液压冷拔机预应力装置 【技术领域】
本发明涉及一种液压冷拔机， 特别涉及一种液压冷拔机预应力装置。背景技术 液压冷拔机是常温下通过拔制力与模具强制使加工对象 ( 管材、 棒料或异型材 ) 实现壁厚塑性变形的加工设备， 主要由机械系统、 电气系统和液压系统有机集成的， 其核心 功能是在常温条件下以液压系统提供的拉力， 强迫被加工对象通过模口， 实现被加工对象 的塑性变形， 达到加工目的。液压式冷拔机冷拔加工时， 当加工对象为管材内外表面时， 首 先把管端尺寸加工到能够通过模具的程度， 便于拔制小车前端的夹具夹持进行拔制， 然后 通过拔模进行扩 ( 缩 ) 径或复合工艺过程， 得到所需尺寸的加工零件。
液压冷拔机是生产精密、 薄壁、 高机械性能管材的主要加工设备之一。 采用该设备 加工管材具有加工精度高， 节约材料， 节约能源， 强化材料等特点， 可以代替管材热轧， 是节 约型加工装备系统。
液压冷拔机是钢管拔制的关键设备， 主要用于黑色 ( 钢管、 异型材、 棒料 ) 和有色 金属 ( 铜、 不锈钢管、 合金等 ) 等材料的拔制。在锅炉钢管、 油井管等领域， 冷拔是行之有效 的工艺。而钢管作为基础性钢材在我国经济建设中起着至关重要的作用， 制造母机——液 压冷拔机的设计制造水平， 直接关系到钢管生产质量， 也关系到产品的竞争能力。
目前， 无论从理论研究还是实验研究上， 国内外的参考资料很少， 冷拔机生产厂家 仍然以经验设计、 仿制为主。 冷拔机结构余量大， 安装效率较低， 生产、 运输成本高等很多问 题有待探讨和解决。因此， 本发明针对预应力框架式液压冷拔机提出了一种减量化设计方 案， 在满足生产要求的基础上， 使得生产装备所需的支出 ( 如重量， 面积， 体积， 应力， 费用 等 ) 最小。通过先进设计方法， 改进液压冷拔机的结构、 降低成本， 从而提高产品竞争力， 提 升企业自主创新能力， 掌握核心技术， 实现企业从制造到创造的转变。
本发明的研究将成为国内行业技术进步的有益尝试， 也是开创性的探索工作， 对 于行业技术进步将产生积极影响。
发明内容 本发明突破传统液压冷拔机采用实心拉杆预紧的设计理念， 充分利用预应力钢丝 材料本身的特性， 将其与液压螺母配合装配， 对冷拔机的主要受力结构件——机架结构进 行分析， 并取代拉杆进行优化设计， 从而减轻自重实现减量化。 本发明可以丰富液压冷拔机 设计领域的理论， 通过提供有价值的冷拔机的工程设计手段及辅助设计工具， 有助于预应 力框架式冷拔机实现简单化、 精确化和快速化制造。
本发明在对机架结构受力分析与强度、 刚度计算的基础上， 为预应力框架式液压 冷拔机提供一种新型的预紧设计方案， 具有科学的理论依据和很强的实用性。根据预应力 钢丝分析其工作特征 ： 其高强度和韧性主要表现在轴线方向， 并根据钢丝的受力情况分析， 在冷拔过程中， 钢丝受到较小的拉应力， 在拔制过程中此拉应力会逐渐减小。因此， 采用预
应力钢丝代替实心拉杆完全能满足冷拔机运行的安全性和高精度要求。 经过专利发明人与 相关液压冷拔机应用企业的合作交流与深入分析， 充分肯定了此设计方案的科学性和实用 性， 并针对此发明计划进一步制定液压冷拔机的减量化、 定型化和高效化的优化生产路线。
本发明的主要技术内容如下 ：
一种液压冷拔机预应力装置， 包括缸座、 模座和尾座三个座体， 模座位于缸座与尾 座之间， 所述缸座、 模座和尾座三个座体之间用撑管支撑， 所述缸座、 模座、 尾座之间有预应 力钢丝联接， 贯穿于缸座、 模座、 尾座与撑管之间 ； 所述高强度预应力钢丝通过缸座与尾座 两端的液压螺母预紧联接。
前述液压螺母与缸座、 尾座的连接面之间配有密封垫。
前述撑管与缸座、 模座和尾座的联接处有套筒辅助联接。
前述缸座、 模座和尾座通过地脚螺栓分别与地基相联。
前述预应力钢丝采用碳素钢或合金钢线材。
借由上述技术方案， 本发明至少具有下列优点 ：
1、 拔制精度高。由于拔制对象在拉拔过程中始终沿轴线平稳运行， 不产生径向跳 动， 从而提高了产品精度。 2、 承载力大。 由于此种冷拔机的预应力框架结构的强度高、 刚性好， 可以进行大变 形量的拔制， 并有较好的过载能力。
3、 拔制效率高。此种冷拔机不仅拔制速度高， 而且拔制长度范围大。
4、 结构简单， 易于制造。 预应力框架式液压冷拔机的各个零部件均属于简单截面， 故易于制造。
5、 安装地基简单， 节约安装成本。 由于预应力框架式液压冷拔机的机架是由缸座、 模座和尾座通过预应力钢丝联接而成的整体框架结构， 拔制时的拉力在整个结构中处于自 封闭状态， 所以地基只承受冷拔机重力， 不需要承受冷拔机水平方向上的力， 这就使地基建 造得以简化。
上述说明仅是本发明技术方案的概述， 为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施， 以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图 1 为本发明的结构示意图 ； 图 2 为图 1 中缸座的结构示意图 ； 图 3 为图 1 中模座的结构示意图 ； 图 4 为图 1 中尾座的结构示意图 ； 图 5 为液压冷拔机机架预应力分析图 ； 图 6 为液压冷拔机拔制时机架受力分析图。具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以下结合 附图及较佳实施例， 对依据本发明提出的其具体实施方式、 结构、 特征及其功效， 详细说明如后。 如图 1、 如图 2、 如图 3、 如图 4 所示， 一种液压冷拔机预应力装置， 包括缸座 1、 模座 2 和尾座 3 三个座体， 模座 2 位于缸座 1 与尾座 3 之间， 所述缸座 1、 模座 2 和尾座 3 三个座 体之间用撑管 4 支撑， 所述缸座 1、 模座 2、 尾座 3 之间有预应力钢丝 5 联接， 贯穿于缸座 1、 模座 2、 尾座 3 与撑管 4 之间 ； 所述高强度预应力钢丝 5 通过缸座 1 与尾座 3 两端的液压螺 母 6 预紧联接。
前述液压螺母 6 与缸座 1、 尾座 3 的连接面之间配有密封垫 7。
前述撑管 4 与缸座 1、 模座 2 和尾座 3 的联接处有套筒 8 辅助联接。
前述缸座 1、 模座 2 和尾座 3 通过地脚螺栓 9 分别与地基相联。
前述预应力钢丝 5 采用碳素钢或合金钢线材。
液压冷拔机的机架是冷拔机承载工作载荷的主体结构， 缸座 ( 如图 2) 是联接液压 冷拔机主油缸的座体， 其是受力最大的座体之一， 下面通过地脚螺栓 9 连接在地基上， 当加 载工作载荷时， 缸座 1 受到相当大的轴向力。模座 2( 如图 3) 是放置外模的座体， 在拔制过 程中， 钢管从此座中穿过， 在内外模和拔制力的共同作用下发生内外径变化， 所以模座 2 也 受到较大的拔制力。尾座 3( 如图 4) 主要是为了保证冷拔机的整体性和为芯杆系统的提供 基础。
实施例 ：
以液压冷拔机机架结构中一根拉杆为例， 如图 5 所示， 经过两端螺母施加预应力 Fγ 的作用后， 预紧螺母预紧后的轴向位移 SLM 应该等于拉杆所引起的绝对伸长量 ΔLLG 与 2 根撑管的压缩量 ΔLCG1、 ΔLCG2 的和， 即
式中 Fγ——为一根拉杆所受到的预拉力， kN ；
ALG， ACG1， ACG2——拉杆和两根撑管的截面面积， mm2 ；
L， LCG1， LCG2——拉杆和两根撑管的长度， mm ；
E——材料的弹性模量， GPa。
拉杆和撑管所受的预应力
σLG ＝ FY/ALG
σCG1 ＝ FY/ACG1
σCG2 ＝ FY/ACG2
如图 9 所示， 预拉力 Fγ 通过拉杆使三座体与撑管在水平方向上处于平衡状态。当 冷拔机工作时， 机架受到拔制力 F 的作用， 此时各座体又受到附加力 ΔF 的作用， 故有以下 方程
缸座 ΔFCG1+ΔFLG ＝ F (1)
模座 ΔFCG1-ΔFCG2 ＝ F/2 (2)
尾座 ΔFLG+ΔFCG2 ＝ F/2 (3)
由于式 (2)、 (3) 相加等于式 (1)， 为了求解 ΔFLG， ΔFCG1， ΔFCG2， 就需要补充一个方
程， 现在根据拔制力 F 作用后， 2 根撑管 CG1， CG2 附加压缩变形量之和应等于拉杆 LG 的附 加伸长量， 列出以下方程 ：
ΔFCG2LCG2/EACG2+ΔFCG1LCG1/EACG1 ＝ ΔFLGLLG/EALG (4)
解以上方程， 取 ACG1 ＝ ACG2， 各座体所受的附加力为 ：
ΔFLG ＝ FALG(2LCG2+LCG1)/2[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (5)
ΔFCG1 ＝ F(2ACG2L+ALGLCG2)/2[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (6)
ΔFCG2 ＝ F(ACG2L-ALGLCG1)/2[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (7)
设模座固定不动， 缸座向右的位移是
ΔLCG1 ＝ ΔFCG1LCG1/EACG1
＝ FLCG1(2ACG2L+ALGLCG2)/2EACG2[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (8)
尾座向左的移动是
ΔLCG2 ＝ ΔFCG2LCG2/EACG2
＝ FLCG2(ACG2L-ALGLCG1)/2EACG2[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (9)
拉杆的附加伸长量是
ΔLLG ＝ ΔFLGL/EALG ＝ FL(2LCG2+LCG1)/2E[ACG2L+ALG(LCG2+LCG1)] (10)
验算结果， 式 (8) 与式 (9) 之和等于式 (10)， 即 ΔLLG ＝ ΔLCG1+ΔLCG2， 满足式 (4) 的要求， 可见以上分析是正确的。
根据式 (5)、 (8)、 (9)， 可以分别计算出冷拔机在预紧状态下拔制时， 拉杆中拉应力 的降低和座体相对位移减少程度。 实际计算表明， 如果在未采取预紧的情况下， 缸座位移约 增加 50％， 拉杆中的拉应力也相对提高约 30％。
综上所述， 采用预应力钢丝代替实心拉杆使得预应力框架式的机架在未承载负荷 就施加一定的预应力， 使其产生微量的弹性变形。这样， 既消除了原有的接触间隙， 又大大 地提高了机架的整体刚度和精度。
本发明的实施实现了对液压冷拔机机架结构中预应力装置的一种减量化设计。 采 用高强度预应力钢丝代替实心拉杆贯穿在撑管与座体之间， 通过在钢丝两端施加一定的预 应力， 使得冷拔机整体机架产生微量变形。钢丝两端通过液压螺母预紧联接。如此不仅消 除原有的接触间隙， 提高机架的整体刚度和精度， 而且大幅度节省用钢量， 大大提高预应力 装置的安装效率。 这种预应力装置的优化设计使得机架受力均匀， 机架结构更加可靠， 同时 降低制造、 运输成本， 提高经济效益。
预应力钢丝 ： 预应力钢丝按直径划分有 4mm， 4.8mm， 5.0mm， 5.1mm， 6.0mm， 6.25mm， 7.0mm， 7.8mm， 8.0mm， 9.0mm， 9.5mm， 10.0mm， 11mm， 12mm 等 ； 按照强度级别可分类为 ： 中强 度预应力钢丝 800 ～ 1200MPa ； 高强度预应力钢丝 1470MPa， 1570MPa， 1670MPa， 1770MPa 和 1860MPa 等。
对于预应力框架式冷拔机， 计算其预应力只有 100-200MPa。 因此， 采用低强度预应 力钢丝即可满足实用要求。
预应力钢丝为直径一般在 4-12 毫米范围， 目前中国常用 5 毫米和 7 毫米规格。这 种材料的高强度主要表现在轴线方向， 应用于冷拔机的座体预紧是相当可行的。
液压螺母 ： 液压螺母一般用于螺栓的拆装和预紧， 以及工件的锁紧等场合。 并可做
液压过盈连接拆装工具。 在本发明中， 采用液压螺母对预应力钢丝两端实现紧固装配， 具有 操作方便、 省力、 预紧力大、 安全可靠等优点。
液压螺母特别适用于狭窄空间和重负荷振动机械紧固， 其工作原理是 ： 利用液压 油缸直接对钢丝施加外力， 使被施加力的钢丝在其弹性变形区内被拉长， 钢丝拉长后旋紧 液压螺母上的锁圈， 这样钢丝就会被锁圈锁止在拉长的位置上。
本发明采用液压螺母对预应力钢丝进行轴向拉伸， 实现钢丝一定的拉伸量。通过 这种拉伸量为座体施加预紧力， 使其成为一整体。当液压螺母被加压后， 钢丝受到拉伸， 同 时液压螺母和结合面紧贴。从而将钢丝的轴向形变锁住， 也就是将剩余钢丝载荷锁在螺母 里。连接面之间配有密封垫。密封垫只有在连接面被压紧时才起作用， 因此必须保证连接 面始终处于被夹紧的状态。对钢丝施加的载荷与油压成正比关系， 这样的设计能够非常精 确地留住有效载荷。 由于载荷直接施加在钢丝上， 且所有作用力都用于钢丝拉长， 因此载荷 产生所需的空间可以达到最小。
液压螺母具有如下特点 ：
(1) 拉伸方式不受预应力钢丝润滑效果和摩擦力的影响， 可以得到更为精确的钢 丝载荷。 (2) 多个螺母同时使用， 可对四根钢丝进行同步拉伸， 使两端钢丝受力均匀， 得到 均衡的载荷。从而保证三个座体之间受力平衡， 形成整体。
(3) 由于采用先进的超高压技术， 可以在很小的空间内完成钢丝的锁紧。
(4) 拉伸方式对钢丝进行紧固得到的剩余载荷和有效载荷要比力矩方式更大。
(5) 拉伸方式更适用于紧固精度要求较高的接合应用， 它能使连接面受力均匀地 接合， 真正地防止泄漏。
(6) 不会受钢管脱模时产生强烈震动的影响， 适用于各种震动、 大力量设备和狭窄 空间。
(7) 经济高效、 重量轻、 精度高。
上述如此结构构成的本发明的技术创新， 对于现今同行业的技术人员来说均具有 许多可取之处， 而确实具有技术进步性。
以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人 员， 在不脱离本发明技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例， 但凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质 对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰， 均仍属于本发明技术方案的范围内。