扩径机扩胀装置技术的优化设计

周罗骏

摘要：本文主要针对扩胀装置结构设计与性能结合起来，分两个受载荷阶段的情况进行分析计算与优化研究，主要改善受力点大，应力集中，应力不合理分布的情况，提高基体的承载能力，减少断裂失效的预期，优化结构设计注意事项。另将使用要求规范化，满足基材摩擦的正常条件，提高整个装置的使用寿命；全面分析设计与使用上的特点，并进行了实例的计算，来提高扩径机的核心装置的整体性能。

关键词：直缝埋弧焊管，扩径，结构设计，优化

1.引言

随着管道建设不断发展，制管技术及设备，装备也在不断推陈出新。管的性能要求不断提高，向高强度，高韧性的方向发展，以及对钢管质量要求不断提高，管线钢材不断发展，国内宝钢、武钢、鞍钢已大力投入研制与开发高性能管线钢来满足国内需求，从X52-X80已研究成功，国外已发展到X120[1，2]。要满足管道建设，提高制管的设备能力已经势在必行。

机械扩径作为提高钢管的质量的一种较为关键的技术装备[3]。其核心装置，受载荷大，引起的应力复杂，这就需要设计人员提高设备性能，不断进行技术革新，达到生产管道的工艺要求，达到效率要求，达到制作高性能管道的要求。

2.技术说明

2.1机械式扩径机工作原理及扩径机头部结构示意

机械式扩径是一段一段地进行，所以钢管是分步送入扩径装置的，由图1可知，机械式扩径机的关键部件——扩径装置是由拉杆往左移动，几个斜块体向外扩展，芯棒圆周增大，楔形体的力借助斜块通过扇形板作用在钢管上，从而与芯棒接触的一段钢管得到扩径，当拉杆与楔形体向右移动时，钢管与芯棒脱离开，以实现再次送进，进行下一段钢管的扩径。

2.2扩径力的理论值的计算

扩径力的理论值计算公式1：P=2п.t.б.L（Tanа+и）.κ，P是扩径力，t是管的壁厚，б是材料的屈服极限，L是扩径长度，а是锥体的角度，и是垫板与锥体之间的摩擦系数（0.1-0.2），κ是经验值系数（0.8-1.2）[4，5]。

例1：φ610×14.3，材质为X65的钢管，需要的扩径力为：

2×3.14×14.3×500（65×7约取大值500）×（400+80×0.8）×（0.062+0.175）×1=4937783约为494吨。

2.3扩径工作时的主动力参数

φ190拉杆的许用应力为：P1=M×Px，P1是拉杆的许用应力，M是拉杆危险截面面积，Px是疲劳许用应力。（极限屈服/安全系数）

由此可知拉杆的许用应力为：

175832.34×900/3=5349673约为535吨（这就是φ190拉杆的额定许用应力）。

根据拉杆的许用应力来调整液压系统的压力，检验拉杆实际压力再次调整液压系统的压力，避免浪费能量。

2.3.1油缸左进时的参数及受力分析

油缸步进工作时的主要受力零件为：胀块，锥头，拉杆，螺母，导向盘，铜板，T型键等，基本为受挤压力，以535吨的力计算，完全不会产生压扁的情况，拉杆螺母的受推，拉杆螺母的许用应力为：危险截面面积×材料屈服极限=893吨，部件都在安全范围内使用。

2.3.2油缸右进退时的参数及受力分析

油缸后退工作时的主要受力零件为胀块短T型键，导向盘与套筒联接螺丝，胀块与短T型键联接螺丝，拉杆螺母与锥头的联接螺丝等，主要是克服角摩擦力的抱紧力，而产生的作用力，根据力的平衡公式2：Pm=P1. и，Pm是角摩擦力，P1是拉杆的实际拉力，и是摩擦系数（0.1-0.2）。

由此知道油缸后退时的力为：

535×0.2=10.7吨。

油缸步退工作的主要的受力零件，基本为受推力，以10.7吨的力计算，部件完全在安全范围内使用。

3.优化设计

3.1部件的结构作用

主要部件分别为：胀块，锥头，拉杆和导向盘。其中胀块决定管的冷变形后的形状；锥头实现胀块往外扩张；拉杆是实现左右移动的连接介质；导向盘的主要作用是胀块的导向。

3.2各个部件的优化设计

参数与设计注意的事项如下

1.胀块的直线段长度（400工作长度），圆弧前过渡段长度（80为预工作长度），后过渡段长度（20为整圆工作长度），等分数量，保证好扩径力不超过535吨。

2.锥头的硬度层的厚度加大到3毫米以上，等分数量，表面硬度均匀HRC60-62，加工圆弧油槽，摩擦副润滑均匀，锥面的光洁度0.8，每个锥面达到的效果。

3.拉杆的理化性能要到达标准要求，不允许有任何裂纹，变径过渡要有足够的应力分散设计（例如，圆弧过渡，圆锥过渡），螺纹底径要加工较大圆弧过渡，表面的光洁度1.6，减少应力集中或缺陷导致断裂。

4.导向盘的每个导向角块的强度，导向盘的壁厚强度，不允许有任何裂纹，T型槽的棱角要圆弧过渡，T型槽的方向，整体性能加强。

5.钢板的增加磨损的厚度，延长铜板的使用寿命。（用合金铸铁取代锡青铜正在试验，结果出来后改用）

6.拉杆螺母应避免硬度过高，配合间隙要考虑到拉杆的使用，主要以保护拉杆为主。

3.3优化结构的综合考虑

1.设计设备要考虑长远，具体包括以下几个因数：1.生产能力2.机构的合理性3.做功的对象4.受力的极限考虑。

2.生产能力：每天工作时间/每支管所需时间（扩径步数×每步所需时间+辅助时间）=79200/（30×12+180）=约146支 。

3.机构的合理性：扇形块的等分数量与圆弧及圆弧长度，锥头的硬度层，拉杆的直径大小及螺纹的类型等，导向盘的厚度与直径，T型键的长度，宽度等。

4.做功对象：各个点的受力分析，对每个点的受力做出准确的定位。

5.受力的极限考虑：利用相关的计算公式，计算出具体的数据，以数据为依据，做出安全使用的判断，并以部件最大化性能进行设计。

4.使用要求

优良的设备要把性能发挥出来，要有适合其的环境，这就要求使用者对设备要有深刻了解，按照要求来进行操作，性能与使用是密不可分。

安装要求：

1.胀块短“T”型键的安装必须安装到位；与导向盘键槽滑动性能良好，不能出现卡死现象，磨损过大，变形严重或者有裂纹的必须更换掉。

2.胀块长“T”型键的安装，与胀块顶端接触面必须贴紧到位，平衡拉紧，避免翘起现象。

3.导向盘的安装，螺丝旋进深度不低于装配标准。

4.支撑轮的安装，应按公式运算的结果来选配支撑轮，轮子应无卡死现象，磨损过大应更换一个。

5.锥头、拉杆螺母的安装，安装胀块前必须把油孔全部通一遍，保证贯通性；把锥头上、T型槽內的污泥，铁销应清理干净才能安装。

6.支撑拉杆的托轮与拉杆外径接触，减少支撑拉杆弯曲变形。

7.整个扩臂安装好后，要用水平检测装置检查水平度，并调整至水平。

5.结论

本文内容讲述了扩径技术参数与相关的计算公式，及优化设计的点。对扩胀装置的受力情况，对力有数据可依，对各个部件了解透切，有利于设计上的系统化，减少设计上的薄弱。在使用过程中，要提供优良的环境给设备，设计与使用相结合，将设备性能发挥到及至。最终，提高整个装置的使用寿命；提高扩径机的核心装置的整体性能，达到设备满足高速发展的管线钢管的要求。

参考文献：

[1]李刚.运动控制技术在扩径机上的应用[D].燕山大学，2017.

[2]彭德平.深海管线管机械扩径机关键技术研究[D].湖南科技大学，2016.

[3]徐刚，边晋，葛玉红，师俊杰，刘增强.JCOE焊管扩径后椭圆度的控制与改进[J].焊管，2015，38（07）：38-43.