專利名稱：超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超大型等靜壓設備設計領域，具體涉及一種超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法。
背景技術：
超大型等靜壓設備(是指工作缸直徑大于2米，軸向工作載荷大于50000噸的超高壓大規(guī)格等靜壓設備)的機架結構寬度過大，半圓梁直徑和立柱長度都大于5米，受我國大型鍛件制造能力制約，整體式機架制造難度大而且制造成本極其昂貴，采用該機架結構基本不可行，因此設計合理的機架結構形式成為研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出了一種超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，從而解決整體式機架制造難度大而且制造成本極其昂貴的難題。所述超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，包括步驟1)根據(jù)鋼結構及機架工作需要主機架寬度h、輔機架寬度b2、機架間距a以及端蓋半徑r ；2)根據(jù)主機架寬度1^、輔機架寬度Iv機架間距a以及端蓋半徑r，分別計算主機架與端蓋的接觸面積F1，輔機架與端蓋的接觸面積F2,并計算主、輔機架與端蓋的接觸面積的比值k;3)基于多機架非線性受力的均勻再分配假設及力平衡原理，根據(jù)給定的機架結構承受的軸向總載荷P以及k計算出主機架承受的軸向工作載荷P1和輔機架承受軸向工作載荷P2 ；4)根據(jù)給定的主機架預緊系數(shù)Il1、輔機架預緊系數(shù)η2，步驟幻中得到的主、輔機架承受軸向載荷P1和P2,確定主、輔機架預緊力Pc1和Pc2 ；基于各機架立柱的壓縮量一致， 根據(jù)纏繞設計理論，計算得到主輔機架立柱截面積的比值ki ；5)根據(jù)主機架預緊力Pc1、主機架的立柱個數(shù)ii、鋼絲的許用應力[σ]，計算得到主機架立柱截面積Fc1 ；6)利用變張力纏繞計算方法，計算主機架鋼絲纏繞層數(shù)Z1 ；7)基于各機架立柱的壓縮量一致，計算計算輔機架立柱的截面積Fc2 ；8)基于工作時各機架立柱的伸長量一致，根據(jù)輔機架每層鋼絲根數(shù)叫，得到輔機架鋼絲層數(shù)h。本發(fā)明以超高壓大規(guī)格等靜壓設備為載體，在傳統(tǒng)整體式機架的纏繞設計基礎上，研究超大型等靜壓設備的多疊合機架變形協(xié)調(diào)技術，提出一種設計方法，保證工作時各機架變形協(xié)調(diào)達到一致。采用多疊合機架替代了整體式機架，解決了整體式機架制造難度大且制造成本極其昂貴的難題。多機架結構可以有效減小鍛件尺寸，使鍛件制造成為可能， 并大大降低機架結構的經(jīng)濟成本。


圖1是本發(fā)明的三疊合機架模型圖，其中，1-主機架，2-輔機架；圖2是本發(fā)明的三疊合機架剖視圖，其中，1-主機架立柱；2-主機架半圓梁；3-主機架鋼絲；4-輔機架鋼絲；5-輔機架半圓梁；6-輔機架立柱。圖3是本發(fā)明的工作態(tài)單機架受力示意圖，1-立柱，2-半圓梁，3-鋼絲；圖4是本發(fā)明的工作態(tài)三疊合機架受力分配示意圖，其中，1-端蓋，2-輔機架半圓梁，3-主機架半圓梁；圖5是本發(fā)明的三疊合機架與端蓋接觸示意圖；圖6是本發(fā)明的主機架與端蓋接觸示意圖；圖7是本發(fā)明的輔機架與端蓋接觸示意圖；圖8是本發(fā)明的設計流程圖。
具體實施例方式以下參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施方式。圖1是本發(fā)明的三疊合機架模型圖，圖2是本發(fā)明的三疊合機架剖視圖。從圖中可見，該三疊合機架包括位于中間的一片主機架和位于該主機架左右側的兩片輔機架，兩個輔機架采用對稱結構，即兩個輔機架的結構相同，該結構設計加工簡單方便。疊合機架用于承受超大缸徑工作缸的軸向載荷，機架承受的軸向載荷在500MN以上。每片機架包括二個上下對稱的機架水平梁(半圓梁)、二個左右對稱的機架垂直梁(立柱)以及利用預應力鋼絲纏繞技術將半圓梁、立柱纏繞成一個整體的高強度機架鋼絲。梁柱間無剛性連接，接觸部位無應力集中。半圓梁承受彎曲載荷，立柱承受彎曲和軸向載荷。機架纏繞完成后，半圓梁在鋼絲預緊力的作用下彎曲變形，立柱產(chǎn)生彎曲和壓縮變形。加壓工作時，在軸向載荷的作用下， 立柱逐漸拉伸變形，應力從最大值減小到最小值，但一直保持在壓應力狀態(tài)，纏繞層的鋼絲能承受很高的拉應力，鋼絲在承載時的應力(工作狀態(tài))比承載前(預緊狀態(tài))有所增加， 但增加量不大，鋼絲的應力波動值較小。圖3是本發(fā)明的工作態(tài)單機架受力示意圖，從圖中可見，立柱承受的工作載荷為A和鋼絲層承受的工作載荷為 滿足力平衡和變形協(xié)調(diào)方程，可得公式⑴和公式⑵Qw+Qc = P/i (1)其中，i為立柱個數(shù)，這里取2，P為立柱的軸向載荷。同時立柱和鋼絲滿足變形協(xié)調(diào)方程
α _ α
Ewmzf EcFc(2)其中，Ec為各機架立柱彈性模量，F(xiàn)c為機架立柱截面積，Ew為鋼絲彈性模量，f為鋼絲截面積，m為機架每層鋼絲根數(shù)，ζ為機架鋼絲纏繞層數(shù)。立柱承受的工作載荷為ζ!?？杀硎緸?(3)
其中，C為機架鋼絲與立柱的拉壓剛度比，C =_ Ewf
EcxFc鋼絲層承受的工作載荷為 可表示為⑷超大規(guī)格等靜壓機工作缸端蓋為浮動式結構，加壓過程中，工作缸筒體只承受徑向壓力，壓力介質(zhì)作用在上下端蓋受壓面上產(chǎn)生的軸向載荷通過上下端蓋傳遞給疊合機架。由于工作缸上下端蓋為圓形截面，主、輔機架水平梁承壓板與端蓋接觸面的面積不同， 因此主機架與輔機架受到的軸向載荷不同。圖4是本發(fā)明的工作態(tài)三疊合機架受力分配示意圖，如圖4可見，上下端蓋受到的壓力為P，主機架半圓梁受到的軸向載荷為P1，左右兩側的輔機架半圓梁受到的軸向載荷均為P2。三疊合機架在最大壓力下，立柱總伸長量可達8mm 以上，上端蓋總位移更是多達10mm，因此必須使主機架、輔機架在壓力作用下立柱伸長量協(xié)調(diào)一致才能保證上、下端蓋移動平穩(wěn)，不出現(xiàn)異常，同時消除因伸長不一致產(chǎn)生的應力不均勻。為制造變形協(xié)調(diào)的超大型等靜壓設備多疊合機架，本發(fā)明提出如下假設1)基于多機架非線性受力的均勻再分配假設若主、輔機架的立柱在預緊態(tài)壓縮量基本一致且工作壓力作用下立柱伸長量一致，則主、輔機架與端蓋接觸面上的應力分布均勻一致。2)主、輔機架立柱的材料相同，則彈性模量、泊松比和許用應力相同。3)主、輔機架立柱的原始長度相同。由圖4可見，假定三機架結構承受的軸向總載荷為P，主機架承受軸向載荷P1,輔機架承受軸向載荷為ρ2，[ σ 為主機架材料許用應力，[σ ]2為輔機架材料許用應力，F(xiàn)1為主機架與端蓋的接觸面積，F(xiàn)2為輔機架與端蓋的接觸面積。由假設可知[^^[
設[σ ]為端蓋材料的許用應力，則得公式(9)
ρF1 +IxF2(9)其中，F(xiàn)1 = arcsin(^ /(2r)) χ r2 + 爽 χ ^r2-QylHf
F2 = arccos(((y) + α)/r)χr2 -(Z)1 + 2α)χ/ /4-arccos((^ +2a + b2)l2r)xr2 +^■(^■ + a + b2)H1 =I^r2+of H2=I^r2 +a +b2f為保證端蓋滿足剪切強度，假設機架覆蓋端蓋面積與端蓋總面積的比值為c(通常c取值為0. 7-0. 9)，則得公式(10)b1+2Xa+2Xb2 ^ 2rXc (10)因此機架的寬度分配要滿足式公式(9)和公式(10)，即可滿足強度要求。變形協(xié)調(diào)假設1 各機架立柱的壓縮量一致。設定主機架預緊系數(shù)為η”主機架立柱截面積為Fc1，輔機架預緊系數(shù)為112，輔機架立柱截面積為Fc2, Lr1為纏繞完畢主機架立柱的壓縮量，Lr2為纏繞完畢輔機架立柱的壓縮量。各機架立柱彈性模量為Ec，立柱長為L。則根據(jù)纏繞設計理論，可得以下公式(11) 和公式(12)
Lri=Jh^L·(11)
Lr2 =
Ec χ Fcl
1^l (12)
Ec χ Fc2為保證變形協(xié)調(diào)，首先要保證多機架立柱的壓縮量一致，即要滿足公式(13)Lr1 = Lr2 (13)將公式(7)、公式(8)代入公式(13)，由于P/^zk，可得變形協(xié)調(diào)方程1，即公式 (14)
FC2 ”2(14)
其中，K1為主、輔機架立柱截面積的比值。
因此，公式(14)為三機架變形協(xié)調(diào)方程1，設計滿足公式(14)則多機架在纏繞完
畢時立柱壓縮量一致。變形協(xié)調(diào)假設2 工作時各機架的立柱伸長量協(xié)調(diào)一致。對單個機架來說，工作時立柱與鋼絲層也應滿足相應的變形協(xié)調(diào)。當主機架、輔機架在壓力作用下立柱伸長量協(xié)調(diào)一致時才能保證上、下端蓋移動平穩(wěn)，不出現(xiàn)異常。因此， 壓力作用下多機架的變形協(xié)調(diào)方程可以表示為以下公式(1幻_(20)。三機架的力平衡方程，表示為ΡΑ2Ρ2 = P (15)主機架的力平衡方程，表示為
權利要求
1.一種超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，包括步驟1)根據(jù)鋼結構及機架工作需要主機架寬度bi、輔機架寬度Iv機架間距a以及端蓋半徑r ；2)根據(jù)主機架寬度1^、輔機架寬度Iv機架間距a以及端蓋半徑r，分別計算主機架與端蓋的接觸面積F1,輔機架與端蓋的接觸面積F2,并計算主、輔機架與端蓋的接觸面積的比值k;3)基于多機架非線性受力的均勻再分配假設及力平衡原理，根據(jù)給定的機架結構承受的軸向總載荷P以及k計算出主機架承受的軸向工作載荷P1和輔機架承受軸向工作載荷 P2;4)根據(jù)機架結構及鋼絲纏繞狀況確定主機架預緊系數(shù)Il1、輔機架預緊系數(shù)η2，步驟 3)中得到的主、輔機架承受軸向載荷？1和&，確定主、輔機架預緊力PCl*PC2 ；基于各機架立柱的壓縮量一致，根據(jù)纏繞設計理論，計算得到主輔機架立柱截面積的比值h ；5)根據(jù)主機架預緊力Pc1、主機架的立柱個數(shù)I1、鋼絲的許用應力[σ]，計算得到主機架立柱截面積Fc1 ；6)利用變張力纏繞計算方法，計算主機架鋼絲纏繞層數(shù)Z1；7)基于各機架立柱的壓縮量一致，計算計算輔機架立柱的截面積Fc2；8)基于工作時各機架立柱的伸長量一致，根據(jù)輔機架每層鋼絲根數(shù)m2，得到輔機架鋼絲層數(shù)h。
2.根據(jù)權利要求1所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟幻包括根據(jù)主、輔機架與端蓋接觸面積的比值k通過如下公式計算主、輔機架承受的軸向載荷P1和P2,
3.根據(jù)權利要求2所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟4)包括根據(jù)如下第一變形協(xié)調(diào)公式計算主輔機架立柱截面積的比值k1;
4.根據(jù)權利要求3所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟幻包括根據(jù)如下計算主機架立柱的初始截面積Fc1,
5.根據(jù)權利要求4所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟6)包括根據(jù)主機架每層鋼絲根數(shù)為Hl1,代入如下公式計算變張力纏繞鋼絲層數(shù)Z1,
6.根據(jù)權利要求5所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟7)包括根據(jù)所述第一變形協(xié)調(diào)方程計算輔機架立柱的截面積Fc2,Fc2^ h。
7.根據(jù)權利要求6所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，所述步驟8)包括根據(jù)所述第二變形協(xié)調(diào)公式計算輔機架鋼絲纏繞層數(shù) 其中，i2為輔機架立柱個數(shù)，C2為輔機架鋼絲與立柱的拉壓剛度比，C2 =ο
8.根據(jù)權利要求7所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，還包括通過如下公式計算纏繞完畢主機架立柱的壓縮量Lr1、工作狀態(tài)主機架立柱的伸長量Lp1,并進行校核，
9.根據(jù)權利要求8所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，還包括通過如下公式計算纏繞完畢輔機架立柱的壓縮量Lr2和工作狀態(tài)輔機架立柱的伸長量Lp2,并進行校核，
10.根據(jù)權利要求9所述的超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，其特征在于，還包括根據(jù)工作狀態(tài)主機架立柱的伸長量Lp1、工作狀態(tài)輔機架立柱的伸長量Lp2計算工作載荷作用下主輔機架的變形誤差△ Lp，并進行校核。
全文摘要
一種超大型等靜壓設備多疊合機架變形協(xié)調(diào)設計方法，包括步驟1)根據(jù)機架及端蓋尺寸得到主、輔機架與端蓋接觸面積比，再根據(jù)機架受力狀況來確定主、輔機架承受的軸向載荷；2)根據(jù)給定的預緊力系數(shù)及上述得到的機架軸向載荷，運用預緊力計算公式確定主、輔機架預緊力；3)確定主機架立柱的截面積，基于主機架立柱的寬度和厚度，計算主機架每根鋼絲纏繞層數(shù)；4)確定輔機架立柱的截面積，基于輔機架立柱的寬度和厚度，計算輔機架每根鋼絲纏繞層數(shù)。本發(fā)明目的在于采用多疊合機架結構，解決整體式機架制造難度大且制造成本極其昂貴的難題；還可以有效減小鍛件尺寸，使鍛件制造成為可能，并大大降低機架結構的經(jīng)濟成本。
文檔編號B30B15/04GK102173094SQ20111003742
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權日2011年2月14日
發(fā)明者劉寶勝, 布國亮, 張建勇, 李慧麗, 王永明, 郎利輝 申請人:北京航空航天大學