專利名稱：全預應力場下剖分-組合擠壓筒的設計方法和結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種預應力組合擠壓筒的設計方法，尤其適用于大噸位金屬擠壓機的 擠壓筒的設計。
背景技術：
擠壓筒是擠壓機的核心部件，其承載能力、疲勞壽命、經濟性和結構緊湊性都有很 高的要求。傳統(tǒng)的擠壓筒主要采用多層組合筒結構。該結構為自預緊結構，其原理是利用 內外層的過盈配合對內層產生預緊力。根據(jù)預緊系數(shù)的選取可以使內壁在工作狀況下拉應 力很小甚至無拉應力。如附圖1。當工況下無拉應力時，可以將內襯做成剖分結構，在承壓 能力不變的情況下降低內襯的加工成本，并易于更換。因而，組合筒比整體筒具有更高的承 載能力和疲勞壽命，在經濟性、結構緊湊性方面也明顯優(yōu)于整體筒。但對于大噸位擠壓機， 其擠壓筒的自重一般超過100噸，采用組合筒在設計和制造上都有很大困難。本發(fā)明旨在 針對大型擠壓筒尋求一種新的設計思路。預應力鋼絲纏繞技術由來已久。早在17世紀，人們就用金屬絲纏繞來加強輕野戰(zhàn) 炮筒。19世紀末，Longridge首先提出鋼絲纏繞預緊筒體的原理。如今，鋼絲纏繞技術已 經在高壓承載容器中有了重要運用，如高壓油缸，天然氣罐等。得益于鋼絲的高強度，用鋼 絲預緊擠壓筒可以產生強大的預緊力，并且鋼絲纏繞層數(shù)越多，預緊力越大，但對擠壓筒的 成本影響不大。由于鋼絲可以提供很大的預緊力，能使筒體各處均處在壓應力的保護之下。 相對于自預緊組合筒產生的局部預應力保護，可以將這種外層鋼絲纏繞產生的全面預應力 的情況稱作全預應力場。相比于整體筒和自預緊組合筒，預應力鋼絲纏繞組合筒具有很高的疲勞壽命，表 現(xiàn)在兩個方面1)在工作狀態(tài)下預應力鋼絲纏繞組合筒的筒體依然受壓應力，或拉應力很小，因 而其疲勞壽命高。2)外層鋼絲盡管平均應力很大，但載荷波動很小，接近靜載，所以鋼絲的疲勞壽命 也很高。此外，相關研究表明，鋼絲工作在900MPa以下和80°C以下時，鋼絲的蠕變很小，預 應力損失很小。因而，鋼絲纏繞預緊是有效的。
發(fā)明內容
如附圖2，在筒體的外層纏上鋼絲，相當于在筒外加了一個外壓Pb，使各層在預緊 時切向和徑向均受壓應力，而在工作狀態(tài)下，相當于筒體承受內壓Pa的情況疊加上承受外 壓Pb的情況。由圖2可知，外壓產生的切向壓應力由外層向內壁遞減，內壓產生的切向拉 應力由內壁向外筒遞減，疊加后，內壁處所受拉應力最大，外壁處最小。因此，只要通過設計 合理的預緊系數(shù)，保證內壁處切向拉應力較小甚至切向受壓時，外筒將處于切向全壓應力 場中。此時，即使將外筒周向分割成數(shù)塊，由于壓應力的存在，結構也不會發(fā)生失效，剖分式
3外筒與整體式外筒的受力情況無異。當然，也可以進一步加大預緊系數(shù)，使中襯甚至內襯工 作在無拉應力狀態(tài)，將中襯和內襯也做成剖分式，如附圖3。這樣，單件坯料質量減少，制造 難度和成本均下降。相比傳統(tǒng)的自預緊組合擠壓筒，鋼絲纏繞預緊剖分_組合筒具有如下的突出優(yōu)點。1)承載能力強，疲勞壽命長；2)采用剖分結構，并用鑄件代替鍛件，顯著降低了外筒的制造成本。3)尺寸小，結構緊湊，壁厚對內壓不敏感。因而，在制造大噸位擠壓機時，相比于傳統(tǒng)的自預緊組合筒，鋼絲纏繞預緊剖 分-組合筒具有明顯的優(yōu)勢。
圖1為整體筒和兩層組合筒的受力圖。圖2為鋼絲纏繞組合筒工況下的受力分解圖。圖3為三層預應力鋼絲纏繞擠壓筒的結構簡圖。圖1中，(a)為整體筒受力狀況；(b)為兩層組合筒受力狀況。圖2中，(a)為單受工作內壓時筒體受力圖；(b)為單受預緊外壓時筒體受力圖。圖3中，各層筒都均分四塊，配合時，中襯與內襯的剖分塊錯開45°，外襯與內襯 剖分線對齊。這種裝配可以使筒體受力更均勻。具體實施方法以360MN圓擠壓筒的設計為例，應用本發(fā)明的技術方案如下1)如附圖3，在選定擠壓筒各層材質和纏繞用鋼絲后，由擠壓機機架尺寸，加工坯 料尺寸可定rb，ra，又已知工作時最大內壓pamax，根據(jù)等剪應力纏繞及內壁無拉應力原則可 求出鋼絲纏繞層厚度及各層的纏繞初張力。2)綜合考慮受力、受熱情況和制造難易程度，選擇各層厚度。3)按照張力臺階完成擠壓筒的預應力鋼絲纏繞工步。4)亦可以先纏繞外筒和中襯，然后將內襯壓配進去；或者僅纏繞外筒，然后將中 襯和內襯分先后順序壓配進去。
權利要求
一種剖分-組合擠壓筒，為多層組合結構，其特征是在筒外增加鋼絲纏繞層，在鋼絲纏繞產生的全預應力場的保護下，可以將擠壓筒的各層筒體周向剖分為若干塊，并可以鑄鋼代替鍛鋼，實現(xiàn)高承載能力、高疲勞壽命、低成本和結構緊湊的優(yōu)點。
2.根據(jù)權利要求1所述的剖分_組合擠壓筒，其特征是在全預應力場的保護下，只要 選取合適的預緊系數(shù)，保證組合筒某層工況下切向正應力為壓應力，則該層便可做成剖分 式，并擁有和整體結構基本相同的承載能力和受力狀況。
3.根據(jù)權利要求1所述的剖分-組合擠壓筒，可擁有各種不同的內形，如圓擠壓筒，扁 擠壓筒等。
全文摘要
一種預應力鋼絲纏繞剖分-組合擠壓筒，金屬擠壓工藝中擠壓筒的新的設計方法和新型結構。利用筒體外的鋼絲纏繞層形成全預應力場，使得外筒、中襯和內襯在預緊和工作時都處于壓應力狀態(tài)，因此可以將僅受壓應力的筒層剖分成若干塊，然后用鋼絲纏繞成為一體，該纏繞筒的受力狀況和整體筒基本相同。預應力鋼絲纏繞剖分-組合擠壓筒比傳統(tǒng)的多層組合擠壓筒具有更高的承載能力和疲勞壽命，而其采用的剖分-組合結構顯著降低了擠壓筒的制造難度和成本。該發(fā)明在大噸位擠壓機的擠壓筒制造中具有很好的應用前景。
文檔編號B21C25/00GK101879535SQ20091013596
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權日2009年5月7日
發(fā)明者吳任東, 張磊, 王雪鳳 申請人:吳任東;張磊;王雪鳳