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1、大型承载框架钢丝预应力缠绕技术研究邓晨曦,吴任东,颜永年,张磊,彭俊斌(清华大学机械工程系,北京100084)摘要:针对重型装备超大超重零部件预应力钢丝缠绕施工的问题,研究设计了1种自适应缠绕机器人,能够实现零部件外形自适应、变张力缠绕自适应以及排线自适应等3项功能,并在360MN垂直挤压机制造中得到成功应用。关键词:预应力;钢丝缠绕;自适应;重型装备中图分类号:TP242.2文献标志码:B将重型装备中的超大超重零件剖分为若干中小2钢丝缠绕工艺过程型结构并分开制造,再用钢丝缠绕施加预应力场的作用下组装成整体件,极
2、大提高了重型装备的可制2.1转盘式缠绕技术造性。受到重型机架体积、重量和场地等因素的制钢丝缠绕过程是把钢丝预先张拉到规定的应力约,传统的转盘式钢丝缠绕方法有着相当的局限性。值,然后将其缠绕到被缠绕件上,从而建立起预应力研究开发一种针对重型装备的自适应钢丝预应力缠场的过程。现有的转盘式钢丝缠绕设备由回转装绕技术,有着现实的需求和长远的意义。置、排线装置、张力装置、张力轮和放线架5部分组[3]成,如图1所示。1预应力钢丝缠绕结构优势以重型液压机为代表的重型装备经历了非预应力结构、螺栓预应力结构、缠绕预应力结构3个时代
3、。1954年,美国MESTA公司设计制造了450MN模锻水压机,机身大量采用重型铸、锻件,整机自重达7000t,压机性价比很低。图1转盘式缠绕设备示意图随着技术发展,预应力结构得到迅速应用。所回转装置夹持固定被缠绕件并绕轴回转,将达谓预应力结构,即预先对结构施加预紧载荷,使特定到设计张力的钢丝绕制到被缠绕件上;排线装置实部位产生的预应力与工作应力相反,抵消大部分工[1]时调整钢丝出线高度,保证钢丝有序紧密地排列于作应力,提高结构的承载能力。如法国AD公司被缠绕件表面;张力装置作为张力产生和控制环节,于1976年设
4、计制造的650MN多向模锻水压机(自通过改变重锤配重实现分级调整张力的功能;张力重13000t),通过粗螺栓施加预应力,承载机架立柱由受拉状态变为受压状态,铸件与锻件的寿命匹轮作为力的过渡环节,协调进出张力轮的钢丝高低配程度得以提高[2]。随着锻压机工作频次的提高,2不同水平的张力;放线架作速度跟随,被动放出高应力状态下的粗螺栓根部应力集中极易造成疲劳钢丝。断裂。德国Pahnke公司将单根粗螺栓改成多根细在缠绕过程中,由于外层钢丝的缠绕张力使立螺栓,疲劳强度进一步提高,压机自重随之下降。柱产生压缩变形,从而引起内
5、层钢丝的缠绕松弛,内为充分发挥材料潜力,进一步减小预紧件截面层钢丝的张力会减小。采用张力单调递减的变张力尺寸,用钢丝作为预紧件的缠绕预应力结构应运而缠绕工艺,将保证每根钢丝同等强度工作,以期充分生。与重型预紧螺栓相比,钢丝许用应力高达800发挥钢丝的强度潜力。上述转盘式钢丝缠绕技术能MPa,整机自重大幅降低;钢丝生产工艺简单,预紧通过改变悬挂重锤的重量来调整钢丝的输出张力,件制造成本可控;可产生巨大的预紧力,不受制造、实现阶跃式变张力缠绕,整体设备结构简单,在中小运输、起重能力的限制。鉴于上述优势,预应力钢丝型机
6、架的缠绕领域有着广泛的应用。缠绕结构在重型装备设计中得到越来越广泛和深入2.2重型装备缠绕的特殊性5的应用。重型装备中自身质量5×10kg以上,长度超过20m的部件,采用剖分制造并施加预应力组装·52·《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第2期成整体的方式,降低了制造难度和风险。基于上述考虑,研究设计了一种自适应钢丝缠若采用转盘式缠绕技术对重型部件进行预应力绕机器人,在张力控制、路径规划、排线策略3方面钢丝预紧,则受到众多因素的制约:1)回转工作台进行自适应设计:张力系统控制钢丝最终输出张力自身直
7、径需足够大以支承固定重型部件,设计、制造并保持动态稳定,且能根据缠绕进程对施加张力做和运输均十分困难;2)重型部件惯性大,导致回转自适应调整,实现变张力缠绕;运动系统控制机器人工作台转速很低,且对工艺需要的频繁启停的响应以被缠绕件外边缘为路径作匀速类卫星式运动,且慢,造成整体缠绕效率低下;3)对于大长径比(κ=运动路径可依据被缠绕件外形结构作自适应规划;L排线系统控制钢丝自适应被缠绕件表面形状做规则>3)的重型机架,钢丝从出排线端到机架表面的D排列,保证钢丝无间隙、无重迭缠绕。悬垂距离S变化剧烈(如图2),依靠重
8、锤自身的升3.1张力系统降来协调S周期性变化导致钢丝收放线速度的差张力控制系统为时变系统,高精度控制难度异,但重锤变速过程引入附加惯性力不利于维持张[5]大。机器人张力系统通过对张力轮施加制动力矩力稳定,将造成系统误差;4)重型机架在回转工作产生张力,传感器提供信号反馈,采用数字式PI算台上组对安装困难;5)回转半径过大,势必增大转法进行张力闭环控制,满足了高精度张力控制
