擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)脹裝置技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計

周羅駿

摘要：本文主要針對擴(kuò)脹裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能結(jié)合起來，分兩個受載荷階段的情況進(jìn)行分析計算與優(yōu)化研究，主要改善受力點大，應(yīng)力集中，應(yīng)力不合理分布的情況，提高基體的承載能力，減少斷裂失效的預(yù)期，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項。另將使用要求規(guī)范化，滿足基材摩擦的正常條件，提高整個裝置的使用壽命；全面分析設(shè)計與使用上的特點，并進(jìn)行了實例的計算，來提高擴(kuò)徑機(jī)的核心裝置的整體性能。

關(guān)鍵詞：直縫埋弧焊管，擴(kuò)徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化

1.引言

隨著管道建設(shè)不斷發(fā)展，制管技術(shù)及設(shè)備，裝備也在不斷推陳出新。管的性能要求不斷提高，向高強(qiáng)度，高韌性的方向發(fā)展，以及對鋼管質(zhì)量要求不斷提高，管線鋼材不斷發(fā)展，國內(nèi)寶鋼、武鋼、鞍鋼已大力投入研制與開發(fā)高性能管線鋼來滿足國內(nèi)需求，從X52-X80已研究成功，國外已發(fā)展到X120[1，2]。要滿足管道建設(shè)，提高制管的設(shè)備能力已經(jīng)勢在必行。

機(jī)械擴(kuò)徑作為提高鋼管的質(zhì)量的一種較為關(guān)鍵的技術(shù)裝備[3]。其核心裝置，受載荷大，引起的應(yīng)力復(fù)雜，這就需要設(shè)計人員提高設(shè)備性能，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，達(dá)到生產(chǎn)管道的工藝要求，達(dá)到效率要求，達(dá)到制作高性能管道的要求。

2.技術(shù)說明

2.1機(jī)械式擴(kuò)徑機(jī)工作原理及擴(kuò)徑機(jī)頭部結(jié)構(gòu)示意

機(jī)械式擴(kuò)徑是一段一段地進(jìn)行，所以鋼管是分步送入擴(kuò)徑裝置的，由圖1可知，機(jī)械式擴(kuò)徑機(jī)的關(guān)鍵部件——擴(kuò)徑裝置是由拉桿往左移動，幾個斜塊體向外擴(kuò)展，芯棒圓周增大，楔形體的力借助斜塊通過扇形板作用在鋼管上，從而與芯棒接觸的一段鋼管得到擴(kuò)徑，當(dāng)拉桿與楔形體向右移動時，鋼管與芯棒脫離開，以實現(xiàn)再次送進(jìn)，進(jìn)行下一段鋼管的擴(kuò)徑。

2.2擴(kuò)徑力的理論值的計算

擴(kuò)徑力的理論值計算公式1：P=2п.t.б.L（Tanа+и）.κ，P是擴(kuò)徑力，t是管的壁厚，б是材料的屈服極限，L是擴(kuò)徑長度，а是錐體的角度，и是墊板與錐體之間的摩擦系數(shù)（0.1-0.2），κ是經(jīng)驗值系數(shù)（0.8-1.2）[4，5]。

例1：φ610×14.3，材質(zhì)為X65的鋼管，需要的擴(kuò)徑力為：

2×3.14×14.3×500（65×7約取大值500）×（400+80×0.8）×（0.062+0.175）×1=4937783約為494噸。

2.3擴(kuò)徑工作時的主動力參數(shù)

φ190拉桿的許用應(yīng)力為：P1=M×Px，P1是拉桿的許用應(yīng)力，M是拉桿危險截面面積，Px是疲勞許用應(yīng)力。（極限屈服/安全系數(shù)）

由此可知拉桿的許用應(yīng)力為：

175832.34×900/3=5349673約為535噸（這就是φ190拉桿的額定許用應(yīng)力）。

根據(jù)拉桿的許用應(yīng)力來調(diào)整液壓系統(tǒng)的壓力，檢驗拉桿實際壓力再次調(diào)整液壓系統(tǒng)的壓力，避免浪費能量。

2.3.1油缸左進(jìn)時的參數(shù)及受力分析

油缸步進(jìn)工作時的主要受力零件為：脹塊，錐頭，拉桿，螺母，導(dǎo)向盤，銅板，T型鍵等，基本為受擠壓力，以535噸的力計算，完全不會產(chǎn)生壓扁的情況，拉桿螺母的受推，拉桿螺母的許用應(yīng)力為：危險截面面積×材料屈服極限=893噸，部件都在安全范圍內(nèi)使用。

2.3.2油缸右進(jìn)退時的參數(shù)及受力分析

油缸后退工作時的主要受力零件為脹塊短T型鍵，導(dǎo)向盤與套筒聯(lián)接螺絲，脹塊與短T型鍵聯(lián)接螺絲，拉桿螺母與錐頭的聯(lián)接螺絲等，主要是克服角摩擦力的抱緊力，而產(chǎn)生的作用力，根據(jù)力的平衡公式2：Pm=P1. и，Pm是角摩擦力，P1是拉桿的實際拉力，и是摩擦系數(shù)（0.1-0.2）。

由此知道油缸后退時的力為：

535×0.2=10.7噸。

油缸步退工作的主要的受力零件，基本為受推力，以10.7噸的力計算，部件完全在安全范圍內(nèi)使用。

3.優(yōu)化設(shè)計

3.1部件的結(jié)構(gòu)作用

主要部件分別為：脹塊，錐頭，拉桿和導(dǎo)向盤。其中脹塊決定管的冷變形后的形狀；錐頭實現(xiàn)脹塊往外擴(kuò)張；拉桿是實現(xiàn)左右移動的連接介質(zhì)；導(dǎo)向盤的主要作用是脹塊的導(dǎo)向。

3.2各個部件的優(yōu)化設(shè)計

參數(shù)與設(shè)計注意的事項如下

1.脹塊的直線段長度（400工作長度），圓弧前過渡段長度（80為預(yù)工作長度），后過渡段長度（20為整圓工作長度），等分?jǐn)?shù)量，保證好擴(kuò)徑力不超過535噸。

2.錐頭的硬度層的厚度加大到3毫米以上，等分?jǐn)?shù)量，表面硬度均勻HRC60-62，加工圓弧油槽，摩擦副潤滑均勻，錐面的光潔度0.8，每個錐面達(dá)到的效果。

3.拉桿的理化性能要到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，不允許有任何裂紋，變徑過渡要有足夠的應(yīng)力分散設(shè)計（例如，圓弧過渡，圓錐過渡），螺紋底徑要加工較大圓弧過渡，表面的光潔度1.6，減少應(yīng)力集中或缺陷導(dǎo)致斷裂。

4.導(dǎo)向盤的每個導(dǎo)向角塊的強(qiáng)度，導(dǎo)向盤的壁厚強(qiáng)度，不允許有任何裂紋，T型槽的棱角要圓弧過渡，T型槽的方向，整體性能加強(qiáng)。

5.鋼板的增加磨損的厚度，延長銅板的使用壽命。（用合金鑄鐵取代錫青銅正在試驗，結(jié)果出來后改用）

6.拉桿螺母應(yīng)避免硬度過高，配合間隙要考慮到拉桿的使用，主要以保護(hù)拉桿為主。

3.3優(yōu)化結(jié)構(gòu)的綜合考慮

1.設(shè)計設(shè)備要考慮長遠(yuǎn)，具體包括以下幾個因數(shù)：1.生產(chǎn)能力2.機(jī)構(gòu)的合理性3.做功的對象4.受力的極限考慮。

2.生產(chǎn)能力：每天工作時間/每支管所需時間（擴(kuò)徑步數(shù)×每步所需時間+輔助時間）=79200/（30×12+180）=約146支 。

3.機(jī)構(gòu)的合理性：扇形塊的等分?jǐn)?shù)量與圓弧及圓弧長度，錐頭的硬度層，拉桿的直徑大小及螺紋的類型等，導(dǎo)向盤的厚度與直徑，T型鍵的長度，寬度等。

4.做功對象：各個點的受力分析，對每個點的受力做出準(zhǔn)確的定位。

5.受力的極限考慮：利用相關(guān)的計算公式，計算出具體的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)為依據(jù)，做出安全使用的判斷，并以部件最大化性能進(jìn)行設(shè)計。

4.使用要求

優(yōu)良的設(shè)備要把性能發(fā)揮出來，要有適合其的環(huán)境，這就要求使用者對設(shè)備要有深刻了解，按照要求來進(jìn)行操作，性能與使用是密不可分。

安裝要求：

1.脹塊短“T”型鍵的安裝必須安裝到位；與導(dǎo)向盤鍵槽滑動性能良好，不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，磨損過大，變形嚴(yán)重或者有裂紋的必須更換掉。

2.脹塊長“T”型鍵的安裝，與脹塊頂端接觸面必須貼緊到位，平衡拉緊，避免翹起現(xiàn)象。

3.導(dǎo)向盤的安裝，螺絲旋進(jìn)深度不低于裝配標(biāo)準(zhǔn)。

4.支撐輪的安裝，應(yīng)按公式運算的結(jié)果來選配支撐輪，輪子應(yīng)無卡死現(xiàn)象，磨損過大應(yīng)更換一個。

5.錐頭、拉桿螺母的安裝，安裝脹塊前必須把油孔全部通一遍，保證貫通性；把錐頭上、T型槽內(nèi)的污泥，鐵銷應(yīng)清理干凈才能安裝。

6.支撐拉桿的托輪與拉桿外徑接觸，減少支撐拉桿彎曲變形。

7.整個擴(kuò)臂安裝好后，要用水平檢測裝置檢查水平度，并調(diào)整至水平。

5.結(jié)論

本文內(nèi)容講述了擴(kuò)徑技術(shù)參數(shù)與相關(guān)的計算公式，及優(yōu)化設(shè)計的點。對擴(kuò)脹裝置的受力情況，對力有數(shù)據(jù)可依，對各個部件了解透切，有利于設(shè)計上的系統(tǒng)化，減少設(shè)計上的薄弱。在使用過程中，要提供優(yōu)良的環(huán)境給設(shè)備，設(shè)計與使用相結(jié)合，將設(shè)備性能發(fā)揮到及至。最終，提高整個裝置的使用壽命；提高擴(kuò)徑機(jī)的核心裝置的整體性能，達(dá)到設(shè)備滿足高速發(fā)展的管線鋼管的要求。

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