一種創(chuàng)新型擴(kuò)徑頭加載實(shí)驗(yàn)裝置與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

引言

擴(kuò)徑頭是鋼管擴(kuò)徑機(jī)上的核心部件，對(duì)鋼管的質(zhì)量起決定性作用。近幾年，國(guó)內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了多家自主生產(chǎn)制造擴(kuò)徑頭的公司，由于在價(jià)格和供貨周期上的優(yōu)勢(shì)，逐漸受到各大鋼管廠的青睞。然而，國(guó)產(chǎn)擴(kuò)徑頭在工藝質(zhì)量以及使用壽命等方面，相比進(jìn)口產(chǎn)品仍然有很大的提升空間。由于實(shí)驗(yàn)條件的制約，擴(kuò)徑頭在出廠前，一般只在空載情況下進(jìn)行基本的功能性實(shí)驗(yàn)，無法模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。為尋求擴(kuò)徑頭的研發(fā)與改造依據(jù)，只能借助鋼管的實(shí)際生產(chǎn)來充當(dāng)擴(kuò)徑頭的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但是，由于生產(chǎn)的需要，在鋼管擴(kuò)徑現(xiàn)場(chǎng)往往不方便進(jìn)行研發(fā)性的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并且難以實(shí)現(xiàn)特定的測(cè)試項(xiàng)目。因此，單獨(dú)設(shè)計(jì)一套擴(kuò)徑頭加載實(shí)驗(yàn)裝置具有重要的實(shí)際意義。

1 機(jī)械擴(kuò)徑簡(jiǎn)介

機(jī)械擴(kuò)徑能夠提高鋼管尺寸精度、消除殘余應(yīng)力，工作原理如圖1所示。內(nèi)錐體與拉桿相連，擴(kuò)徑模具一般由8～12個(gè)扇形塊在圓周方向均勻布置構(gòu)成，在內(nèi)錐體和扇形塊之間裝有斜塊。擴(kuò)徑時(shí)，拉桿帶動(dòng)內(nèi)錐體向左運(yùn)動(dòng)，使得扇形塊向外脹開，拉桿的拉力通過內(nèi)錐體傳遞到斜塊和扇形塊，并作用在與扇形塊接觸的一段鋼管內(nèi)表面上，形成擴(kuò)徑力。當(dāng)完成擴(kuò)徑時(shí)，拉桿向右運(yùn)動(dòng)，扇形塊借助彈簧力徑向收縮，與鋼管內(nèi)壁脫離。隨后鋼管步進(jìn)，以便進(jìn)行下一段的擴(kuò)徑。如此往復(fù)多步，即完成整根鋼管的擴(kuò)徑。

1.拉桿 2.保護(hù)套 3.聯(lián)接件 4.鋼管 5.扇形塊 6.斜塊 7.內(nèi)錐體圖1 機(jī)械擴(kuò)徑原理示意圖

2 液壓加載裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)擴(kuò)徑頭的工作特性，在加載實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)其進(jìn)行周向固定。傳統(tǒng)的機(jī)械加載采用的是強(qiáng)度極高的鋼筒，如圖2a所示，然而由于擴(kuò)徑頭規(guī)格尺寸多樣，往往需要準(zhǔn)備多種規(guī)格的鋼筒與之對(duì)應(yīng)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中，更換頻繁，耗時(shí)費(fèi)力。

此外，有人提出了在圓周方向均勻布置多個(gè)液壓缸的方案，如圖2b所示，這樣一來，可對(duì)不同的擴(kuò)徑頭在工作行程的任意位置進(jìn)行加載，省去了頻繁更換加載工具的麻煩。然而，這種加載方式不能夠真實(shí)地模擬出鋼管對(duì)擴(kuò)徑頭的作用，并且由于多缸對(duì)稱擺放和同步控制上的困難，勢(shì)必會(huì)造成加載力不對(duì)稱的情況發(fā)生。

圖2 傳統(tǒng)的擴(kuò)徑頭加載方式

為了改善以上加載方式的不足，亟待提出一種既能夠真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，又能夠方便操作的解決方案。分析擴(kuò)徑頭的工作特性可知，擴(kuò)徑模具的水平自由度被約束，通過內(nèi)錐體對(duì)外部的作用，將內(nèi)錐體的水平位移轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)徑模具的徑向擴(kuò)張位移。由此得到啟發(fā)：可設(shè)計(jì)一個(gè)加載裝置，如圖3所示，該加載裝置的內(nèi)錐體由部件2可伸縮鋼筒和部件3圓周方向均勻布置的多個(gè)斜塊構(gòu)成, 中間用來放擴(kuò)徑頭，并保證擴(kuò)徑頭與加載裝置的中心線重合。對(duì)內(nèi)錐體的水平自由度進(jìn)行約束，通過外部對(duì)內(nèi)錐體的作用，將部件4(暫且命名為鋼盆)的水平位移轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)錐體的徑向收縮位移，陰影部分表示該部件受水平約束的作用。外部的缸盆與橫桿連接，加載裝置驅(qū)動(dòng)缸提供液壓力，使得缸盆水平移動(dòng)，調(diào)整內(nèi)錐體的內(nèi)徑d。調(diào)定好位置后，鋼盆固定不動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)徑頭在工作行程的特定位置進(jìn)行均勻的徑向加載。

1.擴(kuò)徑頭 2.可伸縮鋼筒 3.斜塊 4.鋼盆 5.橫桿 圖3 創(chuàng)新型液壓加載裝置示意圖

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)的目的是為了在不同的負(fù)載工況下，從結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑條件、材料及熱處理工藝等方面探究擴(kuò)徑頭的工作性能。區(qū)別于通常意義上的加載實(shí)驗(yàn)，這里的被試對(duì)象不是液壓缸，而是擴(kuò)徑頭。由于作用力是相互的，有多少擴(kuò)徑力作用在加載裝置上，就有多少力反作用在擴(kuò)徑頭上。因此，加載裝置只需要固定住，而不需要出力，對(duì)擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸進(jìn)行壓力控制才是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

液壓系統(tǒng)中有兩個(gè)執(zhí)行元件，分別是擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸和加載裝置驅(qū)動(dòng)缸。實(shí)驗(yàn)對(duì)擴(kuò)徑頭的速度要求不高，拉力應(yīng)能夠達(dá)到目前擴(kuò)徑機(jī)的最大噸位——1500 t，擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸可參照擴(kuò)徑機(jī)液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)。加載裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的來回運(yùn)動(dòng)，并且在定位以后具有鎖緊功能即可。

3.2 總體方案設(shè)計(jì)

由于兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同時(shí)進(jìn)行工作，因此可以共用一套液壓動(dòng)力源進(jìn)行切換。由于系統(tǒng)沒有快速響應(yīng)的要求，動(dòng)力源采用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的配置方式實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式容積控制。同時(shí)，在泵出口處增設(shè)壓力閉環(huán)，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行精確控制，負(fù)載需要多少壓力，動(dòng)力源就提供多少壓力，從而避免了在高壓下產(chǎn)生大量的溢流損失。另外，由于伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟停特性，可實(shí)現(xiàn)隨開隨用、隨關(guān)隨停，使用方便。因此，該動(dòng)力源配置方式既能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，又具有良好的節(jié)能效果。

實(shí)驗(yàn)過程中，為了提供高壓，回路中采用增壓缸進(jìn)行增壓；為了提高實(shí)驗(yàn)效率，空行程時(shí)采用差動(dòng)連接快進(jìn)，因此該系統(tǒng)能量利用率高。

3.3 液壓系統(tǒng)原理與功能的實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，首先擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸不工作，電磁換向閥6處于中位，液壓泵向加載裝置驅(qū)動(dòng)缸供油。電磁換向閥7右位接通時(shí)，活塞向右運(yùn)動(dòng)，內(nèi)徑d增大；左位接通時(shí)，活塞向左運(yùn)動(dòng)，內(nèi)徑d減小。通過位移傳感器15檢測(cè)當(dāng)前位置，若到達(dá)指定位置，電磁換向閥7回到中位，液壓鎖10將加載裝置鎖緊。

1.直驅(qū)泵組 2.單向閥 3～5.安全閥 6、7.三位四通電磁換向閥 8、9.二位三通電磁換向閥 10.液壓鎖 11.增壓缸 12.擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸 13.加載裝置驅(qū)動(dòng)缸 14、15.位移傳感器圖4 加載實(shí)驗(yàn)裝置液壓系統(tǒng)原理圖

當(dāng)加載裝置內(nèi)徑尺寸調(diào)定后，擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸開始工作，位移傳感器14檢測(cè)其當(dāng)前位置并根據(jù)擴(kuò)徑頭的錐度比換算成外徑參與控制。實(shí)驗(yàn)過程中，擴(kuò)徑頭的運(yùn)行情況如下：

(1) 快進(jìn)：在擴(kuò)徑頭外徑達(dá)到d之前，液壓油通過閥6、8向大腔進(jìn)油，小腔的回油從閥9回到進(jìn)油油路實(shí)現(xiàn)差動(dòng)；

(2) 慢進(jìn)：設(shè)置一個(gè)比d小一定余量的位置d0作為慢進(jìn)位置，當(dāng)擴(kuò)徑頭到達(dá)此位置時(shí)，差動(dòng)連接被切斷，準(zhǔn)備進(jìn)入加載階段；

(3) 加載：設(shè)置一個(gè)壓力值p0，當(dāng)擴(kuò)徑頭與加載裝置接觸，泵出口壓力升高，壓力傳感器反饋的壓力信號(hào)達(dá)到p0，閥8通電，進(jìn)油路切換為用增壓缸進(jìn)行增壓；

(4) 返程：當(dāng)完成加載后，閥6反向，增壓缸活塞進(jìn)行復(fù)位；

(5) 快退：增壓缸回到起始位置，觸動(dòng)行程開關(guān)使閥8斷電，擴(kuò)徑頭驅(qū)動(dòng)缸大腔中的油液流回油箱。至此，完成了一次擴(kuò)徑頭加載實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)機(jī)械擴(kuò)徑工藝的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)擴(kuò)徑頭也逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的方向發(fā)展。應(yīng)用本研究提出的加載裝置與實(shí)驗(yàn)方案可以針對(duì)不同規(guī)格種類的擴(kuò)徑頭，方便地獲取不同的擴(kuò)徑工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的工作性能，并建立系統(tǒng)的擴(kuò)徑工藝數(shù)據(jù)庫，為掌握先進(jìn)的擴(kuò)徑技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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