重型钢丝缠绕预应力剖分坎合结构概述
预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析
预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析彭俊斌1, 2颜永年1, 2张人佶1, 2林峰1, 2(1. 清华大学机械工程系北京 100084；2. 清华大学先进成形教育部重点实验室北京 100084)摘要：分析了预应力钢丝缠绕机架坎合梁的承载原理和影响其承载能力的因素。
采用Patran/Marc有限元软件，分析了加载载荷和剖分界面抗剪系数对钢丝缠绕预应力机架中的坎合梁整体性的影响。
进行350 MN涡轮盘模锻液压机模型对比试验。
数值模拟和模型试验结果一致，表明当梁的剖分界面不采取坎合处理，完全靠自然摩擦保持其完整性时，机架在预紧状态能保持很好的完整性，但在合成状态，会产生错移；当剖分面经过坎合处理后，界面抗错移能力大大提高，机架在最大工作载荷下依然能够保持很好的完整性。
关键词：预应力坎合梁坎合系数中文分类号：TU3780 前言在20世纪70年代中后期，瑞典ASEA公司、前苏联和我国相继开展了钢丝或钢带缠绕预应力结构的研究。
钢丝缠绕预应力结构就是用高强度钢丝将上下梁和立柱缠绕、预紧，构成液压机的承载框架。
上世纪90年代利用钢丝缠绕预应力技术我国还自行设计制造了50 MN至400 MN板式换热器液压机130余台。
至今全国各种钢丝缠绕材料成形压机投放市场共达1 000台套左右。
在重型模锻液压机上，上下梁重量大、体积大，整体制造需要很强的铸锻能力，且质量风险大，成本高，在运输、吊装方面的难度也不可忽视。
为此清华大学机械系在设计350 MN航空涡轮盘模锻液压机和360 MN钢管垂直挤压机时，都对上下梁进行了剖分，采用预应力坎合梁的形式。
图1 钢丝预应力坎合机架钢丝缠绕预应力坎合梁机架是在原有缠绕结构的基础上演变出来的一种新式结构。
它是运用预应力坎合连接的新技术，将超大、超重且难于制造加工的上下梁分为4块，以降低其加工、制造、运输等难度。
例如：350 MN压机1：10模型结构如图1所示，将半圆梁分成1、2、3、4四块，1、2、3组成拱形梁，4则为小半圆梁。
我国锻压机械行业现状概况
北方重工公司
2009 年 7 月
北方重工公司、 沈阳重锻等
清华大学、燕大
10
2011 年第 4 期
REVIEW 综 述
图 1 165MN 自由锻造油压机 锻件单件最大 600t。配套 630t·m 操作机。锻造次数 见表 2 所示。
表 2 自由锻造油压机锻造次数
动作规范 压力等级/MN 行程/mm 压下量/mm 锻造次数/min-1
8
185 油压
洛阳中信重工
2009 年 3 月
洛阳中信重工 德国威普克-潘克公司
9 电动螺旋压力机 80 机械
景航
2012 年
青岛青锻锻压机械有限公司
10 热模锻压力机
11
125 机械 125 机械
长春一汽锻造 洛阳一拖锻造
2007 年 2008 年
第二重型机器厂设计制造 第二重型机器厂设计制造
12
目前，山东济南、江苏扬州已经成为我国钣金机 械产业聚集区，整体看其创新能力、产品技术水平国 内领先，具有良好的发展前景。
9
2011 年第 4 期
综 述 REVIEW
2.3 锻造机械 近年来，以新工艺为导向，满足新工艺要求的特
殊结构特殊功能的锻压设备也不断出现。比如，等温 锻造设备、热冲压设备、电磁成形机、特殊材料锻压 设备等。
图 3 3.6 万 t 黑色金属垂直挤压机在装料试车
360 工程是我国独立自主研制建造的国家战略
性大型装备，几乎集中了国内各方面的专家学者，克
服了大量的技术难点，获得巨大成功。360 项目开创
性地运用预应力钢丝缠绕和部分坎合技术, 成功研
制了目前世界上最大的 3.6 万 t 黑色金属垂直挤压
机和 1.5 万 t 穿孔制坯机，开创了一条重型装备制造
重型机械领域中的预应力坎合连接原理及应用
塑性变形区（Ｐｌ＜Ｐ２＜Ｐ３） 图４接触塑性变形过程
从塑性变形开始后，ＨＥＲＴＺ的椭圆形强度分布 不再适用，也很难用理论计算来描述接触界面的压 力分布状况。１９４３年，ＩＳＨＬＩＮＳＫＹ在ＨＥＮＣＫＹ工 作的基础上，用Ｈａｒｒ．Ｋａｍｍｎ塑性准则分析了全塑 性接触的压力分布状况。在全塑性阶段， ＩＳＨＬＩＮＳＫＹ认为全塑性接触的接触区压力的分布 如图５所示，从图５中可知，在接触面上，压力并 非均匀接触，而是在中心压力较高，两边缘压力较 低。运用Ｈａｒｒ．Ｋａｒｍａｎ塑性准则分析得到的结果并 不是十分严格，但也可以作为一个很好的近似参考。
ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒｅａｔｕｒｅ’ｓ ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｎｔｅｒｃｈｅｃｋ Ｃａｌｌ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｗｏ ｃｒｅａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｉｓ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｇａｉｎｓｔ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｗｉｌｌ ｎｏｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｕｎｌｅｓｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｎｔｅｒｃｈｅｃｋ ｉｎ ｔｗｏ·ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
从上述分析可知，多峰坎合结构是生物界普遍 存在的表面接触结构，具有以下特征：①峰结构尺 度小。②结构自适应性强。③在垂直接触面和平 行接触面方向产生了坎合现象。保证以上三个特征 就能使生物具有适应能力较强的粘附特性。
从仿生学的角度分析，多峰坎合结构不仅可以 映射到尼龙搭扣，更能启发人们用来解决机械连接 中的连接问题，从而形成一种新型连接方法。 １．２机械预应力坎合连接
从而产生很强的抗错移能力。 当两物体的连接界面为普通的机械加工平面
重型钢丝缠绕预应力剖分坎合结构概述
ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｓ ａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ，ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｔａｒｇｅｔ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｏｃｃｕｐｙ ａ ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎｎｏｔ ｏｆｆｅｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｕｐ ｔｏ ５０％．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ａｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ ｐｉｅｃｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｗｏｕｎｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ
重型机械领域中的预应力坎合连接原理及应用
（ 作者单位： 永煤集团铁路运输处）
尽量降低 电源波动对遥信的干扰。三是消 除电磁 对变电设备的影 材 料接触进入全塑性阶段后， 因接触面积和深度会受到很多参 响， 尽可能在变电设备上装置防抖动设备， 从而减少遥信 的抖动现 数影 响， 很难对其建立一个理论 的解 ， 研究这一阶段的坎合现象， 象， 提高遥信信息的准确性 。 四是要对遥信安装必要的防护装置， 应 保 证 固 定平 板 屈 服 强 度 不变 ， 在 相 同载 荷 作 用下 ， 屈 服 强 度 的不 比如防雷器等装 置， 这样能有效 的降低外界环境对变电设备的影 断增加 ， 会使 接 触 面 积 垂直 投 影 减 少 ， 此 时 圆柱 压 入 深 度会 有 所增 响， 从而提高遥信的准确率。 加。 在保持其他参数不便的情况下， 坎台结构可由多种坎合板形成 ， ３ ． 结束 语 但是坎合的接触面积以及嵌入深度会受到所选取材料属性的影响。 严格重视对变电运行的管理是很有必要的。 在变电运行中， 我 根据双尺度机械阻挡和粘着原理， 可求得单位长度圆柱上产生的抗 们要保证每 一个环节和阶段的规范正确操作， 做 好安全运行的监 剪力， 其 计算 公式 为 ： 测工作， 以确保整体运行的安全、 稳定 。 为了确保变 电运行的安全 Ｆｒ ＝Ｆ ａ ＋Ｆｂ ＋Ｆ ｃ 性， 稳定性与可靠性， 充分发挥其 在变电系统的作用， 让电力企业获 式 中， Ｆ ａ 和Ｆ ｂ 分别表示的是大尺度和小尺度机械阻挡去产生 得较大 的经济利益 ， 电力部 门应该加 强变 电运行故 障处理维 护技 的阻力， Ｆ ｃ 为粘着区产生的阻力， 其中涉及到单位长度圆柱上的载 术 ， 不断提高相关人员的综合素质和专业技术能力。 电力部 门应充 荷、 抗 剪应 力 、 大 尺 度 机 械 阻挡 深 度 以及 发 生 粘 着和 未 发 生粘 着 的 分认识到维护技术在变电运行故障处理中的重要性 ， 采取有效的解 宽度等诸多要素。 通过对各因素的分析， 大尺度和 小尺度机械 阻挡 决 措 施 来对 解 决 变 电运 行故 障 ， 从 而 确 保变 电设备 的正 常运行 。 在不同材料中对抗剪能力的影响并不相同， 大尺度机械 阻挡及粘着 （ 作 者单 位 ： 国网江西省 电力公 司检修 分公 司）
预应力钢丝缠绕技术在建材液压机上的应用
预应力钢丝缠绕技术在建材液压机上的应用
一、预应力缠绕技术简介预应力技术是一种先进的机械结构技术，在制造中对
结构施加预紧载荷，使其特定部位产生预应力，这种应力与工作载荷引起的应力相反，可以抵消大部分或全部工作应力，从而大大提高结构的承载能力。
而采用预伸长钢丝预紧的则称为钢丝预应力结构。
有以下几个优点：
①疲劳强度好。
这是由于预紧件载荷波动小而获得高疲劳强度抗力，如钢丝预
应力缠绕的油缸和机架，均有15年以上寿命。
②承载能力提高。
预应力结构是一种多元结构，在整体结构的压力集中部位将
其剖分，然后再预紧为一个整体，由钢丝受力代替结构中应力集中部位受力，因而就更具有较高的可靠性，其安全系数比外预紧结构可低得很多，因此预应力缠绕结构和传统结构相比，重量大大减轻，从而降低了成本。
③无破裂危险，对于超高压容器来说，如钢丝缠绕的筒体，可以在很高压力下
长期运行，而不产生破裂，极大地提高了缸筒的使用寿命。
二、钢丝预应力油缸的应用
由于缸筒采用了预应力缠绕技术，使缸筒内压力可以大大提高，像德国9000t 液压机就可以采用三缸甚至二缸的驱动结构，当缸径为860时，三缸时主缸内压力为517kg/cm2，二缸时主缸内压力为775 kg/cm2，当然随之而来的是工作台厚度和框架设计的改变（容后再表）。
采用钢丝预紧油缸的超高压供油有以下几个
好处：
①缸数减少，有利于活动工作台平稳加压。
从实践来看，基本消除了由于活动
工作台上升不平行造成需回程重新上升的现象；。
内蒙古360MN超大型挤压机安装施工工法
超大型挤压机安装工法完成单位名称：中国XXX冶集团机电公司主要完成人:1前言 (1)2工法特点 (1)3适用范围 (1)4工艺原理 (1)5工艺流程及操作要点 (3)6材料与设备 (23)7质量控制 (24)8 安全措施 (24)9环保措施 (25)10效益分析 (26)11 应用实例 (28)1前言本工法以内蒙古XX360MN垂直挤压机安装为载体，介绍了超大型挤压机安装流程、主要安装技术及安装操作要点。
360M.N垂直挤压机（超大型挤压机）是我国自主研发的也界最大的垂直挤压机组（双片牌坊组装的机架外形尺寸为：22500mmX7400mmX5000mm,总束2500吨），代表了当今设备研制技术的发展方向，它的设计制造建立在最新的液压机和重型设备技术基础上的。
360MN 垂直挤压机机架采用了结构优化技术、预应力坎合-剖分技术和预应力钢丝缠绕技术等多向先进技术进行设计，极大地降低了大型单件设备的制造、运输难度，但同时也增加了设备的组装、缠绕、吊装等的难度。
由于属国内首次安装此类型设备，没有安装规范、工法等技术资料可供参考，中国二十二冶集团机电公司在内蒙xx360MN垂直挤压机的安装工程中，采用新工艺、新技术，并制定了详细的安装工艺过程及安装技术方案保证了工程优质、高效完成。
我们在360MN垂直挤压机安装施工中，经过不断地施匚实践和改进提高，已经形成了一整套行之有效的施工方法利程序。
在应用本工法的清华40MN多向模锻压机、西安400MN模锻压机等项日中，施工质量、进度和投产后的使用效果均得到了业主的充分肯定和好评，并被评为“2009年河北省科技成果”，获得2010年唐山市科学技术二等奖。
2工法特点2.1超大型挤压机安装技术与传统挤压机安装技术相比，前者解决了封闭空间内重型设备的顶升、封闭空间内重型设备的翻转、大吨位设备的整体平移、封闭空间内大吨位大尺寸设备的吊装、大吨位螺栓的紧固等技术难题，为超大型挤压机的安装提供了切实可行的安装方案。
预应力结构的一般知识素材课件
维护要求高
预应力结构的维护和保养需要 专业人员来进行，维护要求较 高。
设计难度大
预应力结构的设计需要考虑多 种因素，如预应力筋的布置、 锚固方式等，设计难度较大。
预应力结构的适用范围
大跨度桥梁
预应力结构适用于大跨 度桥梁的建设，如斜拉
桥、悬索桥等。
大型工业厂房
预应力结构适用于大型 工业厂房的建设，如大
体外预应力施工工艺中，预 应力筋通过转向块和锚固块 传递预应力至混凝土结构中 。体外预应力具有改善结构 受力、降低结构自重等优点 ，但需要注意体外预应力的 防腐和耐固和大型结构的体外 索加固。
体外预应力施工工艺在旧桥 加固和大型结构的体外索加 固等领域应用广泛，能够提 高结构的承载能力和耐久性 。但需要注意转向块和锚固 块的设计和制造等问题。
配合比设计应根据具体的工程要求和 材料性能进行，并经过试验验证，以 确保混凝土的质量和性能符合要求。
预应力结构的节点设计
节点是预应力结构中的重要组 成部分，其设计需要考虑多方 面的因素，如受力、构造、施 工等。
节点设计应根据具体的工程要 求和结构形式进行，并经过分 析和计算验证，以确保节点的 安全性和稳定性。
详细描述
预应力混凝土结构广泛应用于桥梁、大跨度建筑和特种结构中，具有高承载力 和良好的抗震性能。通过在混凝土构件中施加预应力，可以抵消外力作用下的 变形，提高结构的稳定性和耐久性。
预应力钢结构
总结词
预应力钢结构是一种利用高强度钢材和预应力技术来制造具 有大跨度和轻质特点的结构形式。
详细描述
预应力钢结构通常用于大型工业厂房、会展中心和体育场馆 等建筑，具有优异的抗震性能和抗风能力。通过施加预应力 ，可以有效地减小结构的自重和跨度，提高结构的稳定性和 安全性。
预应力钢丝缠绕厚壁缸筒三维模型和平面应力模型分析
预应力钢丝缠绕厚壁缸筒三维模型和平面应力模型分析夏卫明;骆桂林;嵇宽斌【摘要】本文给出预应力钢丝缠绕有限元分析的三维模型和轴截面平面应力模型两种模拟方法.以80MPa内压的50MN预应力钢丝缠绕液压缸为算例进行有限元模拟,将钢丝层简化为六层圆筒,分别施加预应力和边界条件,两种模型均能得到相同的计算结果.但轴截面平面应力模型计算效率更高,结果更容易收敛.在求解方法处理上,将各钢丝层预应力按一个载荷步施加;将每层钢丝载荷工况定义为一个载荷步文件,后一载荷步文件删除前一载荷步载荷,采用载荷步文件法求解,按工况组合的方法将这些载荷步计算的结果叠加在一起;以及采用多载荷步方法计算.三种方法得到了相同的结果.%Two simulation methods including3D model andaxial section plane stress model have been conducted to finite analysis of pre-stressed steel wire wound cylinder.Taking the 50MN pre-stressed steel wire wound hydraulic cylinder with 80MPa inner pressure as an example,the finite element simulation has been completed.The steel wire layer has been simplified into six layers cylinder and has been executed prestressed force and boundary conditions respectively.The two models can get the same calculation result.But the axial section plane stress model is more efficient and easier to convergence.The solving method has been dealt with in the following steps.The pre-stress of each steel wire layer has been exerted as one load step.Each layer steel wire working load condition has been defined as one load step file,while the later load step file would delete the former file.By adoption of load step file method,the calculation results of these load steps have been overlapped as per combination of workingconditions.The multi-load step method has been also applied.The three methods have got the same results.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2017(052)002【总页数】4页(P37-40)【关键词】预应力;钢丝缠绕;液压缸;缸筒;切向应力;模拟【作者】夏卫明;骆桂林;嵇宽斌【作者单位】江苏国力锻压机床有限公司,江苏扬州225127;江苏国力锻压机床有限公司,江苏扬州225127;江苏国力锻压机床有限公司,江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】TH137.51预应力钢丝缠绕厚壁缸筒具有承载能力强、抗疲劳强度高、无爆炸危险等优点，是超高压油缸和容器设计制造的关键技术。
世界最大10万吨模锻液压机落户苏州昆山解读
世界最⼤10万吨模锻液压机落户苏州昆⼭解读世界最⼤10万吨模锻液压机落户苏州昆⼭中国⽬前最⼤的30000吨级模锻液压机，位于重庆市西南铝业集团有限公司，于1971年制造。
中国现有的⼤型锻压设备就锻压能⼒⽽⾔，仅相当于上世纪40年代德国和50年代初期美国、俄罗斯、法国所拥有的锻压设备能⼒，⽆法满⾜对⼤型航空模锻件产品⽣产的需要。
中国研制出全球最⼤的16500吨⾃由锻造油压机上海的世界最⼤⾃由锻造油压机进⼊调试阶段中国将建世界最⼤模锻压机可⽤于四代战机⽣产10⽉16⽇下午，记者从周市镇⾦秋经贸招商专场上获悉，与⼤飞机⼯程配套的⼤型模锻液压机项⽬——苏州昆仑先进制造技术装备有限公司正式落户周市镇。
该公司将联合清华⼤学等机构,整合各⽅资源，设计制造世界最⼤的10万吨⼤型模锻液压机。
这⼀项⽬标志着昆⼭市装备制造业发展掀开新的篇章，将改变世界航天航空业⼤型锻件⽣产格局。
据了解，苏州昆仑先进制造技术装备有限公司由市国科创投、爱博创投、启迪科技和清华⼤学颜永年教授等发起设⽴。
清华⼤学机械⼯程系长期从事装备制造技术研发，经过30多年的努⼒，以颜永年教授为带头⼈的研发团队，在⼤型模锻液压机的整体结构和技术⽅⾯取得了重⼤突破，研究成功了具有⾃主知识产权的预应⼒钢丝缠绕剖分/坎合技术等核⼼技术，已达到国际先进⽔平。
苏州昆仑先进制造技术装备有限公司将采⽤颜永年教授上述核⼼技术，从事重型机械装备的设计与制造。
到⽬前为⽌，世界范围内拥有4万吨级以上模锻液压机⽣产能⼒的国家只有美、俄、法3国。
颜永年教授研发的预应⼒钢丝缠绕剖分/坎合技术等核⼼技术，不仅是重型机械装备包括⼤型模锻液压机的核⼼技术，应⽤该项技术还成功设计了国家⼤型飞机⾃主研制所急需的8万吨模锻液压机等重⼤装备，使我国成为第四个具备4万吨级以上模锻压机⽣产能⼒的国家。
在昆建设实施的10万吨⼤型模锻液压机项⽬，将是国内最⼤的模锻液压机，将极⼤提升我国航空关键零部件的制造能⼒，使我国⼤型航空锻件的⽣产⽔平得到质的提升，并将改变世界航空⼤型锻件⽣产格局。
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第４５卷第１１期 ２００９年１ １月
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．４５ ＮＯ．１ｌ
ＮＯＶ．
２ ００９
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１，ＪＭＥ．２００９．１１．３０６
重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
颜永年１ 刘海霞１’２ 曾攀１ 林峰１ 张磊１ 张人佶１
１８ ｍ，直径约为ｌ ｍ的立柱，工程人员创造性地采 用了分段铸造后焊成整体的工艺路线制造‘８１。再如 ７００－－－９００ ｔ的水轮机转轮是由不锈钢铸造的上冠、 下环和十几枚具有自由曲面的叶片，经焊接而成。 这些都是本文定义的重型整体结构。
图１重型轧机整体牌坊
重型整体结构的制造触及到重型冶金、铸造、 锻造、焊接、热处理、机械加工和起重运输等一系 列工艺和技术的极限能力。往往由于多个环节能力 和规模不足，无法完成重型结构的整体制造，而成 为工程的瓶颈，极大地影响重型装备的发展。 １．２重型螺栓预应力剖分一组合结构
（１）预紧刚度过高的问题。预应力结构的力学 特性由其预紧件和被预紧件对于工作载荷的分配关
万方数据
机械工程学报
第４５卷第１１期
图２ ＡＤ公司４００ ＭＮ模锻液压机
系所决定。由于大型螺栓的许用应力受制于冶炼、 锻造及热处理等一系列热加工工艺，难以提高，一 般在１００－－－一１５０ ＭＰａ。为了获得巨大的预紧力，只有 增加螺栓的截面积，即增加了预紧刚度。所谓预紧 刚度可采用预紧件所承受的工作载荷份额（百分数） 来表示，预紧刚度越大，预紧件即螺栓承受的工作 载荷份额越大，其结果就是螺栓承受的交变应力幅 值与其平均应力比值（应力波动比）越大，预应力结 构的力学特性越差，则疲劳抗力（强度）越低，这是 导致螺栓破坏的主要原因。显然，重型螺栓的许用 应力是难以提高的，因而高应力波动比无法解决， 这是原理性问题之一。
Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｂｕｍｐｙ Ｒｉｄｇｅ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｉｔｈ Ｓｔｅｅｌ嘶ｉｒｅ”白ａｎｄ
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预应力机械结构早在１７世纪就已产生（主要是 大炮的预紧），１９世纪已有大量的工业应用。自２０ 世纪以来，粗螺栓预应力技术（用粗螺栓将子件预紧 形成组合件的技术）已发展到十分成熟的地步【４】，为 了提高结构的可靠性，２０世纪中叶细螺栓预应力技 术逐步发展起来ｐＪ。工程界为追求更高的技术经济 指标和更高的结构可靠性，又将细螺栓技术发展成 为钢丝缠绕预应力技术，并于２０世纪８０年代至２１ 世纪初，逐渐形成现代预应力技术之一，即钢丝缠 绕预应力技术【６１。钢丝缠绕预应力技术提供了高可 靠性预紧力。借助缠绕机器人，对于数千吨重的结 构件自动施加数万吨乃至十几万吨预紧力的技术在 我国率先实现。上述预应力技术的进步，特别是本 文要分析的重点——重型钢丝缠绕预应力剖分一坎 合结构ｌ列及制造技术路线，大大推动了重型结构的 发展。
２００９年ｌ １月
颜永年等：重型钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构概述
锻和焊成形能力，用尽可能少的ｆ个子件组装成重 型结构（ｆ＝ｌ为整体结构，ｆ＞１时为组合结构）【１’２】。 如３００＂５００ ｔ的轧机牌坊（扛ｌ，整体结构）、１ ０００＂～ ２ ０００ ｔ的液压机承载机架（ｆ＞ｌ，组合结构）、７００ ｔ 的水轮机转轮（ｉ＝ｌ，焊接整体结构）、６０－－一４００ ｔ的 锻造工作缸部件（ｉ＝ｌ，整体结构）都是代表之作。 这条技术路线推动了近代重型装备百年的发展。
这种粗螺栓预紧的重型预应力剖分一组合结 构成功地用于许多重型装备，如德国西马克公司和 德国ＳＰＳ公司于２００６年为法国ＡＤ公司，在法国 土伦附近的Ｐａｍｉｅｓ Ａｉｒｆｏｒｇｅ工厂制造安装的重型 ４００ ＭＮ模锻液压机，其承载机架由４根巨大的粗 螺栓等预紧而成，运动部分质量达２ ５５０ ｔ，如图２ 所示。
ｍ清华大学机械工程系北京 １ ０００８４： ２．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京 １０００８３）
摘要：霞型整体结构转变成螺栓预应力剖分一组合结构再发展到钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构是科学、技术、工程发展的 结果，预应力技术是推动这一发展的关键因素。从预紧件的许用应力、被预紧件的应力波动比、预紧系数、预紧刚度、剩余 顶应力、疲劳抗力、技术经济等多个角度系统分析这几种结构的优缺点和应用背景。着霞指出重型螺栓预应力剖分一组合结 构的原理性缺点，由于预紧件许用应力的限制，在重型和超重型结构应用中难以获得高的力学指标，预紧件须占据很大的窄 间且无法对被预紧件进行法向应力保护。详尽对比分析钢丝缠绕预应力剖分一坎合结构力学特性及应用于霞犁结构的优势， 可提供高可靠性预紧力，被预紧件上的剩余压应力与预应力之比可达到５０％左右，对防止子件间剪切错移十分有利。通过给 出重型预紧结构设计参数优选表，为重型预应力结构的设计提供了科学的参考。 关键词：重型结构预应力钢丝缠绕组合坎合 中图分类号：ＴＢＩ
一般来说，用于重型缙构的粗螺栓由于低许用 应力而导致大截面积，其值与被预紧件面积相当， 工作载荷的５０％左右被粗螺栓所承受。也就是说， 预紧刚度过高。
（２）应力集中难以避免的问题。螺纹根部是严 重的应力集中区，许多预应力剖分一组合结构的失 效无不与螺纹根部裂纹失稳扩张有关，这是另一个
０前言
近代重型结构制造技术路线的Байду номын сангаас成和发展始
２００８１ Ｉ １６收到初稿，２００９０６２７收到修改稿
万方数据
于１９世纪未２０世纪初，有百年以卜的历史，与任 何一种技术领域的发展一样，它既是当代工业和经 济发展催生的产物，又是在当代科学、技术和工程 环境的支持下发展并受其制约的结果。延续垒２０ 世纪巾叶的重型结构制造技术路线的基本框架是在 重型冶炼能力的支持下，被迫追求尽可能大的铸、
ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｓ ａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ，ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｔａｒｇｅｔ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｂｏｌｔｓ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄ ｔｏ ｏｃｃｕｐｙ ａ ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎｎｏｔ ｏｆｆｅｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｗｉｎｄｉｎｇ ｗｉｒｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ ｊｏｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｅｄ ｐｉｅｃｅｓ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ｕｐ ｔｏ ５０％．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ａｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ ｐｉｅｃｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｗｏｕｎｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｂｕｍｐｙ ｒｉｄｇｅ
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８３）