一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的製作方法
2023-05-27 06:50:26 5
專利名稱：一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的製作方法
技術領域：
本發明屬於重型壓力加工設備領域中所使用的承載結構，特別涉及一種能夠承受 多向載荷的預應力鋼絲纏繞機架。
背景技術：
本發明所指能夠承受多向載荷的機架，是重型壓力加工設備、尤其是指由多於2 個方向同時或分步對工件施加壓制力的設備。壓力加工設備是以一定壓制力作用於工件或模具來完成加工的，如各種鍛壓設 備、衝壓設備、軋制設備和壓鑄設備等。常用壓力加工設備有兩個相互平行、方向相反的壓 制力同時作用，其中一個通常是主動施加的(如用液壓油缸、曲柄連杆機構或鍛錘打擊 等)，而另一個通常是工作檯被動產生的反力(但也有主動施加的，如對擊錘等)。這兩個 力互為作用力和反作用力，並通過承載結構(機架)相互平衡(但自由鍛錘的打擊反力是 通過機架傳遞到地基上)。此外有些加工工藝要求兩個以上方向的壓制，如徑向鍛造、多向模鍛和平鍛等，這 些壓制力亦需要通過承載結構(機架)平衡，特別是壓制力較大時，更需要重型承載機架來 平衡，並把壓制力的反作用力限制在結構內部，不作用到周圍環境(如地基)。承受多向載荷的結構通常有兩種主要形式一種是單一承載結構同時承受多向載 荷的作用，結構可以是非預緊的，也可以是預緊的，但預緊力只在一對主要方向，其它方向 沒有預緊力，這種結構在多向載荷聯合作用時，各載荷在承載結構上產生的應力將疊加，造 成結構的局部應力迅速增加，因此要求結構具有很大的承載能力，否則容易破壞。對於大 型、重型多向壓力加工設備，如多向模鍛液壓機、徑向鍛造機等，其設計和製造難度較大。另一種是有幾個獨立結構(機架)分別承載一對方向相反的壓制反力，例如對於 多向模鍛液壓機，一個立式機架承受垂直方向的一對壓制反力，另一個臥式水平機架承受 水平方向的一對壓制反力。這樣垂直方向和水平方向的兩個機架承載時互不影響，不存在 應力疊加問題，可按照普通機架的要求設計製造。但這些獨立機架的結構將匯聚並貫通於 加工區域，結構在有限的空間內非常容易幹涉，或包圍環繞，結構增大；或交錯貫穿，相互削 弱。因此，大型多向壓制設備的設計和製造無論是採用單一承載結構還是採用幾個獨立承 載結構，設計和製造難度都非常大。解決這一工程難題的思路是在避免結構幹涉的前提下，施加與多向載荷相對應的 多向預緊力，通過改變結構的受力狀態，消除載荷產生的應力疊加對結構造成的不良影響， 提高單一結構的承載能力。但為避免出現結構幹涉或削弱現象，不能採用相互貫穿方法來 產生多向預緊力。通常的預應力鋼絲纏繞機架只承受兩個相互平行、方向相反的載荷，其外輪廓的 圓弧集中在上下橫梁上，而立柱外輪廓是平行於載荷方向的直線。最典型的上下橫梁結構 是半圓形梁、拱形梁或內凹型梁等，梁的外輪廓都是180°的半圓；而一些變形橫梁，如三 角形梁等，梁的輪廓由兩段或三段圓弧和之間的直線組成，每個橫梁上鋼絲繞過的圓弧弧度角之和為180°，其預緊力沿各圓弧段積分累加後等於二倍的鋼絲張力。上述特徵表明， 通常的預應力鋼絲纏繞機架的預緊力都集中在上下橫梁上，以平衡平行於立柱方向的一對 壓制反力，而不具備產生多個方向上的預緊力，平衡多向壓制反力的特徵。需要說明的是，有些預應力鋼絲纏繞機架的上下橫梁的外輪廓由多段圓弧或橢圓 弧組成，由於鋼絲繞過的總角度為180°，鋼絲產生的預緊力亦等於2倍的鋼絲張力，同樣 不具備產生多個方向上的預緊力，平衡多向壓制反力的特徵。還有些預應力鋼絲纏繞機架的立柱外輪廓由一段半徑較大、圓心角很小的圓弧組 成，其目的是使立柱段的鋼絲具備一個很小的側壓力，以防止鋼絲扭轉，保證鋼絲排列整 齊。這種機架由於立柱段的圓弧弧度角較小，而且圓弧分布在整個立柱上，鋼絲對輪廓的壓 力小且分散，因此也不具備產生多個方向上，特別是相互垂直方向的預緊力，以平衡壓制反 力的特徵。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞機架，使其能產生 多個方向上的預緊力，以具有平衡多向壓制反力的特點。本發明的上述目的是通過如下技術方案實現的本發明提供的一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵在於所述 預應力鋼絲纏繞多向預緊機架的外周輪廓包括至少三段與壓制反力數量相等、方向相對的 圓弧梁和至少三段直段梁，所述的圓弧梁和直段梁相間布置，且所述直段梁的外輪廓與相 鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在所述機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼絲。上述技術方案中，其特徵還在於所述直段梁的內輪廓至少含有一段與壓制反力 的運動方向平行的直線段。本發明提供的另一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵在於所 述預應力鋼絲纏繞多向預緊機架的外周輪廓包括四段與壓制反力數量相等、方向相對的圓 弧梁和四段直段梁，該四個圓弧梁採用偏置正交布置，即相鄰圓弧梁的圓弧對稱軸相互垂 直，而相對圓弧梁的圓弧對稱軸重合且圓心角相等；所述的圓弧梁和直段梁相間布置，且所 述直段梁的外輪廓與相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在所述機架的外 周輪廓上纏繞預應力鋼絲；各圓弧梁圓心半角的正弦與鋼絲在圓弧梁上產生的預緊力呈正 比。本發明的技術特徵還在於當採用圓弧梁與直段梁分開獨立加工組成預緊機架 時，通過切點的圓弧梁的圓弧半徑作為圓弧梁與直段梁的分割界線。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本發明通過在預緊機架外 周輪廓上合理地設置圓弧梁和直線梁組合的結構，使預應力鋼絲纏繞產生多個方向上的預 緊力，以平衡多向壓制反力，使機架能夠承受多向載荷而不需要有貫穿結構的拉緊構件，從 而避免了結構幹涉問題。能產生多個方向上的預緊力，因而具有平衡多向壓制反力的特點。鋼絲在外輪廓 的直線部分，不改變方向，不對輪廓產生壓力，不產生預緊力；而在外輪廓的圓弧部分，鋼絲 改變了方向，對輪廓將產生面壓力，面壓力的大小與鋼絲張力呈正比，與圓弧半徑呈反比。該面壓力沿圓弧段積分的合力就是鋼絲纏繞在此段圓弧產生的預緊力，方向則平行於此段 圓弧的對稱軸(即此段圓弧圓心角的角平分線)。這樣只要在特定位置設置圓弧輪廓和直 線輪廓，就可以按照需要的預緊力大小和方位設計多向預緊結構，提高了結構承受多向壓 制載荷的能力，而且不需要貫穿結構的拉緊構件，避免了結構幹涉問題。
圖1為本發明提供的一種能夠承受四個方向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖。圖2為本發明提供的一種能夠承受三個方向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖。圖3為本發明提供的一種能夠承受五個方向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖。圖4為本發明提供的一種能夠承受偏置正交載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖。圖中1-圓弧梁；2-直段梁；3-預應力鋼絲；4-直線段；5-過切點的圓弧半徑； 6-上圓弧梁；7-左圓弧梁；8-下圓弧梁；9-右圓弧梁；10-水平軸線；11-垂直軸線。
具體實施例方式本發明提供的一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其外周輪廓包括至 少三段與壓制反力數量相等、方向相對的圓弧梁1和至少三段直段梁2，直段梁的外輪廓與 相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，所述的圓弧梁和直段梁相間布置，形成機架，並在所 述機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼絲3。即在每個壓制力的反力方向設置一段圓弧梁，圓弧 梁的弧度角可根據要求的預緊力大小或對應的壓制力和預緊係數大小確定。所有圓弧的弧 度角之和應等於360°或。而直段梁的內輪廓上至少含有一段與壓制反力的運動方向平行的直線段，用作導 向或支撐導向結構。根據加工製造能力，該預緊機架可以是整體連續材料加工而成，也可以是多塊材 料組合而成。當採用圓弧梁與直段梁分開獨立加工組成預緊機架時，通過切點的圓弧梁的 圓弧半徑作為圓弧梁與直段梁的分割界線。這樣使各梁之間的結合面上預緊剪切力最小， 同時圓弧梁和直段梁的加工都比較容易。下面通過幾個具體的實施例對本發明的原理和結構做進一步的說明。圖1為本發明提供的一種能夠承受四個方向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖，該預應力鋼絲纏繞多向預緊機架的外周輪廓包括四個與壓制反力數量相等、 方向相對的圓弧梁1，兩圓弧梁之間由外輪廓為直線的直段梁2連接，所述直段梁的外輪廓 與相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，即由四段圓弧梁1和四段直段梁2相間組合而成， 它們的結合面是通過經切點的圓弧半徑5，形成機架，並在機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼 絲3，且直段梁的內輪廓含有一段與壓制反力的運動方向平行的直線段4，用作導向或支撐 導向結構。對於圖1所示的結構，所產生的四個預緊力方向分別經過四段圓弧的圓心，並與此段圓弧的對稱軸(即此段圓弧圓心角的角平分線)重合，即圖1中的Ρ。1;Ρ。2，Ρ。3，Ρ。4。根 據預應力纏繞原理，纏繞鋼絲在圓弧段產生的預緊力大小P。i與該段圓弧弧度角α i的關係
為:PCI = ITsin0^, (i = 1，2, 3, 4，···)，其中T是鋼絲層的總張力。而預緊力Pci與對應的壓制 反力Fi的關係為=Pcd = JliFi，其中Jli為第i個方向的預緊係數。則有
T= η·Ρ· = Pc·(1)Λ . a, ^ . CC1 2sm—L 2sin」
2 2因鋼絲層總張力在整個輪廓上是相等的，故有
PcX = Pc2 =...= Ρ°· (2). a, . α,.Oci sin— sm^ sin—
2 2 2另外，設相鄰兩個預緊力(或壓制反力)方向的夾角θ i, i+1與相鄰兩段圓弧的弧 度角α i和
^ i+1 有如下關係=Y + ^⑶這樣根據式(1)、(2)和(3)就可以由已知的多向壓制反力大小、方向和需要的預 緊係數，計算出各圓弧段的圓心角和纏繞鋼絲層的總張力。圖2所示的是能夠承受三個方向壓制反力的預應力鋼絲纏繞預緊機架的結構示 意圖，預應力鋼絲3纏繞在三段圓弧梁1上，分別產生三個方向的預緊力，S卩Pel，Pc2, Pcso 其結構是由三段圓弧梁1和三段直段梁2相間組合而成，它們的結合面是通過經切點的圓 弧半徑5。直段梁的內輪廓至少有一直線段4與壓制反力的運動方向平行，用作壓制運動的 導向或支撐導向結構。其各段圓弧的弧度角及鋼絲張力可由公式(1)、(2)和(3)，根據已 知的三向壓制反力的大小、方向和需要的預緊係數計算得到。圖3所示的是能夠承受五個方向壓制反力的預應力鋼絲纏繞預緊機架的結構示 意圖，預應力鋼絲3纏繞在五段圓弧梁1上，分別產生五個方向預緊力，S卩Ρ。1; Pc2, Pc3, Pc4, Pc50其結構特徵是由五段圓弧梁1和五段直段梁2相間組合而成，它們的結合面是通過經 切點的圓弧半徑5。直段梁的內輪廓至少有一直線段與壓制反力的運動方向平行(圖3中 4)，用作壓制運動導向或支撐導向結構。其各段圓弧的弧度角及鋼絲張力可由公式(1)、(2) 和(3)，根據已知的五向壓制反力的大小、方向和需要的預緊係數計算出得到。圖4為本發明提供的一種能夠承受偏置正交載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架的 結構示意圖，該預緊機架的外周輪廓包括四段與壓制反力數量相等、方向相對的圓弧梁 (包括上圓弧梁6、左圓弧梁7、下圓弧梁8和右圓弧梁9)和四段直段梁2，該四個圓弧梁採 用偏置正交布置，即相鄰圓弧梁的圓弧對稱軸相互垂直，而相對圓弧梁的圓弧對稱軸重合 且圓心角相等；所述的圓弧梁和直段梁相間布置，且所述直段梁的外輪廓與相鄰的兩個圓 弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在所述機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼絲3 ；各圓弧 梁圓心半角的正弦與鋼絲在圓弧梁上產生的預緊力呈正比。該實施例能夠同時承受垂直和 水平四個非中心對稱方向壓制反力的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特點是其中一對壓制反 力(水平壓制反力F2*F4)及其預緊力(P。2*P。4)的軸線(水平壓制軸線10)垂直於另一 對壓制反力(垂直壓制反力=F1和F3)及其預緊力(Pcl和Pc3)的軸線(垂直軸線11)，且靠近其中的一個(F3)。為保證預應力的平衡，方向相對的圓弧梁的圓心角仍然保持相等(即 Q1= a3, Q2= α 4)，而圓弧梁的圓弧半徑由於壓制軸線偏置，靠近水平軸線10的下圓弧 梁8圓弧半徑較大，而遠離水平軸線10的上圓弧梁6圓弧半徑較小；同時與垂直軸線11距 離相等的左圓弧梁7和右圓弧梁9的圓心角和半徑均相等。與上圓弧梁6連接的直段梁2 長度較長，而與下圓弧梁8連接的直段梁長度較短。上圓弧梁6和下圓弧梁8的圓弧對稱 軸與垂直壓制軸線11重合，左圓弧梁7和右圓弧梁9的圓弧對稱軸與水平壓制軸線10重
合，且與垂直壓制軸線11垂直。即
^ αλ α π=y +γ = γ，代人公式⑵得tan 誇=^ = ^
2 rIlfI Pcl則根據已知的垂直方向與水平方向壓制反力的比值以及垂直方向與水平方向預 緊係數的比值，就可以計算出各圓弧的弧度角。
權利要求
一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵在於所述預應力鋼絲纏繞多向預緊機架的外周輪廓包括至少三段與壓制反力數量相等、方向相對的圓弧梁(1)和至少三段直段梁(2)，所述的圓弧梁和直段梁相間布置，且所述直段梁的外輪廓與相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在所述機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼絲(3)。
2.按照權利要求1所述的一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵在 於直段梁的內輪廓至少含有一段與壓制反力的運動方向平行的直線段。
3.一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵在於所述預應力鋼絲纏繞 多向預緊機架的外周輪廓包括四段與壓制反力數量相等、方向相對的圓弧梁(1)和四段直 段梁(2)，該四個圓弧梁採用偏置正交布置，即相鄰圓弧梁的圓弧對稱軸相互垂直，而相對 圓弧梁的圓弧對稱軸重合且圓心角相等；所述的圓弧梁和直段梁相間布置，且所述直段梁 的外輪廓與相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在所述機架的外周輪廓上 纏繞預應力鋼絲(3)；各圓弧梁圓心半角的正弦與鋼絲在圓弧梁上產生的預緊力呈正比。
4.按照權利要求1或3所述的一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，其特徵 在於當採用圓弧梁與直段梁分開獨立加工組成預緊機架時，通過切點的圓弧梁的圓弧半 徑作為圓弧梁與直段梁的分割界線。
全文摘要
一種承受多向載荷的預應力鋼絲纏繞預緊機架，屬於重型壓力加工設備技術領域。該預緊機架的至少包括三段與壓制反力數量相等、方向相對的圓弧梁和至少三段直段梁，圓弧梁和直段梁相間布置，直段梁的外輪廓與相鄰的兩個圓弧梁的外圓弧輪廓相切，形成機架，並在機架的外周輪廓上纏繞預應力鋼絲。本發明通過在承載機架外周輪廓上合理地設置圓弧梁和直線梁組成的結構，使預應力鋼絲纏繞產生多個方向上的預緊力，以平衡多向壓制反力，使機架能夠承受多向載荷而不需要有貫穿結構的拉緊構件，從而避免了結構幹涉問題。
文檔編號B21J13/04GK101982251SQ201010276659
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者劉永前, 孫富, 張人佶, 張婷, 張磊, 李改華, 林峰 申請人:清華大學;北京中冶京唐重型裝備技術有限公司