预应力钢丝缠绕超高压容器与压机
清华大学机械工程系教授 颜永年
70年代初，我国工业各个部门急需各种大吨位的超高压容器与液压机，如超硬材料加工、合成人造金刚石需要能承受6万大气压，1500oC高温的成形腔；化肥工业急需大容量的超高压容器；冶金工业急需高质量的轴承钢，则需要将轴承钢粉末在等静压条件下压实，其压力可高达数千个大气压和1500度的温度，军用飞机的涡轮盘，为了延寿也需对其施加高温等静压处理。陶瓷工业也急需各种等静压的超高压容器。随着化工制碱工业、小区供热、饮料消毒、地热利用、电力工业的发展以及大型机电设备的和远洋轮船内燃机冷却都需要高效的板式换热器，而板式换热器的生产，需要数千吨至数万吨的高精度的板式换热器板片成形压机。铜包铝导线的生产之最佳条件是上万大气压的静压挤压状态。飞机钣金成形则需要承载能力为数万吨的橡皮囊成形压机，它可以使飞机钣金零件的制造费用降到最低限度。此外，航空航天工业、导弹的许多零件的也需要静液挤压成形，其压力可高达3万个大气压。以上种种需求归根结底就是如何计算、如何设计、如何制造，没有爆炸危险的疲劳寿命高的以国产材料为基础的超高压容器，如何制造出与超高压容器相匹配的能承受数万至十数万吨的承载机架。
预应力钢丝缠绕结构是制造超高压容器和巨型压机的最佳技术选择，通过钢丝缠绕对承受巨大载荷的容器和承载机架施加预应力，使其在合成状态下应力大大下降，疲劳强度大大提高，完全消除应力集中。预应力钢丝缠绕结构，其重量仅为相同承载能力的非预应力结构的1/6。因而，从60年代到70年代，各种重型预应力钢丝缠绕结构在工业化国家相继研制成功。尤其是瑞典ASEA 和A.B.Carbox公司垄断了世界上的全部重型预应力结构的市场。为了打破这种技术垄断，发展与各个工业部门息息相关的此种缠绕预应力技术，我国政府一机部委托清华大学与第二重型机械厂、太原重机厂、首钢北京特殊钢厂以及许多科研单位如：科学院物理所、航空部材料研究所（621所）、西安重型机械研究所、有色金属研究总院等合作攻关。清华大学承担了攻关的主角，尤其是理论分析、力学计算以及实验研究等方面。从此，这个光荣的任务责无旁待地落到了机械系锻压教研室重型设备课题组的身上。
ASEA公司（即现在的ABB公司）视预应力纲丝缠绕技术为其公司生存竞争的生命线，它们称之为这是它们的奶油和面包，一旦泄露出去，公司将无法生存。除多种技术专利的保护之外，还对外严加封锁和保密，决不让用户偷走他们的核心技术和know-how。当时我国引进了数套冷热等静压机，产品引进来了，技术还是不得而知，尤其是详细的计算、分析原理和方法，施工规范、检验标准仍是未知数。由于超高压容器如热等静压机之工作主缸工作介质为1500 oC、1500个大气压的氮气，这是一个巨大的炸弹，爆炸的危险威胁着应用它的现场，因而要掌握这种专利技术，制造一种没有爆炸危险的容器和重型承载机架，难度是很高的。1973年，我们抱着“争口气破专利”的热忱来到北京特殊钢厂，我们住在自行车棚改装的简陋的临时住处，与北京特殊钢厂的技术人员和工人师傅组成了一个攻关小组。从厂里借来一台拉丝机，改装成缠绕的转盘，用废旧的角铁焊起一个重锤塔架，在特钢煤场旁搭起一个四面通风，仅可遮阳，无法挡雨（外面大雨，里面小雨）的工棚。这样就开始了我们的攻关实验，从教研组搬来了当时最先进的电测设备，从特钢捡来了各种可加利用的废旧材料。白天，采用特钢的高强扁钢丝做缠绕实验，晚上进行理论分析。
通过柔性材料缠绕施加预应力本来就没有什么神秘的，我国南方的大木盆、木桶可以说是最古老的预应力缠绕结构。欧拉关于绕带摩擦的公式是最古老的缠绕理论。为了弄清环境温度对预应力钢丝缠绕结构的预应力值的影响，我们连续三天三夜测试预应力值，晚上睡在钢板支起的桌面上，白天在炼钢炉引火的草圈堆中休息。我们弄清了一昼夜温度变化与预应力值变化的关系。为了实实在在的搞清重型承载机架的疲劳寿命，我们对50吨、100吨的机架进行1000万次、500万次加载实验；并实际地测试在疲劳实验前后的预应力值，我们对特钢的钢丝蠕变特性进行长达1年的测试。以上种种基础工作为我们制定合理设计规范、安全系数的确定提供了科学依据。在特钢的日子是很艰苦的，困难也很大，但大家都是乐观的充满豪情的忘我工作。生活中最大的乐趣在于搞清了什么，发现了什么。实事求是，理论联系实际的工作态度使我们得益匪浅。在研究过程中，我们发现19世纪末Longridge和Comstock所提出的钢丝失效判据并不适用于现代高强钢丝，并不是正应力将其拉断，而是剪应力将其剪断。因此我们有必要按剪应力失效的准则推导出变张力缠绕的全套公式。我国的化工容器设计资料以及国外的大量的缠绕科技文献都在延用Longridge氏和Comstock氏的公式，这使我们越发感到有必要尽快完成这项理论分析工作。我们于1974年推导了剪应力失效变张力缠绕计算公式并制定了设计规范。同年我们联合航空部材料研究所（621所）、科学院物理所、西安重型机械研究所以及北京特殊钢厂共5个单位进行旨在比较基于不同失效判据建立起来的缠绕理论和设计规范的区别的大型实验，包括爆破实验。这是当时高水平的预应力钢丝缠绕技术的研究实验工作，我们取得了满意的结果，完成了这件在重型预应力结构领域中国内国际领先的研究工作。这些工作的成果于1975年发表在当时国内唯一的重型机械杂志?D《重型机械》上。1977年丹麦科技大学的J.GRf NBAEK在Journal of Eng. for Industry, 1977.8杂志上发表了类似的工作成果，他所推导的公式与我们推导的公式完全一致。但我们比他们提前了两年完成了相关的理论分析工作，而且还进行了爆破实验。这充分说明我们的工作在世界上是领先的。现在，预应力钢丝缠绕超高压容器的设计已广泛采用我们推导的等剪应力变张力缠绕公式和制造的规范，这些已收录于化工容器设计手册之中。由于上述成果，我们第一次获得一机部科技成果奖。
在特钢所做的另一项研究工作是1975年首创一台内径达300毫米，工作内压达1500个大气压，1500 oC的等静压压机，包括无爆炸危险的超高压容器以及相应的承载机架。我们将所完成的实验研究成果、设计规范和理论分析公式，全都用到这台压机上。该机的成功标志着我国的科研人员有能力依靠我们自己的力量采用我国生产的材料突破国外的技术封锁。
特钢的成功鼓舞着科研组的全体成员，我们根据这些成果与太原重型机械厂合作，研制我国第一台预应力钢丝缠绕的热模锻压机和2万吨橡皮囊板料成型压机。与第二重型机械厂合作研制国内第一台多项模锻压机，它是我国6万5千吨多项模锻重型压机的样机。当时，6万5千吨重型压机是我国用以苏联7万5千吨、欧共体6万5千吨、美国4万5千吨（两台）抗衡的国宝，是大量生产军用飞机的关键设备，即原计划安装在某某宇航模锻基地的关键设备。6.5万吨压机由于经费的缘故并未上马，但我们的样机和科研工作成果得到一机部的科技成果奖。
应该提到的是北京有色金属研究总院在静液挤压、工艺与设备?D?D这也是采用预应力纲丝缠绕技术的设备方面做出了高水平的研究与实验工作。他们也是我们在预应力纲丝缠绕结构研究开发过程中的紧密伙伴。
我们还开展了多层超高压预应力纲丝缠绕容器的优化设计，这些容器主要用于两个方面：一是导弹零件的静液挤压筒，这是与621所合作的部分；二是金刚石合成模具，这些工作是与北京人工晶体研究所合作的部分。
80年代初我国急需大量的板式换热器，而我国尚无一台可以压制不锈钢板或钛合金板的大吨位压机。国际上ASEA公司垄断着这种压机的国际市场，这也是一种预应力钢丝缠绕结构，其主缸工作内压在1000到1500大气压之间，承载机架需承受1万至4万吨的巨大载荷，我们课题组的成员决心将我们用于航天、航空、冶金等领域中的预应力纲丝缠绕技术成果发展应用于薄板压制成形。我们决心以价格和质量的优势，在换热器板料压制成型压机市场上为中国人争一口气。我们组成了以清华大学为主体的压机设计、制造、销售、售后服务联盟。按现在的话来说就是虚拟公司，该联盟包括沈阳的两家液压机制造厂、天津的一家液压机制造厂。清华大学负责压机的优化设计、方案设计、计算分析和缠绕工艺设计；1万吨以上的压机由天津方面完成（因为在天津安装了承载300吨的缠绕预紧设备）；1万吨以下的压机由沈阳方面两家工厂完成（它们分别都安装了承载100吨的缠预紧设备）。清华大学不规定产品价格，不指定承担任务厂家，而是由用户根据各厂提供的报价、供货期限和产品质量来选择厂家，以此来促进工厂精益求精、改进技术、做好服务，所以我们能以国外产品1/10的价格优势和良好的质量去占领市场。目前，国内各种大小换热器厂上100家，没有一家从ASEA（ABB）公司以及任何外国厂家引进一台板式换热器板片成型压制压机，形成中国的市场完全由中国的产品来占领的局面。
在此期间，我们课题组发挥自身优势，不断给工厂提供所需要的技术，使板式换热器板片成型压制压机形成了我国特有的风格并在技术上具有独到之处。以至于国外换热器公司到中国来合资建厂，采用他们的工艺，但设备却采用中国的设备。我们课题组和合作伙伴长年累月到各地用户那里去服务，北至哈尔滨、南至佛山、西至兰州、东到上海，都留下了我们辛劳的足迹。我们曾被液压系统中喷出的油液浇得狼狈不堪；也曾在东北严寒冬季没有暖气的车间里进行缠绕预紧施工，虽倍受艰辛，却在工厂第一线中积累了丰富的经验。从85年到96年10年中，我们完成5000吨至4万吨的重型压机20台。国内化工、冶金、小区供暖、饮料消毒等行业都采用着我们的压机等技术生产的板式换热器，为这些领域的发展贡献了我们的力量。对其中部分压机三个月的财务统计表明：创利润近亿元。我们的成果荣获机械部一等奖，国家科技成果三等奖。
长期的预应力纲丝缠绕结构的研究工作使我们认识到载荷传递链过长是压机刚度难以提高的主要技术障碍，减少载荷传递链的长度将可取消传统设计中的巨大活动横梁。将载荷以最短的“传递距离”传递到模具上，可以大大提高压制精度。再配以方形油缸将形成全新的压机结构，当然这也是一种预应力纲丝缠绕结构。这种压机已例入95国家重点推广计划，我国从国外引进了大量的汽车车身生产制造技术，但我国没有现代的汽车车身品牌开发技术?D?D车身试制技术。车身制造技术与车身品牌开发技术是完全不同的技术领域。预应力纲丝缠绕结构可以很好地用于汽车车身品牌开发技术，这就是柔性成形压机。它在巨大的钢丝缠绕预应力高压液压腔内通过液体的压力将板材压贴到凸模上，无需凸凹模的压制完成拉延、翻边、弯曲等成形工艺,这就大大地节省了汽车覆盖件压制成形的模具费用，也大大缩短了汽车覆盖件试制的周期。这种技术已成为世界各大汽车生产厂家用于车身品牌开发的核心技术之一。我们课题组在国内首先提出将最短载荷链传递原理与方型油缸技术集成，制造柔性成型压机，这种压机是目前重型行业中的真正巨人。它所产生的压制力可高达14万吨。在学校985计划的支持下，一台具有国际领先水平的6500吨能完成深拉延和浅拉延，采用预应力纲丝缠绕结构的柔性成形压机已设计完毕，并投产。它是我国吨位最大的液压机?D?D14万吨汽车覆盖件，板料成形压机的样机（目前已完成压机设计）。课题组的成员不满足于已取得的成绩，决心要以最高的速度、最好的品质完成我国吨位最大的压机的样机?D?D6500吨柔性成形压机，以此向我校90周年校庆献礼。
