挤压机预应力框架压柱变形原因分析

挤压机框架是一个封闭的组合结构，主要由前、后梁、挤压梁和4根压柱组成简称三梁四柱，它是承受挤压力的最基本的构件。组合框架目前常见的有两种形式，一种是带钩头的厚板叠加成的预应力拉杆和受压柱套组合机架;另一种是圆柱形拉杆和受压柱套组合机架，见图1所示。

无论哪种结构，都是通过前梁外侧用预紧专用工具对张力柱加载预紧力使其拉伸，同时压柱受压，整个框架处于预应力的状态。由于预应力结构框架能大大提高液压机的承载能力,因此，预应力组合框架以其自身结构优势成为现代液压机设计中的常用结构。

目前挤压机框架的受力分析都是以传统理论计算(利用理论或经验公式)和有限元数值模拟相结合的方法。那本文我们就通过实测数据和结构力学分析来找出产生这一现象的原因。

试验方法

由于挤压机四根压柱不仅承受压力，两根下压柱还作为挤压梁和挤压简座的导轨，承载各部件的重量，而上压柱只是作为挤压简座的辅助导轨，所以压力试验只进行两下压柱在不同工作载荷下的变形情况。

以20MN挤压机为例，首先在两根下压柱导轨侧面及上面选择测试点，导轨侧面选3个点，导轨上面选3个点，其中一点靠近后梁、另一点在中间部位、最后一点靠近前梁，具体位置见图2所示。每个测量点用百分表进行测量，百分表座固定在机外静止的支架上，确保试验数据不受外界因素干扰。采集的数据如表1所示。

变形原因分析

挤压机预应力框架是由前、后梁、四根压柱和四根拉杆组成，拉杆穿过前、后梁和压柱的孔，拉杆两端用螺母将其紧固为整体框架。对拉杆预紧后，压柱的全长及前、后梁和螺母贴合处承受压应力，拉杆承受拉应力。在施加载荷时，前、后梁和压柱都承受着挤压应力和弯矩的作用。

一般情况下，实际预紧应力应大于工作应力，这样挤压机工作时螺母与梁之间始终存在着一定的应力，使框架保持为一个整体，增加了设备的整体刚度。由于挤压机框架结构是对称于中间平面的，且偏心载荷不大，为便于分析，假设载荷对称于中间平面或轴对称，空间框架简化为平面框架。

★  压柱和拉杆的变形关系

拉杆和压柱的预应力是在弹性范围内施加的，拉杆预紧力与变形量的关系符合虎克定律。压柱和拉杆的变形和受力关系的变化过程见图3所示，拉杆受预紧力F0的拉伸，伸长量为λ1，相反，压柱则在F0的压缩下，其压缩量为λ2。

当施加工作载荷F后，拉杆继续伸长，压柱随之被放松，压缩量也随着减少，为Δλ。拉杆拉力增至F2, 而压柱的压缩力由F0减至F1，F1被称为残余预紧力。这时拉杆的总拉力是残余预紧力F1与工作载荷F之和。

由图3可见，对于预应力框架的挤压机，工作载荷被分为两部分，拉杆和压柱各分担一部分，工作载荷中最主要的拉伸部分由拉杆承担，弯曲部分则由压柱承担。而且预紧力参数的设计直接关系到框架的稳定性和安全性。预紧力过小，将致使前、后梁与压柱的结合面发生开缝;预紧力过大，将致使拉杆过度塑性变形而产生早期断裂。

★  后梁的变形分析

后梁安装工作油缸，挤压机加载时，后梁承受油缸的反作用力。由于后梁的刚度远大于压柱的刚度，因此可以将后梁简化为简支梁，支点间距离为宽边压柱的中心距。工作油缸压力简化为作用于法兰半圆环重心上的两个集中力。根据挤压机简化结构画出的后梁受力分布、剪力图及弯矩图，见图4所示。F为工作压力，D为工作油缸外径。根据材料力学分析，后梁沿挤压中心向外弯曲。

★  前梁的变形分析

前梁在挤压机加载时，承受的是挤压力，假设挤压力作用在模座与前梁中心圆环形接触面的重心上，近似取为D/π，所以其变形情况与后梁类同。

★  整体框架分析

将以上各主要构件组合成框架结构，利用预紧力将框架进行预紧后成为预应力组合框架结构。对于预应力组合结构，在实际工作中梁存在弯曲变形，有可能引起压柱内角部开缝，影响框架整体性，为了确保在各种载荷工况下梁柱结合面均不开缝，预紧力是保证整体性的决定性因素，因此预紧力选取的大小，必须保证在最大工作载荷下，压柱中还存在一定的压应力。

同时考虑了前、后梁的弯曲变形，承载后拉杆和压柱均不同程度地发生了弯曲变形，其变形情况见图5所示。图中F为工作载荷，F1为压柱所承受的压力(残余预紧力)，M为前、后梁对压柱产生的弯矩.从图中可以看出压柱是向内弯曲的，最大变形位于中部。

综上我们可知：

(1)当给整个预应力框架施加工作载荷时，压柱由于压缩力减小，同时受到弯矩的作用，导致压柱侧导轨面向内弯曲，上导轨面向上弯曲。

(2)压力试验记录的数据基本符合理论分析压柱变形趋势。

(3)由于前梁采用非中心对称结构，即左右对称、上下非对称，后梁为中心对称结构，在进行压力试验时压柱还承载挤压梁和挤压简座的重量，还受到挤压力偏载因素的影响，所以实测数据变化不是很均匀。