預(yù)彎?rùn)C(jī)回程缸活塞桿與提升環(huán)斷裂的分析與改進(jìn)

徐剛　謝曉東　黎鄭坤

摘 要：針對(duì)大直縫埋弧焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備預(yù)彎?rùn)C(jī)回程缸與提升環(huán)的斷裂問題，使用有限元分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并通過液壓分析其動(dòng)作不平衡的原理，提出了優(yōu)化改進(jìn)的技術(shù)方案，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，降低了設(shè)備的故障率，提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率.

關(guān)鍵詞：直縫埋弧焊；預(yù)彎?rùn)C(jī)；活塞桿；受力分析；UG；有限元分析

引言

隨著我國(guó)能源戰(zhàn)略調(diào)整步伐的進(jìn)一步加快，未來十年我國(guó)管道工業(yè)將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期 。鋼板預(yù)彎?rùn)C(jī)是直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線必不可少的重要設(shè)備 。 預(yù)彎是直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線的主要工序之一，其目的是完成鋼板兩邊的預(yù)彎曲變形，使鋼板兩邊的彎曲半徑達(dá)到或接近所生產(chǎn)鋼管規(guī)格的半徑。從而保證鋼管焊縫區(qū)域的幾何形狀和尺寸精度。如果預(yù)彎后的管筒呈尖嘴“桃形” ，給后續(xù)的預(yù)焊合縫帶來麻煩，易引起錯(cuò)邊或焊接燒穿，即使進(jìn)行擴(kuò)徑，也無法將其消除，并且還會(huì)損害擴(kuò)徑頭 。

預(yù)彎?rùn)C(jī)包括機(jī)架、底座、油缸單元、模具單元、夾緊梁、模具移動(dòng)裝置、輸送輥、換模裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、集中潤(rùn)滑站等部分。

預(yù)彎?rùn)C(jī)將銑邊后的鋼板，通過入口側(cè)的輸送輥道，以步進(jìn)運(yùn)動(dòng)方式送入機(jī)器的上、下模具之間，在模具的壓力下使材料發(fā)生塑性變形而彎曲。通過更換和調(diào)整模具的相對(duì)位置可以得到板邊曲率半徑與成品鋼管半徑非常接近的彎邊。該機(jī)兩臺(tái)相對(duì)布置，北側(cè)稱為M1，南側(cè)稱為M2，鋼板兩側(cè)同時(shí)彎邊。在通常情形下，板材的長(zhǎng)度數(shù)倍于預(yù)彎模具的長(zhǎng)度，因此鋼板的傳送和彎曲是分步進(jìn)行的，鋼板每前進(jìn)一個(gè)模具長(zhǎng)度，下模具壓上一次，直至整個(gè)板邊長(zhǎng)度都完成預(yù)彎邊操作。兩臺(tái)壓力機(jī)能夠在一個(gè)公共底座上相對(duì)同步移動(dòng)，以適應(yīng)不同板寬彎邊的要求。

預(yù)彎設(shè)備在生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生提升環(huán)斷裂和提升缸缸桿斷裂問題，設(shè)備笨重，空間有限，維修十分麻煩、工作量大，嚴(yán)重影響了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，因此針對(duì)設(shè)備現(xiàn)有的液壓和機(jī)械進(jìn)行故障分析，找到故障源頭，減少故障發(fā)生頻率，提高生產(chǎn)效率。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)

預(yù)彎?rùn)C(jī)由兩套三連缸組成，為預(yù)彎?rùn)C(jī)提供壓制力的為主缸，回程缸主要提供下橫梁回到原位的動(dòng)力。提升環(huán)與下模梁之間是回程缸鋼桿頭，上下球面墊組能夠滿足下拉和上頂時(shí)提供均勻壓力，又能在設(shè)備偏載時(shí)鋼桿可以偏轉(zhuǎn)。提升環(huán)除了起到連接的作用，還起到保護(hù)活塞桿的作用，在發(fā)生偏載時(shí)，一般是先拉斷提升環(huán)，原來的結(jié)構(gòu)提升環(huán)是整體件，更換比較麻煩而且會(huì)造成浪費(fèi)，現(xiàn)在使用的提升環(huán)分為兩個(gè)部分將容易損壞的部分單獨(dú)用螺栓連接，損壞時(shí)直接更換這部分減少易損件的材耗。

并且提升環(huán)與缸桿之間必須有足夠的間隙，保證鋼桿有足夠的偏轉(zhuǎn)空間，防止發(fā)生鋼桿被憋斷的情況。實(shí)際安裝時(shí)要注意缸體要保證位置正確，但是西南角缸體偏移嚴(yán)重，缸體笨重安裝困難。

2.驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

鋼桿材料為42CrMo，提升環(huán)材料為45，零件的強(qiáng)度跟材料、結(jié)構(gòu)、熱處理、表面光潔度、應(yīng)力集中等因素有關(guān)系。材料存在氣孔、微裂紋、夾雜物等缺陷，材料表面劃痕、局部應(yīng)力集中等因素，均可加快疲勞斷裂。減小表面粗糙度值和進(jìn)行表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等方法均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。

鎳鉻鋼合金鋼彈性模量E=206/Gpa，泊松比μ=0.3，42CrMo抗拉強(qiáng)度σ =1080Mpa，屈服強(qiáng)度σ =930Mpa，碳鋼彈性模量E=196-206/Gpa，泊松比μ=0.3，45鋼抗拉強(qiáng)度σ =650Mpa屈服強(qiáng)度σ =360Mpa。

利用UG建模，實(shí)際測(cè)量提升缸壓力值為F1=149225.651N，預(yù)彎?rùn)C(jī)在發(fā)生偏載時(shí)，左右提升缸運(yùn)行不同步，造成缸桿除了受到拉力還會(huì)受到一個(gè)彎矩M=51755319.4N.mm。缸體的表面質(zhì)量和應(yīng)力集中對(duì)缸體的影響很大，其中以倒圓角r對(duì)應(yīng)力影響最大，下面對(duì)圓角在不同大小時(shí)的最大應(yīng)力進(jìn)行分析。

圓角r=2.5mm時(shí)最大應(yīng)力為2348Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過42CrMo的抗拉強(qiáng)度值，因此現(xiàn)在的設(shè)備在發(fā)生偏載時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致缸頭的折斷，這個(gè)是由設(shè)計(jì)缺陷造成的。因此對(duì)圓角采取加大措施，分別對(duì)r=10mm，C=10mm，r=12mm，r=15mm時(shí)的最大應(yīng)力值作出分析。

r=10mm時(shí)最大應(yīng)力值為1165Mpa， r=12mm時(shí)應(yīng)力分析最大應(yīng)力為1058Mpa， r=15mm時(shí)缸桿最大應(yīng)力值為1017Mpa，小于材料抗拉強(qiáng)度，但是大于屈服強(qiáng)度，而且比r=12mm時(shí)，應(yīng)力降低幅值減小。因此不易再采取加大倒圓半徑的措施。

3.小結(jié)

采取加大倒圓半徑的措施能夠明顯降低應(yīng)力集中造成的最大應(yīng)力值，但不能根本解決缸體因?yàn)檗D(zhuǎn)矩造成疲勞斷裂。該預(yù)彎?rùn)C(jī)是由天水鍛壓廠制造，設(shè)備已經(jīng)使用了十多年，隨著技術(shù)的更新，在不更改設(shè)備基本結(jié)構(gòu)的前提下，為了減少設(shè)備因?yàn)槠d造成的提升環(huán)和缸桿斷裂故障，減少故障修理時(shí)間，降低停產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)線的影響，采取液壓和機(jī)械同時(shí)整改的措施，降低了預(yù)彎?rùn)C(jī)故障頻率，提高了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

徐剛（1982-），男，工程碩士，主要從事直縫埋弧焊鋼管設(shè)備與工藝的研究與管理。

謝曉東（1980-），男，工程碩士，主要從事直縫埋弧焊鋼管設(shè)備與工藝的研究與管理。

黎鄭坤（1980-），男，工程碩士，主要從事直縫埋弧焊鋼管設(shè)備與工藝的研究與管理。