文章编号：１６７２—０１２１（２０１２）０５—００３９—０３ ８ＭＮ压力机螺栓预紧力分析计算 郭新玲 。白晓奇 （１．陕西工业职业技术学院，陕西成阳７１２０００； ２．中航工业陕西宏远锻造有限责任公司，陕西三原７１３８００） 摘要：针对８ＭＮ压力机移位安装时遇到螺栓无法预紧的问题，通过分析计算，提出采用电磁感应涡流加 热螺栓，使其伸长到预伸长量拧紧螺母，实现螺栓预紧目的。该方法操作简单，安全可靠，对设备及场地要求 较低，成本低，效果好。 关键词：机械制造；压力机；拉紧螺栓；预紧力；涡流加热 中图分类号：ＴＧ３１５．５ １ 文献标识码：Ａ ０引言 １问题的提出 某航空军工企业，承担着国家航空军品的关键 ８ＭＮ压力机采用四柱框架式结构，其外形图和 实体图分别如图１和图２所示。这种压力机属闭式 压力机，其机身刚度高，压力机精度好［１１，是大型锻铸 件和冲压件的主要生产设备，也是企业锻造厂的重 要设备之一。 部件的生产，主要为航空发动机制造企业提供核心 锻铸件，同时也为中国航天提供许多产品，为神舟飞 船的成功发射做出了重大贡献。在核电领域、发电机 叶片领域也有相当强的竞争实力；同时也是许多国 外航空领域的大企业集团，如英国罗罗公司、法国宇 压力机主要技术参数如下：公称压力８ＭＮ，滑 块行程４００ｍｍ，滑块行程次数１２ｒａｉｎ～，最大封闭高 度８５０ｍｍ，封闭高度调节量１８５ｍｍ，工作台尺寸 航公司、美国波音公司、日本东芝公司的供货商。 ８ＭＮ曲柄压力机是该企业的重要设备之一，该 压力机是现代汽车、锻造厂的重要设备，主要用于大 批量生产模锻件冷热切边、冲孔等。 １７８０ｍｍｘ１２５０ｍｍ，滑块底面积１２５０ｍｍｘ１０００ｍｍ。主 电动机型号ＪＲ８２＿４，功率５５ｋＷ，转数１４４０ｒｐｍ；封 闭高度调整电动机型号ＪＯ５１＿４，功率４．５ｋＷ，转数 基金项目：陕西省教育厅科研计划资助项目（１１ＪＫ０８５７） 收稿日期：２０１２—０６—０２ １４４０ｒｐｍ；压力机外形尺寸２９００ｍｍｘ３０７６ｍｍ× ７５３０ｍｍ，压力机地上高度６８２５ｍｍ，总重７９３５０ｋｇ。 作者简介：郭新玲（１９７１一），女，副教授，从事模具设计制造、模具 ＣＡＤ／ＣＡＭ等方面研究工作 该航空军工企业建厂比较早，随着企业的壮大 发展和产品结构的调整，８ＭＮ压力机在厂房内布局 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｏｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎ ｇｕｉｌｌｏｔｉｎｅ ｓｈｅａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｉｆｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ＷＡＮＧ ＪｉｎＲｏｎｇ ，ＬＩ Ｑｉａｎ ，ＱＩＡＯ Ｇｅｎｒｏｎｇ ，ＬＥＮＧ Ｚｈｉｂｉｎ ，ＺＨＵ Ｄｅｎｇｌｉｎ。 （１．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｙａｗｅｉ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｄｕ ２２５２００，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｈｉｎａ； ＡＬ＝ｏｄ３６０。×Ｐ （１） 式中：△ ——螺栓的伸长量，ｍｍ； ——螺母旋转的角度，取ｏｔ＝３３０ｏ； 螺纹螺距，ｍｍ，取 ４ ｍｍ。 Ｐ一计算得：△ ＝３．６７ｒａｍ。 ２．３螺栓预紧力的计算 ２．３．１螺栓在预紧力作用下的应变 ￣：＝ＡＬ／Ｌ１ （２） 式中：８——螺栓在预紧力作用下的应变； △￡——螺栓在预紧力作用下的伸长量，ｍｍ， 取ＡＬ＝３．６７ｒａｍ； ——在预紧力作用下的螺栓有效长度，ｍｍ， 取Ｌ ＝６４１５ｍｍ。 图ｉ ８ＭＮ压力机外形图 １２．５／ 计算得： ＝５．７２ｘ１０－４。 ２．３．２螺栓在预紧力作用下的应力 其余： ｏ＇＝Ｅｘ，ｖ （３） 厂３ｘ４５￣厂 ｌ ．式中：Ｄ～螺栓在预紧力作用下的应力，Ｐａ； 占一卜螺栓在预紧力作用下的应变； 螺栓的弹性模量，ＧＰａ，查表取Ｅ＝２１６ ＧＰａ。 一 垂 一 一 ．一＼ ３ 笪：／ ２４０ ２４０ 计算得： ＝１．２３６ｘ１０８Ｐａ。 ２．３．３螺栓在正常状态下的预紧力 Ｎ＝ｏ＇ｘＡ （４） ６７８５ 图２拉紧螺栓结构 式中： 螺栓在正常状态下的预紧力，Ⅳ； 螺栓在预紧力作用下的应力，Ｐａ，取ｏｒ＝ １．２３６￣１０。Ｐａ； 不合理，经有关部门重新规划后，决定将该设备进行 移位安装并修理。 ８ＭＮ压力机螺栓长约６０００ｒａｍ，机身高，重量 大，只能采用分体移位安装。移位安装时，为了保持 ４——螺栓截面面积，１ＴＩｚ。因螺栓为Ｍ２００￣４， 故螺栓最小截面直径为１９６ｍｍ，其面积 为２．９５￣１０－：ｍ 。 压机能够正常工作并具有良好的精度保持性，除了 在立柱设计中要有键定位外，还需在装配机身部件 计算得：Ｎ＝３．６５ｘ１０３ｋＮ。 时，对拉紧螺栓施加超过最大工作载荷的预紧力，对 机身进行预紧嘲。８ＭＮ压力机机架的四个螺栓的预 紧力相当大，在拆除该设备时直接用割把螺母割 ３螺栓预紧力的实现方法 螺栓安装预紧力的大小是关系到压力机能否正 除，当设备移位到另一地方进行安装时，遇到了螺栓 无法预紧的难题。 常工作的关键问题，拉紧力的大小主要是通过调节 和控制压力机拉紧螺钉及紧定螺钉来实现的［５］。目前 采用的主要方法有力矩法、螺母转角法和螺栓预伸 ２螺栓预紧力的计算 长法，其原理都是通过施加力矩拧紧螺栓连接以达 到控制预紧力 。其中扭力扳手和螺栓预伸长法预紧 Ｍ２００￣４，总 最为常用，它们的共同特点是可显著提高工作效率， 大大减轻工作强度，有效控制螺栓预紧力。 ３．１力矩法预紧 紧螺栓结构 ，螺栓预紧 拧紧联接能增强联接的刚性、紧密性和防松能 以计算螺栓 力［５１。力矩法预紧即螺钉拧紧力矩，直接用扳手等力 矩工具拧紧螺母来预紧螺栓，这种方法在预紧力不 大的情况下是可行的。通过以上计算得知，该８ＭＮ 压力机螺栓的预紧力相当大，约为３．６５￣１０。ｋＮ，显然 采用这种方法是不可能达到预紧目的的。 ３．２预伸长法预紧 螺栓预伸长法是通过加热，利用热胀冷缩法预 ———材料线膨胀系数，ｍｍｆＣ；查表取 ＝１２．３ ×ｌＯ－￣ｍｍ／ｏＣ： —螺栓加热的有效长度，ｍｍ；根据设备框 架结构性能取Ｌ＝１０００ｍｍ； 紧。通过用加热设备给螺栓加热，使螺栓受热后伸 长，当螺栓的伸长量达到预设长度即３．６７ｍｍ时，再 把螺母拧紧，就可以达到设备设计时的预紧力，从而 △￡——螺栓加热后温度的增加量，℃。 Ａｔ＝ｔ２－－ｔｌ （６） 式中：ｔｌ——室内温度，取ｔｌ＝０ｏＣ； 厂螺栓所需加热到的温度，℃。 确保设备技术要求，保障设备正常工作。 通常加热方式采用氧气或乙炔等火焰直接加热 螺栓，这种方式操作简单，目前企业一般都采用此种 方法加热。但是由于８ＭＮ压力机机架空间窄小，螺 栓能加热的部分仅有ｌＯ００ｍｍ左右，考虑到操作困 难和加热温度不易控制等原因，这种方式同样不能 被采用。 ３．３ 电磁感应涡流加热螺栓预紧 ３．３．１采用电磁感应涡流加热方式加热螺栓 电磁感应涡流加热示意图如图：３所示，通过电 ４由式（５）得：Ａｔ＝ＡＬ／ａＬ＝２９８℃。 由式（６）得：ｔ２＝Ａｔ＋ｔ１＝２９８℃。 结论 （１）８ＭＮ压力机螺栓预紧力为３．６５ｘ１０ ｋＮ。当 螺栓预伸长３．６７ｍｍ时拧紧螺母方可达到预紧目 的。 （２）由于螺栓预紧力大，采用力矩法无法实现对 压力机螺栓的预紧。 磁感应原理，在螺栓圆周上缠绕导线，当线圈与交流 电源接通时，电流通过线圈时会产生交变磁场，使螺 （３）由于场地和设备等客观因素的，提出采 用电磁感应涡流加热方式对螺栓加热，并通过计算 得知螺栓加热到２９８￣Ｃ时可伸长３．６７ｍｍ，从而达到 预紧目的。 栓内部产生涡旋电场，由于螺栓内部电阻值很小，故 涡旋电流可以达到很大的强度，因此有较大的热量 产生。利用此原理可对螺栓进行加热，使其达到预期 的伸长量而预紧。 【参考文献】 ［１］何德誉．曲柄压力机（第２版）．北京：机械工业出版社，１９８７：１～ ５３． ［２］叶臻，王晋抚，田华明，等．大型组合框架立式液压机机身关键 构件分析与研究．锻压装备与制造技术，２０１０，４５（６）． ［３］刘鸿文．材料力学（第２版）．北京：高等教育出版社，１９８２：１８—４３． 【４］机械设计手册联合编写组．机械设计手册（上册，第１分册）．北 京：化学工业出版社，１９８３：５～１０． 【５］ 肖 政，盛图３电磁感应涡流加热示：意图 娟，鹿新建．高速冲床导轨轴承预紧力的控制．锻压 装备与制造技术，２００９，４４（１）． ３．３．２螺栓加热温度的计算 △ ＝ｃ吐△￡ （５） 式中：△ ——螺栓加热后伸长量，ｍ：【Ｉｌ；根据设备参 数性能取ＡＬ＝３．６７ｒａｍ； Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｂｏｌｔ ｐｒｅｌｏａｄ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ８ＭＮ ｐｒｅｓｓ ＧＵＯ Ｘｉｎｌｉｎｇ１，ＢＡＩ Ｘｉａｏｑｉ （１．Ｓｈａｎｘｉ Ｐｃ・ｌｙｔｅｃｈｎｉｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７ １ ２０００，Ｓｈａｎｘｉ Ｃｈｉｎａ； ２．ＡＶＩＣ Ｓｈａｎｘｉ Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓａｎｙｕａｎ７１３８００，Ｓｈａｎｘｉ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｃａｎ＇ｔ ｂｅ ｐｒｅｌｏａｄｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅ ８ＭＮ ｐｒｅｓｓ，ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｌｔ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｏｒｔｅｘ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｌｏａｄｅｄ Ｉ￣ｆｆｅｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂ ｓａｆｅｔｙ．Ｉｔ ｔａｋｅｓ ｓｍａｌｌ ｆｌｏｏｒ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｅｓｓ；Ｓｃｒｅｗ ｂｏｌｔ；Ｐｒｅ］ｏａｄ ｆｏｒｃｅ；Ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｏｒｔｅｘ ｈｅａｔｉｎｇ
