预弯机回程缸活塞杆与提升环断裂的分析与改进

徐刚　谢晓东　黎郑坤

摘 要：针对大直缝埋弧焊管生产的关键设备预弯机回程缸与提升环的断裂问题，使用有限元分析关键结构，并通過液压分析其动作不平衡的原理，提出了优化改进的技术方案，并在实践中得到了验证，降低了设备的故障率，提高了生产线的生产效率.

关键词：直缝埋弧焊；预弯机；活塞杆；受力分析；UG；有限元分析

引言

随着我国能源战略调整步伐的进一步加快，未来十年我国管道工业将进入高速发展时期 。钢板预弯机是直缝埋弧焊钢管生产线必不可少的重要设备 。 预弯是直缝埋弧焊钢管生产线的主要工序之一，其目的是完成钢板两边的预弯曲变形，使钢板两边的弯曲半径达到或接近所生产钢管规格的半径。从而保证钢管焊缝区域的几何形状和尺寸精度。如果预弯后的管筒呈尖嘴“桃形” ，给后续的预焊合缝带来麻烦，易引起错边或焊接烧穿，即使进行扩径，也无法将其消除，并且还会损害扩径头 。

预弯机包括机架、底座、油缸单元、模具单元、夹紧梁、模具移动装置、输送辊、换模装置、液压系统、电气系统、集中润滑站等部分。

预弯机将铣边后的钢板，通过入口侧的输送辊道，以步进运动方式送入机器的上、下模具之间，在模具的压力下使材料发生塑性变形而弯曲。通过更换和调整模具的相对位置可以得到板边曲率半径与成品钢管半径非常接近的弯边。该机两台相对布置，北侧称为M1，南侧称为M2，钢板两侧同时弯边。在通常情形下，板材的长度数倍于预弯模具的长度，因此钢板的传送和弯曲是分步进行的，钢板每前进一个模具长度，下模具压上一次，直至整个板边长度都完成预弯边操作。两台压力机能够在一个公共底座上相对同步移动，以适应不同板宽弯边的要求。

预弯设备在生产线实际生产中经常发生提升环断裂和提升缸缸杆断裂问题，设备笨重，空间有限，维修十分麻烦、工作量大，严重影响了整条生产线的生产效率，因此针对设备现有的液压和机械进行故障分析，找到故障源头，减少故障发生频率，提高生产效率。

1.机械结构

预弯机由两套三连缸组成，为预弯机提供压制力的为主缸，回程缸主要提供下横梁回到原位的动力。提升环与下模梁之间是回程缸钢杆头，上下球面垫组能够满足下拉和上顶时提供均匀压力，又能在设备偏载时钢杆可以偏转。提升环除了起到连接的作用，还起到保护活塞杆的作用，在发生偏载时，一般是先拉断提升环，原来的结构提升环是整体件，更换比较麻烦而且会造成浪费，现在使用的提升环分为两个部分将容易损坏的部分单独用螺栓连接，损坏时直接更换这部分减少易损件的材耗。

并且提升环与缸杆之间必须有足够的间隙，保证钢杆有足够的偏转空间，防止发生钢杆被憋断的情况。实际安装时要注意缸体要保证位置正确，但是西南角缸体偏移严重，缸体笨重安装困难。

2.验算结构的强度

钢杆材料为42CrMo，提升环材料为45，零件的强度跟材料、结构、热处理、表面光洁度、应力集中等因素有关系。材料存在气孔、微裂纹、夹杂物等缺陷，材料表面划痕、局部应力集中等因素，均可加快疲劳断裂。减小表面粗糙度值和进行表面淬火、喷丸处理、表面滚压等方法均可提高材料的疲劳强度。

镍鉻钢合金钢弹性模量E=206/Gpa，泊松比μ=0.3，42CrMo抗拉强度σ =1080Mpa，屈服强度σ =930Mpa，碳钢弹性模量E=196-206/Gpa，泊松比μ=0.3，45钢抗拉强度σ =650Mpa屈服强度σ =360Mpa。

利用UG建模，实际测量提升缸压力值为F1=149225.651N，预弯机在发生偏载时，左右提升缸运行不同步，造成缸杆除了受到拉力还会受到一个弯矩M=51755319.4N.mm。缸体的表面质量和应力集中对缸体的影响很大，其中以倒圆角r对应力影响最大，下面对圆角在不同大小时的最大应力进行分析。

圆角r=2.5mm时最大应力为2348Mpa，远远超过42CrMo的抗拉强度值，因此现在的设备在发生偏载时必然会导致缸头的折断，这个是由设计缺陷造成的。因此对圆角采取加大措施，分别对r=10mm，C=10mm，r=12mm，r=15mm时的最大应力值作出分析。

r=10mm时最大应力值为1165Mpa， r=12mm时应力分析最大应力为1058Mpa， r=15mm时缸杆最大应力值为1017Mpa，小于材料抗拉强度，但是大于屈服强度，而且比r=12mm时，应力降低幅值减小。因此不易再采取加大倒圆半径的措施。

3.小结

采取加大倒圆半径的措施能够明显降低应力集中造成的最大应力值，但不能根本解决缸体因为转矩造成疲劳断裂。该预弯机是由天水锻压厂制造，设备已经使用了十多年，随着技术的更新，在不更改设备基本结构的前提下，为了减少设备因为偏载造成的提升环和缸杆断裂故障，减少故障修理时间，降低停产对生产线的影响，采取液压和机械同时整改的措施，降低了预弯机故障频率，提高了整条生产线的生产效率。

参考文献

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[6]李延丰，孙奇. JCOE直缝埋弧焊钢管生产线的研发和应用.焊管，2004，11：48。

作者简介：

徐刚（1982-），男，工程硕士，主要从事直缝埋弧焊钢管设备与工艺的研究与管理。

谢晓东（1980-），男，工程硕士，主要从事直缝埋弧焊钢管设备与工艺的研究与管理。

黎郑坤（1980-），男，工程硕士，主要从事直缝埋弧焊钢管设备与工艺的研究与管理。