程斯祥，焦 悅，馬海寬，李培力，谷瑞杰，任明杰，秦偉超

（1. 衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032；3. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

近年來，隨著石油勘探開發(fā)的難度增大，對加厚油管的需求量越來越大。管端加厚機是生產(chǎn)加厚油管的關(guān)鍵設備，該設備對經(jīng)過局部加熱后的鋼管端部進行鐓粗，使鋼管的端頭局部管壁加厚，達到提高鋼管連接處強度的目的。管端加厚機機架采用整體框架結(jié)構(gòu)，主液壓油缸和回程液壓油缸垂直安裝，用于動梁的快速升降及夾緊鋼管，主液壓油缸位移可以通過位移傳感器檢測，主液壓油缸的回程動作由回程液壓油缸完成。鋼管管端加厚機主要采用局部加熱水平鍛造成形的工藝方法對鋼管端部進行加厚處理，其將鋼管管端進行局部加熱，采用外力使鋼管端部內(nèi)外徑發(fā)生變化，從而增加鋼管端部壁厚，增強鋼管端部強度［1-12］。

傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機的垂直壓機采用液壓缸直接作用實現(xiàn)鋼管的夾緊，傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機如圖1 所示，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，維護麻煩。針對這些情況，中國重型機械研究院股份公司（簡稱重型院）創(chuàng)造性地研發(fā)了利用肘桿增力機構(gòu)實現(xiàn)鋼管的夾緊，大大簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了設備的可靠性。

1 設計思路

傳統(tǒng)8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機工作時由主液壓缸帶動上模具向下移動，與下模具閉合后將鋼管端部夾緊，夾緊壓力達到8 MN，為了保持此壓力需要主液壓缸一直保持工作狀態(tài)，直至完成鋼管端部加厚，主液壓油缸才能卸荷；然后由兩側(cè)的回程液壓油缸將上模具提升，主液壓油缸縮回，整個過程液壓系統(tǒng)80%時間處于滿負荷工作，能耗高，機械結(jié)構(gòu)復雜龐大，制造費用高。經(jīng)過深入研究，提出了利用肘桿增力機構(gòu)實現(xiàn)鋼管夾緊的設想，只需要較小的驅(qū)動力，通過機械結(jié)構(gòu)的放大作用將驅(qū)動力放大，達到傳統(tǒng)鋼管管端加厚機的效果。

圖1 傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機

2 肘桿增力機構(gòu)工作原理

肘桿增力機構(gòu)工作時，驅(qū)動油缸伸長，帶動連接塊下移，連接塊帶動小連桿移動，小連桿帶動肘桿轉(zhuǎn)動，肘桿帶動大連桿移動，大連桿帶動上模具移動，整體機構(gòu)呈對稱結(jié)構(gòu)，最終使上模具與下模具接觸閉合，肘桿增力機構(gòu)工作狀態(tài)如圖2 所示，此時，驅(qū)動油缸繼續(xù)施壓作用力，通過肘桿增力機構(gòu)的放大作用，便可實現(xiàn)上模具的壓緊，整個過程只有驅(qū)動油缸工作，液壓系統(tǒng)負載小，能耗低，設備結(jié)構(gòu)由驅(qū)動油缸代替了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸，結(jié)構(gòu)大大簡化，受力更好。增力機構(gòu)的放大倍數(shù)可根據(jù)實際需要進行設計，放大倍數(shù)范圍可由十幾倍到幾十倍不等，具有很強的柔性。

3 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機特點

（1） 取消了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸。

新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機主機采用單一油缸驅(qū)動的肘桿增力機構(gòu)以實現(xiàn)8 MN 鎖模力，取消了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸。傳統(tǒng)主液壓油缸采用1 個Φ550 mm 的柱塞缸和2 個Φ220 mm 的回程液壓油缸。工作時柱塞主缸和兩個回程液壓油缸全部工作，工作壓力27 MPa，實現(xiàn)8 MN的壓力，整體機構(gòu)龐大，制造成本高，安裝維護極為不便。研發(fā)的新型肘桿增力機構(gòu)只需要1 個Φ200 mm 的油缸便能達到8 MN 的鎖模力，新型肘桿增力加厚機構(gòu)如圖3 所示，機構(gòu)簡單，免維護。

圖2 肘桿增力機構(gòu)工作狀態(tài)

圖3 新型肘桿增力加厚機構(gòu)

（2） 液壓系統(tǒng)得以簡化。

由于傳統(tǒng)主液壓油缸采用1 個Φ550 mm 的柱塞缸和2 個Φ220 mm 的回程液壓油缸，為了保證生產(chǎn)效率，需要給柱塞缸設置充液閥以保證柱塞缸及時地充滿油液，同時，還要給2 個Φ220 mm 的回程液壓油缸供油，鐓粗時還要給3 個缸提供保壓，這就導致液壓系統(tǒng)龐大，造價高，維護點多。而新型肘桿增力機構(gòu)只有1 個Φ200 mm 的液壓油缸，無論是空程運動還是鐓粗保壓，所需的油量都遠遠小于傳統(tǒng)鋼管管端加厚機3 個缸，這就大大簡化了液壓系統(tǒng)，降低了成本，維護也比較方便。新型肘桿增力加厚機構(gòu)液壓系統(tǒng)如圖4 所示。

（3） 主機框架整體受力更佳。

傳統(tǒng)的加厚裝備主機的1 個Φ550 mm 的柱塞缸和2 個Φ220 mm 的回程液壓油缸均勻布置在框架上，這使得框架上梁中間出現(xiàn)3 個圓孔，工作時液壓油缸產(chǎn)生的反作用力作用在上梁上，8 MN 的交變應力使得上梁壽命大大減少，容易出現(xiàn)斷裂。新型肘桿增力機構(gòu)只有1 個小油缸，中間只需要開1 個相對較小的孔即可，使得上梁的整體受力情況大大改善，提高了整機的使用壽命。鋼管管端加厚主機框架應力及形變分布如圖5~6 所示，通過有限元分析可知，新型肘桿增力機構(gòu)的框架比傳統(tǒng)鋼管管端加厚機框架受力分布更加均勻，應力更小，變形更小，整體剛度得以提升。

圖4 新型肘桿增力加厚機構(gòu)液壓系統(tǒng)

圖5 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚主機框架應力分布

圖6 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚主機框架形變分布

（4） 鎖模力分配更均勻。

鎖模力的均勻性直接決定鋼管管端鐓粗產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。新型的肘桿增力機構(gòu)的加厚機鎖模力分配更加均勻，使得產(chǎn)品成型表面質(zhì)量得到大幅提升，新型肘桿增力機構(gòu)式管端加厚機鋼管加厚成品如圖7 所示，而且合格率達到了98%以上，相比傳統(tǒng)加厚設備90%的合格率提升了8%；連續(xù)測量10 支Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端的尺寸，其測量結(jié)果見表1。從表1 可看出，加厚外徑均勻，加厚端長度變化范圍小，質(zhì)量優(yōu)異；新型加厚機提高了產(chǎn)品的競爭力和降低了用戶的成本。

圖7 新型肘桿增力機構(gòu)式管端加厚機鋼管加厚成品

表1 Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端尺寸測量結(jié)果 mm

（5） 電控系統(tǒng)更加簡單。

傳統(tǒng)的加厚裝備主機的1 個Φ550 mm 的柱塞缸和2 個直徑Φ220 mm 的回程液壓油缸的運動均需要電控系統(tǒng)，而新型肘桿增力機構(gòu)只有1 個Φ200 mm 的液壓油缸，控制點相比傳統(tǒng)加厚機少的多，使得電控系統(tǒng)更加簡單，穩(wěn)定性更高，維護點少，成本低。

（6） 綠色環(huán)保，節(jié)能降噪。

傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機的1 個Φ550 mm 的柱塞缸和2 個直徑Φ220 mm 的回程液壓油缸的運動都需要大量的液壓油，保壓時保壓泵一直處于工作狀態(tài)，消耗大量的電力。新型肘桿增力機構(gòu)只有1個Φ200 mm 的油缸，需要的油量大大減少，保壓泵數(shù)量也只有1 個，大大降低了電力的消耗，達到了綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的。

4 設備性能

新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機性能優(yōu)良，相對于傳統(tǒng)鋼管管端加厚機，生產(chǎn)效率得到大幅提升，如Φ88.9 mm 鋼管生產(chǎn)效率由110 根/h 提升到135 根/h，效率提高了22.73%；產(chǎn)品合格率提升8%，設備造價降低22%，節(jié)能38%，維護成本降低47%，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。

5 工程應用

重型院研發(fā)的新型肘桿增力機構(gòu)式加厚機，得到了用戶的廣泛認可。2019 年4 月在江蘇常寶普萊森鋼管有限公司投產(chǎn)4 套裝備，該裝備結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，性能穩(wěn)定，節(jié)能降耗效果顯著，得到用戶的高度評價；2019 年11 月重型院對江蘇常寶鋼管股份有限公司老舊設備采用肘桿增力技術(shù)進行改造，達到了預期的目標。

6 結(jié) 語

重型院自主研發(fā)的新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚裝備機械、液壓和電氣系統(tǒng)完全具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，占用面積小，效率高，具有很好的推廣價值。