维普资讯 http://www.cqvip.com 中国陶瓷工业 ２００２年６月第９卷第３期 ＣｍＮＡ ＣＥＲＡＭ】Ｃ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｊｕｎｅ．２（Ｋｒ２ Ｖｏ１．９。Ｎｏ．３ 文章编号：１００６—２８７４（２１３０２）０３—００１８—０５ 大吨位钢丝缠绕液压压砖机机架的设计 吴南星 余冬玲 （景德镇陶瓷学院机械电子工程学院，３３３００１） 摘要从力学角度阐述了大吨位钢丝缠绕液压压砖机机架的设计过程，包括机架结构的选择、立柱的设计、预紧系 团㈠㈠ 一 数的确定、缠绕层的设计（缠绕方式的选择，缠绕总层数的计算，初张力的计－ｇ），随后给出了实例计算，旨在 为此类压砖机的设计提供一定的理论依据 关键词钢丝缠绕，压砖机，机架 文献标识码．Ｄ 中图分类号：ＴＱ１７４．６ ２１ 我国从５０年代就开始了预应力钢丝缠绕结构的研究 １ 前 言 予币鹿力钢丝缠绕机架是近年来发展起来的一种液压和机 但是钢丝缠绕技术应用于陶瓷液压压砖机仅在这两年展开 今年７月．４８００吨钢丝缠绕液压压砖机的研制成功，使我国 压压砖机的整体设计水平得到了提高，缩短了与世界先进７ 平的距离 架，其结构如图１所示 该机架是田上下两个半圆梁及两 枉组成，在框架周围都缠以高强度预应力钢丝 目前，国内夕ｈ广一泛采用的陶瓷液压压砖机为三粱四柱结 构．如图２所示 它广泛应用干由小吨位压机上．但立柱受扛 应了］作用且载荷渡动量大，另在粱柱的螺纹接台部位Ａ处产 生应力集中，形成强度薄弱环节，容易造成疲劳破坏 图３是 ‘ １板框结构机架，其主要优点是消防了立柱上因螺纹而引起的 ｛ ／ ！ ／ 应力集中现象。但在Ｂ处仍有拉应力集中，即使是加大粱柱 过渡区的过渡圆角，但对于全天候高频工作的陶瓷压砖机束 说，也檄易因疲劳存此处断裂 由于预应力钢丝缠绕机架具有疲劳强蛮高、重量轻、承载 能力高 全可靠等优点，解 了传统液压压砖机存在的许 问题，因此得到了广泛的应 ．本文试图在钢丝缠绕陶瓷 川 ／， 图１ 钢丝缠绕机架简图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｈｅｔｃｈ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｉｌｋ ｔｗｉｎｉｎｇ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ 压压砖机的设计方面进行探讨，供设计者参考 ２缠绕机架主体设计 ２ １机架结构选择 缠绕机架的设计要根据陶瓷粉料成形的工艺特点及压砖 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第３期 中国陶瓷工业 １９ Ａ Ａ 图２三梁四柱机架简图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｂｅａｌ／ｉＳ ａｎｄ ｆｏ１３Ｉ＂ｃｏｌｕ／ｎｉｔｓ 图３板框式机架简图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｗｉｈ ｔｂｏａｒｄ ａｎｄｆｒａｍｅ ｓｔｙｌｅ 图４机架尺寸关系图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ 图５预紧系数计算模型图 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆｔｉｇｈｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｌｕｌａｔｉｏｎ 度的钢丝槽，用于缠绕钢丝。 墙地砖的压制过程中，运动部件（动梁）要求很高的导向 精度，故采用两根导向柱导向。两导向柱平行固定于两立柱 的前端面上且滑块～端固定于动梁上，这样，导向柱本身不承 受压机主油缸产生的轴向力，受载前后虽然缠绕机架的立柱 有较大变形，但是附加的两导向柱变形很小，因此取得很高的 决定立柱净间距的主要因素是主油缸外径。半圆梁的宽度应 等于或稍小于主油缸的外径，这就确定了梁的宽度ｃ。对于 单牌坊机架的压砖机，立柱的宽度也为ｃ。暂不考虑立柱的 弯曲，使立柱的平均应力稍小于立柱材料的许用应力，从而可 求得立柱的厚度ｂ。 若考虑弯曲应力，可按下式计算： １ ＝导向精度从而使立柱的刚度要求可以低～些。 根据上半圆梁受钢丝预紧后的应力分布情况，半圆梁的 部分距底面０．２Ｒ一０．５５Ｒ（Ｒ为半圆梁纵截面的半径）的 区域为低应力区 。可把此区域挖空，作为内置油箱用，如图 １所示，这样，既降低丁整机高度，又降低了整机重量 ２．２立柱的设计 Ｄ ｂ 莆 （１） 其中， 为单根立柱截面积， 为单根立柱承受的预紧力， ［ｏ］为其许用应力。 立柱基本尺寸确定后，可按下式校核立柱的稳定性： 立柱的合理设计是整个机架设计的基础，机架的总体尺 ≤Ｐｋ＝舞 Ｌ为立柱长度。 如能满足上式，则立柱不会失稳。 （２） 寸与立柱的截面尺寸有着密切的关系。对于陶瓷压砖机的单 牌坊机架，其尺寸关系如图４。 只要立柱的尺寸确定了，上下半圆梁的尺寸也就确定了。 其中，Ｐｋ为临界失稳载荷，Ｅ为立柱弹性模量，Ｊ为立柱惯性 矩（立柱两个Ｊ中取小值），１１ 为失稳安全系数（一般取２—３）， 例如确定了立柱净间距２ａ，梁 ｂ，则半圆梁半径Ｒ：ａ＋ｂ。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０ 中国陶瓷工业 ２００２年第３期 ２．３预紧系数的确定 因等张力缠绕工艺简单，故常采用等张力缠绕。而对大吨位 压机，如４０００Ｔ以上液压压砖机，因缠绕层数较多，宜采用变 预紧系数 ｉＰ Ｔｌ 张力缠绕方式；与等张力相比，虽缠绕层数相近，但却大大降 低钢丝的最大应力，充分发挥了钢丝的潜能，从而提高了整机 的疲劳强度。 ２．４．２缠绕总层数ｎ的计算 根据大吨位陶瓷液压压砖机的自身特点，立柱长与缠绕 钢丝槽底半径之￣Ｌ（Ｌ／Ｒ）大于２，半圆梁最外层钢丝半径与最 其中，Ｐ为工作载荷，Ｐ 为作用在单根立柱土的预紧力，ｉ为立 柱根数。 压砖机钢丝缠绕机架必须预紧到一个合适的程度，过紧， 在预紧过程中就会破坏或使机架体积过于庞大；过松，则机架 在承受工作载荷时产生梁柱脱开，甚至产生破坏。预紧系数 的选择以工作时梁柱不脱开为界。 内层钢丝半径之比（Ｒ２／Ｒ。）小于１．０６，均大大满足内外层钢丝 工作应力差别小于５％ 。故采用Ａ型变张力缠绕方式。即 不考虑ａ２内外层的不均匀性，以其平均值否代替ｏ＇２，亦可近 图５为立柱在工作载荷作用下受力示意图（假定半圆梁 及半圆梁部分钢丝均不发生变形）。作用在一根立柱上的工 似认为在预紧状态内外各层钢丝的预应力 都相等。所以： ＝ｑ Ｘ ｍ×ｎ×ｆ （８） 作载荷为Ｐ／２，它靠预紧钢丝和立柱共同平衡 ，设直边钢丝段 和立柱的截面积、弹性模量分别为 、Ｅ 和 、ＥＰ，则： 静力平衡条件 ＋ ＝Ｐ／２ （３） 而ｑ＝［。］一 ×ｋｏ）代入（８）式得 ４ Ｐｌ “ ＝抓 （令ｋ＝ｍ×ｎ 变形协调条件 ＝器 钢丝截面积） ，解得 Ｐ｝，＝ ｋｏ Ｐ， ＝（４） （５） 式中， ：ｉｎ・ｎ・ ｍ为每层钢丝数，ｎ为钢丝总层数，ｆ为单垠 —Ｂ＋ －４ＡＣ … ｍ（－Ｂ＋ ’ 一～ ～一Ｌ 其中，Ａ＝２ｆ，Ｂ：兰！ 二 ＋１） ２（ｋｏＰ，ｃ：－＝－三 。 通过以上公式，只要已知工作载荷、预紧系数、立柱截面 和选定钢丝型号后就可求得钢丝的总层数和每层钢丝预紧后 的预直力。 ２．４．３各层钢丝缠绕初张力Ｔ的计算 工程实际中，变张力缠绕往往是按照一层或几层钢丝改 其中，ｋｏ＝ Ｆ￣＇Ｆｗ，如果Ｐｌ，等于预紧力Ｐ ，则立柱端面上的压 力（预紧力）ｌ为０，此时梁柱结合面肓可能脱开，这是不允许 的。即要求： Ｐ＞Ｐｌ，： ＥｏＰ （６） 变一次张力。现假定正在缠绕ｘ＋１层，其对已缠绕的Ｘ层 和机架产生的压力如图６所示。 把Ｔｌ＝ （取ｉ：２）代人，得： １ （７） 预紧系数 的确定，除采用上式外，通常还应考虑到超 载、偏载和预紧误差等影响因素的存在，一般 取值比计算值 稍大。 ２．４缠绕层的设计 ２．４．１缠绕方式的选择 按照钢丝缠绕的初张力不同，可分为等张力撞绕和变张 力组绕。等张力缠绕过程中，内昙钢丝不断受到外层钢丝的 压缩而产生张力下降，导致各层钢丝上预应力分布不均，外层 钢丝的应力高于内层。 变张力缠绕时，按钢丝层等强度要求，采用不同的初张力 进行缠绕，在压砖机工作时，各层钢丝的应力均为ｏ，ｏ＝ ：［ｏ］（钢丝许用应力） 其中西为预紧： 态钢丝的预应力， 啦为钢丝受工作载荷产生的喧力、、 对小吨位压机，因缠绕 数／， ，内外县喧力差别不大，又 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第３期 中国陶瓷工业 ２１ 式中，Ｔ为ｘ＋１层的每根钢丝的初张力， 为正缠绕的第ｘ＋ 若 ＝∑Ｐｄ则台阶划分成功。在实际工程中，除按以上 计算值施加初张力缠绕外，还应注意： １层钢丝对立柱的压力，ＰＲ为对已缠绕的ｘ层钢丝产生的压 力。 （１）起头时，为防止钢丝从固定端拔出，头几圈的钢丝不 Ｅ等：Ｐ Ｆｐ—Ｅｘ ｍｆ 联解（１０）、（１１）式得： ｐ…ｘ．ｍ２Ｔ Ｒ—（１１） 要施加很大的初张力，以拉直钢丝为准。 （２）收尾时，还需多缠绕２—３层的保护层，初张力一般取 ６０—３００公斤力，每缠绕一层均涂环氧树脂防锈，有时为了提 高环氧树脂层强度，还在其表面包玻璃丝布，在布上再涂环氧 树脂。 ｐ一 ＩｌⅨ＋ｋ’ ｃ一瞰＋ｋ 缠绕第ｘ＋１层钢丝后，原有每层钢丝的张力损失为： Ｐａｘ－ ３ 实 例 以４８ＯＯ吨液压压砖机的钢丝缠绕机架设计为例。其主 ２Ｔ（ｔ）ｄｔ 第ｘ＋１层至最外层对Ｘ层钢丝产生的压力（即预紧力损 失）为： ∑ ＝ ｔ ．．ｍｍｔ＋要参数有：公称压力：４８０叽．（４７．ｏ４ＭＮ）；立柱净间距：１７５０ｍｍ； 工作台尺寸：（长×宽）１７５０ｍｍ×１３８０ｒａｍ；压机机架轮廓尺寸： （长×宽×高）２５７０ｍｍ×１３８０ｒａｍ×５７０ｒａｍ。 ｋ根据Ａ型变张力缠绕的假定，预紧后每层钢丝的预应力 相等，即 ｏｒＴ（ ）一Ｊｆ￣ ． ｍ２Ｔ（ｔ）ｄｔ－＝ｍＴｏ 根据上述参数，确定压机结构和主要尺寸（如图８），梁柱 材料选ＺＧ２７０—５００， ＝１７５ＧＰａ， ＝２７０ＭＰａ， ＝５００１￣ａ。由 图知Ｆｐ＝３４４６ｅｍ￣，钢丝材料６５ 油回火钢丝（１．５×５ｍｍ）， 微分上式有：ｔ ）＋ Ｔ㈦： （ ） — ＝０，解得： （１２） 其机械性能为 ＝１７６４ＭＰａ， ＝１５６８Ｍ￣ａ，ＥＩ＝２０１ＧＰａ，钢丝 许用应力［ｏ］＝７８４ＭＰａ，钢丝实际截面积ｆ＝０．０７５ｃｒｎ２。 式中，Ｔｎ为最外层ｘ＝ｎ）每根钢丝的初张力，缠绕完成后，单 根立柱的总预紧力为 ＝ｍ・ｎ・Ｔｎ。 由（１２）式可绘出如图７所示曲线。 Ｔ 图８机架尺寸图 Ｆｉｇ。８ Ｔｈｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｘ 图７缠绕初张力分布图 ｇ。７ Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｎｇ ｉｎｉｔｉａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ （１）缠绕设计 本压砖机采用单牌坊结构，由于受中心载荷作用，预紧系 数一般可取较小值，但考虑到陶瓷压机的工作环境等综合因 素，略将系数提高，取Ｔｌ＝１。１，则单根立柱上的预紧力为： １ ＝在－Ｖ程实际中，一般没必要每层都采用不同的张力，为便 于机架缠绕，而是将图中所示初张力曲线离散化。 设某一“台阶”为Ｘ＜ｘ≤ｘｊ，每根钢丝使用相同的初张 力为Ｔ，则该台阶对单根立柱产生的预紧力为： ＝１ 音 ＝寺×１。１×４７。ｏ４＝２５。８７２ＭＮ ｒ 工ｒ 采用Ａ型变张力缠绕，缠绕总层数由式（８）确定： ｆｘＸｊ Ｐｏｄｘ＝』 ｃｂ（＝（～＋ｋ） ｅｘｉｒ“ｎ：—— ■ 芦：２６。’ ６９（１￣２ＺＴ） 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国陶瓷工业 ２００２年第３期 表１各层钢丝张力参致 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｆｏｌｄ ｓｔｅｅｌ ｓｉｌｋ ｔｅｎｓｉｏｎ Ｘ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌ１ １２ １３ Ｔ（Ｎ） ５９４１ ５８８７ ５８６１ ５８３５ ５８０９ ５７８４ ５７５８ ５７３３ ５７０８ ５６８４ ５６５９ ５６３５ ５６ｌ１ （ＭＰａ） Ｘ ７９２ １４ ７８５ ｌ５ ７８２ ｌ６ ７７８ ｌ７ ７７５ ｌ８ ７７１ ｌ９ ７６８ ２０ ７６４ ２１ ７６１ ２２ ７５８ ２３ ７５３ ２４ ７５１ ２５ ２６ ７４８ ２７ Ｔ 咖 ５５８７ ７４５ ５５６３ ７４２ ５Ｓ４ｏ ７３９ ５５１６ ７３５ ７３３ ５４７０ ７２９ ５４４７ ７２６ ７２３ ７２０ ５３８０ ７１７ ５３５９ ５３３７ ５３１５ ５２９４ ７１５ ７１２ ７０９ ７０５ 表２各等张力台阶的预紧力参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｅｐｓ 等张力台阶 ＸＪ Ｘ。 １ ４ ０ ２ ８ ４ ３ １２ ８ ４ １６ １２ ５ ０ ２１６ ６ ２４ ０ ２７ ７ ２４ ２（Ｎ） （ＭＰａ） Ｐａ（ＭＮ） ５９ｏ０ ７８６．７ ４．２３３ ５８２０ ７７６ ４．１０２ ５７。Ｏ ７６０ ３．９４８ ５６１Ｏ ７４８ ３．８２ ５５２ｏ ７３６ ３．６９５ ５４４０ ７２５ ３．５８２ ５３３７ ７ｌ１．６ ２．，９７ 式中，ｍ： ＝一３：１８１根，ｋ： ：４．０００３×ｌＯ４，Ａ：２Ｆ ４结论 ０．１５ Ｘ １０一 ｎ１２，Ｂ＝（２ Ｐ‘一２（Ｄ］ｔｋ ｐ）／ｋ：一９．３９ Ｘ １０一 ／ＶｌＮ， Ｃ＝一２［ｏ￣Ｐ，．／Ｋ＝一１．０１４１（ＭＮ／ｍ） 又Ｒ２／ＲＩ＝（１２０５＋１．５×２７）／１２０５＝１．ｏ３３６，Ｌ／Ｒ＝３０００／ （１）经实例计算，并与市场上４８００吨钢丝缠绕压机的实 际数值相比，能很好相符。证明以上推导结论及公式用于陶 １２０５＝２．４９对照资料（２］，内外层钢丝应力不均匀程度为１．Ｏ１ —瓷液压压砖机钢丝缠绕结构设计是可靠的。 （２）陶瓷液压压砖机钢丝缠绕结构多采用单牌坊式机架， ０．９９２＝０．０２＜５％，故机架确定采用Ａ型变张力缠绕。 在工程实际中，缠绕完２７层后，再加缠绕３层保护层（初 具有重量轻、疲劳强度好、承载能力高等优点。对于机架为四 个立柱时，即机架每侧为两个立柱，结论及公式中的Ｊ、Ｆｎ应 为两个立柱的惯性矩、面积之和。 参考文献 张力可选２ｋＮ一０．５ｋＮ），总共３０层。 （２）缠绕初张力的计算 缠绕初张力Ｔ的计算是缠绕设计最重要的一环。Ａ型变 张力缠绕时，每层钢丝的初张力可由式（１４）计算。经计算Ｔｎ ：Ｐ／２・ｎｌ￣ｎ＝５２９４Ｎ。Ｋ＝４．０００３×ｌＯ４，计算出各层钢丝张力如 １ 范宏才主编．现代锻压机机械．北京：机械工业出版社 ２颜永年，俞新陆著．机械设计中的预应力结构．北京：机械工业出版 表１。将变张力缠绕简化为７个台阶，每个台阶初张力和对 立柱产生的预紧力见表２。Ｐｃ＝∑ ．＝２５．９７７ＭＮ ２５．８７ＭＮ 达到设计要求，说明等张力台阶划分成功。 社 ３苏达增．１２６ＭＮ冷等静压机机架的设计与研究．重型机械．１９９４．４ ４ ＡＲＴＨＵＲ．Ｐ．ＢＯＲＥＳＩ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｃｈａｎｉｃｓ ｏｆＭａｔｅｒｉａｃｓ，第三版。１９７８ （下转第２６页）
