胡 斌

（中石化石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001）

0 引言

1 機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)的工作原理和擴(kuò)徑頭的主要研究工作

目前國(guó)內(nèi)外在用的機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)的工作原理基本相似，即利用油缸的伸縮，帶動(dòng)擴(kuò)徑頭上由錐體及多個(gè)外模塊組成的摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。隨著錐體的軸向運(yùn)動(dòng)，外模塊可以在徑向上可靠地張開(kāi)、回縮（復(fù)位），完成擴(kuò)管動(dòng)作。受擴(kuò)徑頭長(zhǎng)度的限制，每次擴(kuò)管時(shí)只能擴(kuò)大管長(zhǎng)方向的一小段，每根鋼管的擴(kuò)徑需要分段多次完成。

擴(kuò)徑頭研究工作主要圍繞擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)、主參數(shù)確定、潤(rùn)滑方案等幾個(gè)方面展開(kāi)。

2 擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)選擇

進(jìn)行結(jié)構(gòu)選定時(shí)，需考慮所生產(chǎn)的鋼管規(guī)格、配套的擴(kuò)徑桿尺寸，以及零部件的工作可靠性、加工制造的經(jīng)濟(jì)性等因素。目前已知的擴(kuò)徑頭結(jié)構(gòu)主要有3種：

2.1.1 復(fù)位彈簧＋對(duì)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（導(dǎo)向T塊＋導(dǎo)向燕尾）

擴(kuò)徑頭通過(guò)可以在錐體上燕尾槽自由滑動(dòng)的燕尾滑塊以及T形導(dǎo)向塊實(shí)現(xiàn)外模塊的對(duì)中與導(dǎo)向，通過(guò)預(yù)壓縮的復(fù)位彈簧作用在安裝外模塊上導(dǎo)向T塊的力量來(lái)確保外模塊與錐體間貼合，從而實(shí)現(xiàn)外模塊隨動(dòng)功能。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，鋼管生產(chǎn)規(guī)格較小或加工空間受限制的擴(kuò)徑頭多采用此種結(jié)構(gòu)；滑動(dòng)面接觸面積大，摩擦副表面接觸應(yīng)力較小。其缺點(diǎn)也很明顯：加工難度較大，尤其是對(duì)錐體導(dǎo)向（燕尾）槽的加工以及對(duì)對(duì)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的材料選取、熱處理工藝、加工精度要求極為嚴(yán)格；安裝較為復(fù)雜；由于彈簧不對(duì)稱布置，存在偏置力，對(duì)燕尾塊的受力使用存在一定的不良影響。

信息不對(duì)稱，降低了運(yùn)作效率。當(dāng)各參與方出現(xiàn)糾紛時(shí)，也會(huì)面臨真很大麻煩。因?yàn)椴痪哂锌勺匪菪?，后期的證據(jù)收集會(huì)很麻煩，后期的責(zé)任追究面臨困難。甚至由于信息被惡意隱藏和篡改而無(wú)法進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)，導(dǎo)致融資關(guān)系破裂。

2.1.2 復(fù)位彈簧＋對(duì)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（導(dǎo)向T塊＋對(duì)中套）

該方式通過(guò)導(dǎo)向T塊與對(duì)中套實(shí)現(xiàn)外模塊的對(duì)中與定位，通過(guò)對(duì)中套里的預(yù)壓縮彈簧通過(guò)導(dǎo)向桿作用在外模塊前部的力量，以及安裝在支撐套里的預(yù)壓縮彈簧通過(guò)導(dǎo)向T塊作用在外模塊后部的力量，使外模塊與錐體間貼合，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：徑向方向尺寸較緊湊，適用于加工空間受限制的小規(guī)格的擴(kuò)徑頭；由于復(fù)位彈簧的對(duì)稱布置，外模塊受力較好；滑動(dòng)面接觸面積大，受力狀況好；錐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。同樣這種結(jié)構(gòu)也有許多缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，擴(kuò)徑頭的裝卸、維護(hù)比較復(fù)雜、繁瑣；對(duì)中套的形狀復(fù)雜，加工、定位精度較高，需要專門(mén)的加工設(shè)備；受彈簧力的限制，扇形塊的重量不能過(guò)重，即大規(guī)格的擴(kuò)徑頭不宜采用此種結(jié)構(gòu)。

2.1.3 T形導(dǎo)向滑條＋T塊結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)徑頭需在錐體上預(yù)先加工T形通槽。在錐體做軸向前后動(dòng)作時(shí)，通過(guò)安裝在T形通槽內(nèi)的T形導(dǎo)向滑條及導(dǎo)向T塊實(shí)現(xiàn)外模塊的定位、對(duì)中及錐體與外模塊間的隨動(dòng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 T形導(dǎo)向滑條＋T塊結(jié)構(gòu)原理

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工；隨動(dòng)可靠；擴(kuò)管過(guò)程中受力、對(duì)中效果良好。其缺點(diǎn)：因?yàn)樾枰阱F體上預(yù)先加工T形通槽，減小了滑動(dòng)面接觸面積，增大了摩擦副表面應(yīng)力；開(kāi)槽對(duì)錐體的強(qiáng)度也有一定程度的影響；擴(kuò)徑頭尺寸通常較大。

2.2 主要參數(shù)的確定

2.2.1 外模塊的瓣數(shù)選擇

擴(kuò)徑頭外模塊的瓣數(shù)，須綜合考慮以下因素：（1）瓣數(shù)對(duì)鋼管應(yīng)力的影響。瓣數(shù)越多，鋼管變形時(shí)應(yīng)力越均勻。（2）瓣數(shù)對(duì)摩擦副尺寸的影響。瓣數(shù)越多，外模厚度可以適當(dāng)減少，錐體尺寸可以加大，摩擦副的接觸應(yīng)力相應(yīng)減小。但是，對(duì)于小規(guī)格擴(kuò)徑頭來(lái)說(shuō)，瓣數(shù)的增加，將減小外模的橫截面尺寸，從而降低外模的剛度，增大外模斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。（3）瓣數(shù)的增多，將直接增加擴(kuò)徑頭的加工成本。

首先，我們分析瓣數(shù)對(duì)鋼管應(yīng)力的影響。擴(kuò)徑頭摩擦副表面接觸應(yīng)力及鋼管圓度機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)對(duì)鋼管的冷擴(kuò)徑方式屬于剛性分瓣凸模的機(jī)械脹形。這種脹形方式與液壓脹形的最大區(qū)別在于剛性凸模和管坯之間有著較大的摩擦力，使得材料的應(yīng)力應(yīng)變分布不均，因此降低了脹形系數(shù)（即擴(kuò)徑率）的極限值。摩擦力對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變分布不均的影響，除了摩擦系數(shù)的大小外，主要取決于鋼管管坯與扇形塊接觸包角β的大小，也就是取決于扇形塊的分瓣數(shù)量。若扇形塊的瓣數(shù)為N，則β＝2π／N，而管坯在分瓣間隙處，切向應(yīng)力σθ必將大于分瓣塊中間的應(yīng)力σθ′，即：

將此式按不同的摩擦系數(shù)作曲線分析（圖2）可知，隨著扇形塊的數(shù)量逐漸增多，應(yīng)力的分布逐漸趨于均勻。但當(dāng)扇形塊數(shù)量超過(guò)8～12瓣以后，曲線斜率顯著減小，再增多瓣數(shù)，并不能顯著改變的比值［1］。

圖2 不同摩擦系數(shù)下的曲線分析

其次，須考慮瓣數(shù)對(duì)摩擦副尺寸的影響。瓣數(shù)的增加，將使得外模邊緣尺寸變厚，從而可以通過(guò)適當(dāng)減小外模厚度來(lái)增大錐體尺寸，增加摩擦副接觸面積。但對(duì)于小規(guī)格擴(kuò)徑頭來(lái)說(shuō)，瓣數(shù)的增加將導(dǎo)致擴(kuò)徑頭各零件剛度的減小，增大零件破斷的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，瓣數(shù)的增加也將直接導(dǎo)致加工成本的增加。瓣數(shù)對(duì)摩擦副接觸面積的影響，需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的擴(kuò)徑頭、不同規(guī)格來(lái)進(jìn)行具體分析計(jì)算。

綜合考慮以上因素，沙市鋼管廠全部規(guī)格擴(kuò)徑頭瓣數(shù)選擇如表1所示。

表1 擴(kuò)徑頭瓣數(shù)選擇

2.2.2 摩擦副錐角α的選定

摩擦副錐角的大小需考慮以下因素：（1）鋼管擴(kuò)徑力的大小，即擴(kuò)徑時(shí)主油缸的工作壓力不得大于設(shè)計(jì)壓力；（2）確保返程時(shí)擴(kuò)徑頭不會(huì)出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，造成對(duì)擴(kuò)徑桿及主油缸的沖擊。

鋼管的擴(kuò)徑力可由以下公式計(jì)算：

式中，σs為材料的屈服強(qiáng)度；ra、rb分別為鋼管的內(nèi)、外半徑；L為擴(kuò)徑長(zhǎng)度；n為扇形塊瓣數(shù)；α為錐體錐角；μ為摩擦副間的摩擦系數(shù)。

摩擦副不發(fā)生自鎖的條件：

綜合考慮以上因素，一般選取錐體錐度K＝1∶6～1∶10。

3 潤(rùn)滑方案的選定

擴(kuò)徑頭摩擦副的良好潤(rùn)滑是擴(kuò)徑頭壽命的保障。在擴(kuò)徑頭設(shè)計(jì)時(shí)，將充分考慮擴(kuò)徑頭給油線路工作的可靠性，以保證擴(kuò)徑頭摩擦副每步工作都能準(zhǔn)確、定量給油。

擴(kuò)徑頭的潤(rùn)滑，均采用的是雙線式潤(rùn)滑系統(tǒng)，目前的實(shí)施方案主要有兩種：采用管式分配器的外管路聯(lián)通方式、采用板式分配器的無(wú)管化通道聯(lián)通方式。

3.1 采用管式分配器的外管路聯(lián)通方式

采用管式分配器，通過(guò)硬管（銅管或鋼管）及相應(yīng)的接頭與潤(rùn)滑油源相連，并將潤(rùn)滑油輸送至各潤(rùn)滑點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：工件加工簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：油源與潤(rùn)滑點(diǎn)之間的中間管路及接頭較多，相應(yīng)的故障點(diǎn)多；外露式的管路在鋼管生產(chǎn)中易出現(xiàn)磨損或碰撞破裂而漏油的情況，不僅造成擴(kuò)徑頭潤(rùn)滑不良，而且維修極為不便。

3.2 采用板式分配器的無(wú)管化通道聯(lián)通方式

采用板式分配器，通過(guò)擴(kuò)徑頭內(nèi)部的潤(rùn)滑通道將潤(rùn)滑油輸送至各潤(rùn)滑點(diǎn)，即擴(kuò)徑頭錐體及潤(rùn)滑環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，將所有的潤(rùn)滑管路—從進(jìn)油管到分配器進(jìn)油口、分配器的出油口到擴(kuò)徑頭的各潤(rùn)滑點(diǎn)的連通—全部采用無(wú)管化的通道式連接。

優(yōu)點(diǎn)：避免了傳統(tǒng)管路式連接方式存在的配管困難、接頭連接處易漏油、油管易被外物損傷的問(wèn)題。在生產(chǎn)使用中安裝方便、維修簡(jiǎn)單、故障率低、潤(rùn)滑可靠。缺點(diǎn)：內(nèi)部通道加工較復(fù)雜，加工費(fèi)用相對(duì)較高。

由于我廠鋼管生產(chǎn)方式是大規(guī)模流水作業(yè)方式，對(duì)機(jī)組的使用可靠性要求極高，且擴(kuò)徑頭工件的加工成本與鋼管生產(chǎn)成本相比基本可以忽略，因此選定采用板式分配器的無(wú)管化的通道潤(rùn)滑方案。

4 使用效果

根據(jù)以上研究成果，沙市鋼管廠為其從德國(guó)進(jìn)口的擴(kuò)徑機(jī)組配套研制了?508～559mm、?610～711mm、?762～914mm、?965～1 219mm、?1 219～1 422mm等各種規(guī)格的擴(kuò)徑頭，并使用這些擴(kuò)徑頭順利完成了“西氣東輸”、“川氣東送”、“廣州天然氣”及其他國(guó)家重點(diǎn)管道建設(shè)用20余萬(wàn)噸鋼管生產(chǎn)任務(wù)。由這些擴(kuò)徑頭生產(chǎn)出來(lái)的鋼管完全符合各種相關(guān)鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)，而且從擴(kuò)徑頭生產(chǎn)中使用情況來(lái)看，效果良好，完全可以媲美進(jìn)口擴(kuò)徑頭。

［1］胡世光，陳鶴崢.板料冷壓成形的工程解析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.