathrm{E\φ}(y_0-y)}{l\left(y\right)}$ (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

${\∫}_F{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}\mathrm{dF}={\∫}_0^H\frac{\mathrm{E\φ}(y_0-y)}{l\left(y\right)}\mathrm{bdy}=0$ (2)

令 $\mathrm{\λ}=\ln \frac{L_H}{L_0};$ $C_1={\∫}_0^H\frac{b}{l\left(y\right)}\mathrm{dy}=\frac{b}{a_1}\mathrm{\λ}$

$C_2={\∫}_0^H\frac{\mathrm{yb}}{l\left(y\right)}\mathrm{dy}=\frac{b(a_{1}H-a_0\mathrm{\λ})}{a_1^2}$

$C_3={\∫}_0^H\frac{y^{2}b}{l\left(y\right)}\mathrm{dy}=\frac{b(\frac{1}{2}{a}_1^2{H}^2-a_0{a}_{1}H+a_0^2\mathrm{\λ})}{a_1^3}$

则由式(2)， $y_0=\frac{{\∫}_0^H\frac{\mathrm{yb}}{l\left(y\right)}\mathrm{dy}}{{\∫}_0^H\frac{b}{l\left(y\right)}\mathrm{dy}}=\frac{C_2}{C_1}$

又中央截面F上的弯矩

$M={\∫}_F{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}\mathrm{ydF}={\∫}_0^H\frac{\mathrm{E\φ}(y_0-y)}{l\left(y\right)}\mathrm{ybdy}=E(\frac{C_2^2}{C_1}-C_3)\mathrm{\φ}$

故 $\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{MC}}_1}{E(C_2^2-C_1{C}_3)}$

代入式(1)，得 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}\left(y\right)=\frac{-M(C_2-y{C}_1)}{(C_2^2-C_1{C}_3)\·l\left(y\right)}$ (3)

式中 $M=P_c(A+\frac{w}{2}-f_0)=\frac{1}{2}{P}_c(A-s)$

故预紧状态下梁底面弯曲应力

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}\left(0\right)=\frac{-M{C}_2}{(C_2^2-C_3{C}_1)\·l\left(0\right)}=\frac{a_1{P}_c(A-s)(a_{1}H-a_0\mathrm{\λ})}{\mathrm{bH}{a}_0[({2a}_0+a_{1}H)\mathrm{\λ}-2a_{1}H]}$

钢丝层对梁中央截面的压应力 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{NC}}=-\frac{P_c}{\mathrm{bH}}$

因此，预紧状态下梁底面应力

${\mathrm{\σ}}_c\left(0\right)={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bc}}\left(0\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Nc}}=\frac{P_c\left\{a_{1}H\right[a_1(A-s)-2a_0]-a_0\mathrm{\λ}[a_1(A+R-2s)-2a_0\left]\right\}}{\mathrm{bH}{a}_0[({2a}_0+a_{1}H)\mathrm{\λ}-{2a}_{1}H]}$ (4)

式(4)中H、a₀、a₁、λ均是s的唯一表达式，因此确定s的取值，σ_c(0)的大小即定。

令σ_c(0)＝0，即a₁H[a₁(A-s)-2a₀]-a₀λ[a₁(A+R-2s)-2a₀]＝0

$\mathrm{\λ}=\frac{a_{1}H[a_1(A-s)-2a_0]}{a_0[a_1(A+R-2s)-2a_0]}$

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：R＝2025mm，w＝600mm，b＝700mm，P_c＝2508t，则s的取值范围为[0，1425]。由上推导计算可得梁底面应力σ_c(0)与内凹深度s的对照图如图7所示。s值越大，梁底面拉应力越小。当s≥1182mm时，σ_c(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0.285m。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。

Claims (2)

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：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_c\left(0\right)=\frac{P_c\left\{a_{1}H\right[a_1(A-s)-2a_0]-a_0\mathrm{\λ}[a_1(A+R-2s)-2a_0\left]\right\}}{\mathrm{bH}{a}_0[(2a_0+a_{1}H)\mathrm{\λ}-2a_{1}H]}\\ a_0=\frac{\mathrm{\π}}{2}s+(A-s)\\ a_1=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{A-s}{H}\\ \mathrm{\λ}=\ln \frac{a_0+a_{1}H}{a_0}\end{array}\right.$

其中，s为内缘的凹深度，σ_c(0)为梁的底面应力，A为机架窗口宽度的1/2，R为外缘圆弧的半径，P_c为单根立柱对梁的作用力，H为梁的最大高度，b为梁的厚度。

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