徐剛　謝曉東　黎鄭坤

摘 要：針對大直縫埋弧焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備預(yù)彎機(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)彎機(jī)；活塞桿；受力分析；UG；有限元分析

引言

隨著我國能源戰(zhàn)略調(diào)整步伐的進(jìn)一步加快，未來十年我國管道工業(yè)將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期 。鋼板預(yù)彎機(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，并且還會損害擴(kuò)徑頭 。

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

預(yù)彎機(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)兩臺相對布置，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，板材的長度數(shù)倍于預(yù)彎模具的長度，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)模具長度，下模具壓上一次，直至整個(gè)板邊長度都完成預(yù)彎邊操作。兩臺壓力機(jī)能夠在一個(gè)公共底座上相對同步移動，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)彎機(jī)由兩套三連缸組成，為預(yù)彎機(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)際測量提升缸壓力值為F1=149225.651N，預(yù)彎機(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)力集中對缸體的影響很大，其中以倒圓角r對應(yīng)力影響最大，下面對圓角在不同大小時(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。因此對圓角采取加大措施，分別對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)彎機(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)彎機(jī)故障頻率，提高了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

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作者簡介：

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。