頁(yè)巖氣專用彎管冷彎?rùn)C(jī)研制與應(yīng)用

朱 凱

（中國(guó)石化華東油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心，江蘇泰州 225300）

0 引言

目前的頁(yè)巖氣采氣場(chǎng)站設(shè)施高度智能化、信息化，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理、周界防御、視頻監(jiān)控、應(yīng)急廣播、門禁管理五大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，正常采氣生產(chǎn)已完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能。經(jīng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)場(chǎng)站建設(shè)施工平均各類電纜用量達(dá)20～40 km 左右。根據(jù)施工規(guī)范要求，各類儀控電纜埋地過(guò)路引出、拐角處均需加鋼質(zhì)彎管保護(hù)敷設(shè)。使用的各類鋼質(zhì)彎管需現(xiàn)場(chǎng)加工，主要由施工人員采用液壓工具手動(dòng)加工，勞動(dòng)強(qiáng)度較高，加工效率較低。

電纜敷設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定，電纜保護(hù)鋼管彎制后，不應(yīng)有裂縫和明顯的凹癟。彎扁程度不宜大于管子外徑的10%，彎曲半徑不應(yīng)小于電纜的最小彎曲半徑。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)要求，調(diào)研目前市場(chǎng)各類彎管機(jī)性能參數(shù)，進(jìn)行可行性研究。按照頁(yè)巖氣場(chǎng)站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化要求，設(shè)計(jì)加工專用電動(dòng)冷彎?rùn)C(jī)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，滿足施工規(guī)范要求。實(shí)踐證明，專用電動(dòng)冷彎管機(jī)可以極大提高施工效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)組成

按照管材彎曲成型的方法可將彎管分為推彎、滾彎、壓彎、繞彎等。其中繞彎較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前彎管機(jī)主要采用繞彎的方法。彎曲模安裝在主軸上，夾緊模夾緊防止管件軸向竄動(dòng)，壓力模以適當(dāng)壓力壓在主動(dòng)輪上，防止起皺、扁平、變薄等失效。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，管子被纏繞在彎曲模上隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)面成形。

彎管機(jī)整體由機(jī)身、操作臺(tái)、彎曲模具、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減速傳動(dòng)裝置、電氣線路及控制設(shè)備系統(tǒng)組成。彎管機(jī)裝置及控制電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，操作安全方便，便于安裝和拆卸。

電動(dòng)冷彎管裝置如圖1 所示。機(jī)身用于支撐固定傳動(dòng)，為保證剛性要求，采用整體焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊。電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于機(jī)身內(nèi)部，減少占用空間。操作臺(tái)面為工作區(qū)域，布置有可更換彎曲模具及限位機(jī)構(gòu)。為保證彎管不發(fā)生扭曲變形，在工作臺(tái)面兩端設(shè)置水平送料輥。彎曲模具設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，以滿足不同規(guī)格管子的加工要求。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為絲桿傳動(dòng)，用于壓緊管子，以防止彎管發(fā)生橢圓變形等現(xiàn)象。操作平臺(tái)下側(cè)面設(shè)置開關(guān)按鈕，方便使用，防止誤操作。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成皮帶+齒輪兩級(jí)傳動(dòng)形式。其中皮帶傳動(dòng)可起操作過(guò)載保護(hù)的作用。齒輪傳動(dòng)副可調(diào)換不同齒輪組合，以滿足調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的需求?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)電氣按鈕實(shí)現(xiàn)開關(guān)、急停及點(diǎn)動(dòng)等功能。

圖1 彎管冷彎加工機(jī)樣機(jī)

該裝置具有使用高效安全方便的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一鍵操作彎曲加工，通過(guò)行程開關(guān)自動(dòng)回位。彎曲加工精度高，彎曲角度0°～180°任意設(shè)定，精度為±1°，適用于不同規(guī)格、批量的彎管加工。只需更換不同規(guī)格的固定輪，便可滿足不同規(guī)格管子加工。采用成套彎曲模具進(jìn)行彎曲加工，彎曲臂和彎曲軸連成一體，彎模軸可更換，結(jié)構(gòu)合理、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣線路簡(jiǎn)化?？梢允褂猛惶啄＞邚澲撇煌螤畹墓苄?，最大限度地減少了專用工藝設(shè)備，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2 工作原理及參數(shù)

彎管模具固定在冷彎?rùn)C(jī)輸出軸上并跟隨輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，管子通過(guò)調(diào)節(jié)夾緊模固定在彎管模的半圓槽內(nèi)，由電機(jī)提供動(dòng)力，將管子順著彎曲模向前推進(jìn)，從而得到所需的彎管半徑。冷彎?rùn)C(jī)彎管加工原理見圖2，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 冷彎?rùn)C(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 彎管加工原理

3 設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括工件工藝分析、計(jì)算彎曲力矩、電機(jī)選取、傳動(dòng)比計(jì)算、傳動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、皮帶輪選擇、蝸輪蝸桿減速計(jì)算、機(jī)身結(jié)構(gòu)、輔助設(shè)施、電路設(shè)計(jì)等，其中的重點(diǎn)是確定彎曲力矩、動(dòng)力電機(jī)選取及傳動(dòng)比的選擇。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用皮帶+齒輪兩級(jí)傳動(dòng)形式。其中皮帶傳動(dòng)可起操作過(guò)載保護(hù)作用。齒輪傳動(dòng)副可調(diào)換不同齒輪組合，按大管低速、小管高速的原則實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速要求。機(jī)械傳動(dòng)原理如圖3 所示。

圖3 機(jī)械傳動(dòng)原理

3.3 管材彎曲力矩計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的力矩，確定彎管機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、電機(jī)功率、傳動(dòng)裝置及夾緊裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算公式如下：

式中 K0——材料相對(duì)強(qiáng)度系數(shù)

σs——材料屈服強(qiáng)度，MPa

D——管材外徑，mm

t——管子壁厚，mm

d——管子內(nèi)徑，mm

ρ——管子彎曲半徑，mm

按最大彎管機(jī)加工最大直徑Φ60×4 mm 確定最大彎曲力矩。管子材料為20 號(hào)鋼，D=60 mm，d=52 mm，ρ=200 mm，K0=11.6，σs=240 MPa。代入式（1），計(jì)算可得彎曲力矩M=4990168.99 N·m。

3.4 電機(jī)選型

預(yù)選電機(jī)型號(hào)為Y112M-4P，額定功率4 kW，額定轉(zhuǎn)速1440 r/min。彎管機(jī)的傳動(dòng)效率η 取0.85。

輸出傳動(dòng)力矩M出=M入×i×η=22548.61×335.29×0.85 =6426274.93 N·m ＞M。

因此，電機(jī)選取型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（1）彎曲過(guò)程由直線送進(jìn)，空間轉(zhuǎn)角、彎曲，壓模夾緊、松開，彎模復(fù)位組成。彎管加工步驟為：①按圖紙要求留出直線段長(zhǎng)度，夾緊管子；②啟動(dòng)彎管機(jī)，進(jìn)行彎管操作；③松開模具，取出管子，檢驗(yàn)管子尺寸并校正。為避免管子彎曲部分壁厚減薄，減少回彈，管子與模具接觸部分均采用滾動(dòng)輪，以減少摩擦阻力，增加助推動(dòng)力，彎曲時(shí)壓模適當(dāng)壓緊管子，助推力推向前，形成助彎的側(cè)推力。

（2）彎管機(jī)有多種彎管速度。一般情況下，彎制小直徑鋼管宜采用高速?gòu)澢瑢?duì)于直徑大、彎曲半徑小、壁薄的管子應(yīng)采用較低的速度。采用整體彎模防止管子扁平變形。壓模的壓力應(yīng)嚴(yán)格控制調(diào)節(jié)，如果壓力不足，則彎曲半徑內(nèi)側(cè)容易起皺紋；如果壓力過(guò)大，則會(huì)使管子彎曲部分變細(xì)，引起彎曲部分橢圓度增大。當(dāng)管子被拉著向前時(shí)，管子中心線外部的材料在切點(diǎn)處支撐，產(chǎn)生拉伸、硬化，保證形狀不癟。切點(diǎn)位置會(huì)影響管子的橢圓度，影響管子的回彈。

（3）在一般情況下，彎曲半徑R 取4D（D 為管子外徑），其中壓緊模的形狀很重要，管子滑動(dòng)通過(guò)的槽應(yīng)略大于管子外徑，其數(shù)值可為壁厚的10 %。表面應(yīng)光滑，防止管子劃傷。

彎曲模具、成品彎管實(shí)物如圖4、圖5 所示。

圖4 彎管模具

圖5 成品彎管

5 工藝措施

（1）完善加工工藝，編制相應(yīng)操作規(guī)程。通過(guò)購(gòu)置小型制動(dòng)機(jī)及相關(guān)零部件，自行設(shè)計(jì)、加工電動(dòng)彎管機(jī)，并增加相應(yīng)角度限位器，以控制加工所需要彎管角度，提升彎管加工效率。

（2）彎曲旋轉(zhuǎn)裝置繞旋轉(zhuǎn)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主要控制參數(shù)包括角位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。主要控制參數(shù)通過(guò)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。鉗口將管子壓緊在彎曲模內(nèi)，隨彎曲旋轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管子彎曲成型。

（3）彎曲模具設(shè)計(jì)加工質(zhì)量直接影響彎管質(zhì)量。整套彎曲模由彎曲模、夾緊模、導(dǎo)向模組成。機(jī)器帶動(dòng)彎模轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，管子在摩擦力作用下隨著彎模一起轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞在彎模上彎曲成型。

（4）彎曲成型時(shí)，金屬材料受力產(chǎn)生變形。當(dāng)外力撤消后，由于受彈性變形影響會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。管子材料、直徑、彎曲半徑不同，加工用的工裝、彎曲速度、夾緊力等工藝參數(shù)不同都會(huì)影響管子的回彈。通過(guò)反復(fù)摸索，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整行程限位開關(guān)觸點(diǎn)位置，有效控制回彈量。根據(jù)彎管機(jī)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角和管子彎曲角度存在線性關(guān)系的特點(diǎn)，確定回彈余量，調(diào)整限位塊位置，以獲得滿意效果，實(shí)現(xiàn)彎管加工機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化。

（5）彎曲半徑、管子直徑、管子厚度、加工方法等均是影響變形的因素。彎曲過(guò)程中，彎曲外側(cè)面拉伸壁厚變薄，內(nèi)側(cè)面擠壓變厚。上、下面不受力，管子截面呈橢圓形。經(jīng)過(guò)對(duì)彎管加工受力分析，通過(guò)調(diào)整壓緊模夾緊力大小控制截面變形，滿足彎曲均勻、無(wú)折皺，彎管截面最大與最小外徑差控制5%～10% 的質(zhì)量要求。在對(duì)焊接有縫管彎曲時(shí)，焊縫應(yīng)避開受拉和受壓區(qū)，可以有效減少管子強(qiáng)度影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)購(gòu)置小型制動(dòng)機(jī)及相關(guān)部構(gòu)件，自行設(shè)計(jì)制作專用電動(dòng)彎管機(jī)，并增加相應(yīng)角度限位器，以控制加工所需要彎管角度，提升彎管加工效率。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，彎管加工全部滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與手動(dòng)液壓彎管方式相比，專用電動(dòng)彎管機(jī)加工效率高、彎管質(zhì)量穩(wěn)定、故障率低、維修成本低，具有簡(jiǎn)單實(shí)用、加工、使用成本較低等優(yōu)勢(shì)?？赏ㄟ^(guò)更換轉(zhuǎn)盤上的固定輪，實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格彎管的加工。能保證產(chǎn)品尺寸要求，提高彎管外觀質(zhì)量，滿足野外現(xiàn)場(chǎng)施工要求，具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。