專利名稱：一種預應力鋼絲纏繞內凹型梁機架的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于重型裝備、重型機械等工業(yè)領域中所使用的承載設備結構，特別涉及一種預 應力鋼絲纏繞機架。
背景技術：
本發(fā)明所指內凹型梁機架，它是預應力鋼絲纏繞機架的一種。
預應力鋼絲纏繞機架的特點是將原有的整體機架剖分為上梁、下梁和兩側立柱分別制造， 再施加預緊鋼絲層纏繞成整體。其疲勞強度好，承載能力高，降低了加工制造難度，應用廣 泛。其結構示意圖如圖l所示，立柱在纏繞鋼絲層預緊力的作用下，任何狀態(tài)均保持受壓， 有效地降低了疲勞裂紋擴展的可能，受力情況較為理想。但其上、下梁的受力情況較復雜， 應力分布由于梁結構的不同而不同，而且在預緊狀態(tài)下梁底面往往為拉應力區(qū)域，工作狀態(tài) 下還可能呈壓應力，應力狀態(tài)具有交變性質，為疲勞強度的薄弱環(huán)節(jié)。因此，需設計合理的 梁結構，使得在任何狀態(tài)下，其底面均呈低拉應力或無拉應力，這對提高梁的強度具有重要 的意義。此外，梁底面通常作為其它部件(如油缸)的安裝面，因此梁的結構往往還影響其 它部件的安裝與配合，同時也會影響機架的整體高度及穩(wěn)定性等。
目前，預應力鋼絲纏繞機架的上、下梁有半圓梁、拱形梁、三角形梁和凸底型梁等結構。
半圓梁結構的機架平面示意圖如圖l所示。其結構簡單，易于加工裝配，應用最為廣泛。 但梁底面可能產生拉一壓交變循環(huán)應力區(qū)，大大降低了梁整體的疲勞強度，且底面總變形量 較大，不利于油缸等部件的安裝。
拱形梁結構的機架平面示意圖如圖2所示。其應力狀態(tài)較為理想，采用合適的半圓形墊 塊與拱形梁的配合形式，可使梁在預緊和工作狀態(tài)下均呈壓應力。但其缺點是需保證半圓形 墊塊與拱形梁的圓弧面配合。對于大尺寸機架，不能實現(xiàn)纏繞后機床上的再加工，因此只能 靠打磨修整、墊以較軟的金屬墊片實1L兩者之間的配合，增加了裝配難度。
在探索和改進的過程中半圓梁結構還有兩種變異結構三角型梁、凸底型梁。 三角型梁結構的機架平面示意圖如圖3所示，由于預緊鋼絲層僅對圓弧段作用有壓應力， 確定合適的結構尺寸參數(shù)，可降低預緊狀態(tài)下梁底面的拉應力，從而改善底面形成交變應力 區(qū)的情形。但其缺點是梁外緣不易加工，增加了制造難度。三角型梁的一種特殊結構——鼓 形梁結構的機架平面示意圖如圖4所示，此梁結構的頂面由于預緊狀態(tài)下鋼絲層產生的壓應
力較小，而工作狀態(tài)下拉應力較大，為危險區(qū)域。
凸底型梁結構的機架平面示意圖如圖5所示。外凸部分使梁的抗彎強度增強，故預緊狀 態(tài)下梁底面拉應力降低，從而改善了底面形成交變應力區(qū)的情形。此外，外凸部分使纏繞鋼絲層對立柱產生了水平預緊力，故凸底型梁結構的機架適用于承受偏心載荷。但其缺點是梁 重量增加，形狀突變處存在應力集中，并且需增加立柱的長度以保證壓機足夠的工作空間， 從而增加了機架的整體高度。
現(xiàn)有的幾種梁結構機架各具優(yōu)點，但均存在不足之處，對預應力鋼絲纏繞機架的設計及 應用增加了限制因素。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有梁結構機架存在的不足和缺點，提出一種可有效利用空間、降 低機架整體高度、并控制其在任何狀態(tài)下底面拉應力均較小的內凹型梁機架。 本發(fā)明的上述目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的
一種預應力鋼絲纏繞機架，由上梁l、下梁2和兩側立柱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，梁的內緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的 外緣4及內緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側，并且上梁的底平面與油缸連接。
所述上梁和下梁的內緣的凹深度與梁的底面應力呈以下關系
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為內緣的凹深度，"c(O)為梁的底面應力，^為機架窗口寬度的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)有預應力鋼絲纏繞梁結構機架相比，具有以下突出性效果及優(yōu)點①突破了
當立柱寬度及間距一定時梁上應力情況即定的模式。通過調整梁的內凹深度尺寸，可改變梁 上的彎曲應力及預緊鋼絲層產生的壓應力，從而調整梁底面的應力分布。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，降低了機架整體高度，提高了整體穩(wěn)定性并減輕 了機架重量。
圖1為半圓梁結構的機架平面示意圖。
圖2為拱形梁結構的機架平面示意圖。 圖3為三角型梁結構的機架平面示意圖。 圖4為鼓形梁結構的機架平面示意圖。 圖5為凸底型梁結構的機架平面示意圖。
4圖6為內凹型梁結構的機架平面示意圖。
圖7為本發(fā)明的內凹型梁1/2結構的平面計算模型。
圖8為本發(fā)明提供的25MN自由鍛/快鍛液壓機的梁底面應力R.(O)與內凹深度s的對照圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步的說明。
圖6為內凹型梁結構的機架平面示意圖。本發(fā)明提供的預應力鋼絲纏繞機架，由上梁l、 下梁2和兩側立柱3組成，所述的上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內緣由一底平 面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側，上梁 的底平面與油缸連接。
內凹型梁預緊狀態(tài)下梁的彎曲應力較大，底面為拉應力。工作狀態(tài)下，梁承受反向彎曲， 底面的拉應力減小，甚至變?yōu)閴簯?。因此，預緊狀態(tài)為危險狀態(tài)。而預緊狀態(tài)下，梁底面 為彎曲拉應力最大處，為危險區(qū)域。下面采用纖維法計算預緊狀態(tài)下梁底面中點處的應力， 以說明內凹結構對該處應力的影響。
該梁l/2結構的平面計算模型如圖6所示。J為機架窗口寬度的1/2; vv為立柱的寬度；
s為梁內凹深度；i 為外緣圓弧的半徑；r為內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；《為預緊鋼絲層引起的壓載荷。
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若不考慮鋼絲槽的深度，則/。
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則/(力="。十aj 設梁厚度均勻，6(y)=6=co"w;
中央截面附近滿足平面假設，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處纖維的彎曲應力o^ = (1 )
根據(jù)彎曲理論，垂直梁軸線的截面其法向應力的合力為零，故4 j> ,(力'fll
產少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 ) /(>)
故預緊狀態(tài)下梁底面彎曲應力
—MC2 《04-;y)(fl^-flo;i)
(C22 - C3C!). /(0) — 。 [(2a0 +- 2a//]
鋼絲層對梁中央截面的壓應力
°"wc =_-
(3)
因此，預緊狀態(tài)下梁底面應力
"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。]
下面舉出幾個實施例以進一步理解本發(fā)明
實施例1: 25MN自由鍛/快鍛液壓機預應力鋼絲纏繞內凹型梁的設計 機架采用內凹型梁結構，計算模型參數(shù)i =2025mm， w=600 mm， 6=700 mm，戶產2508 t，則s的取值范圍為
。由上推導計算可得梁底面應力C7"0)與內凹深度s的對照圖如 圖7所示。5值越大，梁底面拉應力越小。當論1182mm時，trc(0)<0，預緊狀態(tài)下梁底面無 拉應力作用。實際整體重量約112t,總高度約11.06m，總寬度約4.05m，上梁內凹深度約0.4m， 下梁內凹深度約0.285!11。相比于等外緣尺寸的半圓梁結構，此梁結構機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)場實測應力約為33.8MPa，應力值較小，有效地 提高了機架的整體強度。
權利要求
1.一種預應力鋼絲纏繞機架，由上梁1、下梁2和兩側立柱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，梁的內緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側，上梁的底平面與油缸連接。
2. 按照權利要求1所述的預應力鋼絲纏繞機架，其特征在于所述上梁和下梁的內緣的凹深度與梁的底面應力呈以下關系<formula>formula see original document page 2</formula>其中，S為內緣的凹深度，(7c(0)為梁的底面應力，^為機架窗口寬度的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
一種預應力鋼絲纏繞內凹型梁機架，上梁1和下梁2的斷面均呈倒凹字型，梁的內緣由一底平面6及兩過渡圓弧面5組成，梁的外緣4及內緣圓弧5在梁外緣圓弧直徑7的同一側。該機架的內凹型梁結構簡單，易于加工和裝配；有效利用了空間，降低了機架的整體高度，提高了整體穩(wěn)定性，且減輕了重量。確定合適的梁內緣結構，可使梁在任何狀態(tài)下拉應力均較小，從而提高其疲勞強度，是一種較為理想的可控低拉應力梁結構機架，具有廣泛的應用前景。
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