[发明专利]全预应力场下剖分-组合挤压筒的设计方法和结构

说明书

技术领域

本发明属于一种预应力组合挤压筒的设计方法，尤其适用于大吨位金属挤压机的挤压筒的设计。

背景技术

挤压筒是挤压机的核心部件，其承载能力、疲劳寿命、经济性和结构紧凑性都有很高的要求。传统的挤压筒主要采用多层组合筒结构。该结构为自预紧结构，其原理是利用内外层的过盈配合对内层产生预紧力。根据预紧系数的选取可以使内壁在工作状况下拉应力很小甚至无拉应力。如附图1。当工况下无拉应力时，可以将内衬做成剖分结构，在承压能力不变的情况下降低内衬的加工成本，并易于更换。因而，组合筒比整体筒具有更高的承载能力和疲劳寿命，在经济性、结构紧凑性方面也明显优于整体筒。但对于大吨位挤压机，其挤压筒的自重一般超过100吨，采用组合筒在设计和制造上都有很大困难。本发明旨在针对大型挤压筒寻求一种新的设计思路。

预应力钢丝缠绕技术由来已久。早在17世纪，人们就用金属丝缠绕来加强轻野战炮筒。19世纪末，Longridge首先提出钢丝缠绕预紧筒体的原理。如今，钢丝缠绕技术已经在高压承载容器中有了重要运用，如高压油缸，天然气罐等。得益于钢丝的高强度，用钢丝预紧挤压筒可以产生强大的预紧力，并且钢丝缠绕层数越多，预紧力越大，但对挤压筒的成本影响不大。由于钢丝可以提供很大的预紧力，能使筒体各处均处在压应力的保护之下。相对于自预紧组合筒产生的局部预应力保护，可以将这种外层钢丝缠绕产生的全面预应力的情况称作全预应力场。

相比于整体筒和自预紧组合筒，预应力钢丝缠绕组合筒具有很高的疲劳寿命，表现在两个方面：

1)在工作状态下预应力钢丝缠绕组合筒的筒体依然受压应力，或拉应力很小，因而其疲劳寿命高。

2)外层钢丝尽管平均应力很大，但载荷波动很小，接近静载，所以钢丝的疲劳寿命也很高。

此外，相关研究表明，钢丝工作在900MPa以下和80℃以下时，钢丝的蠕变很小，预应力损失很小。因而，钢丝缠绕预紧是有效的。

发明内容

如附图2，在筒体的外层缠上钢丝，相当于在筒外加了一个外压P_b，使各层在预紧时切向和径向均受压应力，而在工作状态下，相当于筒体承受内压P_a的情况叠加上承受外压P_b的情况。由图2可知，外压产生的切向压应力由外层向内壁递减，内压产生的切向拉应力由内壁向外筒递减，叠加后，内壁处所受拉应力最大，外壁处最小。因此，只要通过设计合理的预紧系数，保证内壁处切向拉应力较小甚至切向受压时，外筒将处于切向全压应力场中。此时，即使将外筒周向分割成数块，由于压应力的存在，结构也不会发生失效，剖分式外筒与整体式外筒的受力情况无异。当然，也可以进一步加大预紧系数，使中衬甚至内衬工作在无拉应力状态，将中衬和内衬也做成剖分式，如附图3。这样，单件坯料质量减少，制造难度和成本均下降。

相比传统的自预紧组合挤压筒，钢丝缠绕预紧剖分-组合筒具有如下的突出优点：

1)承载能力强，疲劳寿命长；

2)采用剖分结构，并用铸件代替锻件，显著降低了外筒的制造成本。

3)尺寸小，结构紧凑，壁厚对内压不敏感。

因而，在制造大吨位挤压机时，相比于传统的自预紧组合筒，钢丝缠绕预紧剖分-组合筒具有明显的优势。

附图说明

图1为整体筒和两层组合筒的受力图。

图2为钢丝缠绕组合筒工况下的受力分解图。

图3为三层预应力钢丝缠绕挤压筒的结构简图。

图1中，(a)为整体筒受力状况；(b)为两层组合筒受力状况。

图2中，(a)为单受工作内压时筒体受力图；(b)为单受预紧外压时筒体受力图。

图3中，各层筒都均分四块，配合时，中衬与内衬的剖分块错开45°，外衬与内衬剖分线对齐。这种装配可以使筒体受力更均匀。

具体实施方法

以360MN圆挤压筒的设计为例，应用本发明的技术方案如下：

1)如附图3，在选定挤压筒各层材质和缠绕用钢丝后，由挤压机机架尺寸，加工坯料尺寸可定r_b，r_a，又已知工作时最大内压p_amax，根据等剪应力缠绕及内壁无拉应力原则可求出钢丝缠绕层厚度及各层的缠绕初张力。

2)综合考虑受力、受热情况和制造难易程度，选择各层厚度。

3)按照张力台阶完成挤压筒的预应力钢丝缠绕工步。

4)亦可以先缠绕外筒和中衬，然后将内衬压配进去；或者仅缠绕外筒，然后将中衬和内衬分先后顺序压配进去。