預彎機回程缸活塞桿與提升環斷裂的分析與改進

徐剛　謝曉東　黎鄭坤

摘 要：針對大直縫埋弧焊管生產的關鍵設備預彎機回程缸與提升環的斷裂問題，使用有限元分析關鍵結構，并通過液壓分析其動作不平衡的原理，提出了優化改進的技術方案，并在實踐中得到了驗證，降低了設備的故障率，提高了生產線的生產效率.

關鍵詞：直縫埋弧焊；預彎機；活塞桿；受力分析；UG；有限元分析

引言

隨著我國能源戰略調整步伐的進一步加快，未來十年我國管道工業將進入高速發展時期 。鋼板預彎機是直縫埋弧焊鋼管生產線必不可少的重要設備 。 預彎是直縫埋弧焊鋼管生產線的主要工序之一，其目的是完成鋼板兩邊的預彎曲變形，使鋼板兩邊的彎曲半徑達到或接近所生產鋼管規格的半徑。從而保證鋼管焊縫區域的幾何形狀和尺寸精度。如果預彎后的管筒呈尖嘴“桃形” ，給后續的預焊合縫帶來麻煩，易引起錯邊或焊接燒穿，即使進行擴徑，也無法將其消除，并且還會損害擴徑頭 。

預彎機包括機架、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、電氣系統、集中潤滑站等部分。

預彎機將銑邊后的鋼板，通過入口側的輸送輥道，以步進運動方式送入機器的上、下模具之間，在模具的壓力下使材料發生塑性變形而彎曲。通過更換和調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。該機兩臺相對布置，北側稱為M1，南側稱為M2，鋼板兩側同時彎邊。在通常情形下，板材的長度數倍于預彎模具的長度，因此鋼板的傳送和彎曲是分步進行的，鋼板每前進一個模具長度，下模具壓上一次，直至整個板邊長度都完成預彎邊操作。兩臺壓力機能夠在一個公共底座上相對同步移動，以適應不同板寬彎邊的要求。

預彎設備在生產線實際生產中經常發生提升環斷裂和提升缸缸桿斷裂問題，設備笨重，空間有限，維修十分麻煩、工作量大，嚴重影響了整條生產線的生產效率，因此針對設備現有的液壓和機械進行故障分析，找到故障源頭，減少故障發生頻率，提高生產效率。

1.機械結構

預彎機由兩套三連缸組成，為預彎機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提供均勻壓力，又能在設備偏載時鋼桿可以偏轉。提升環除了起到連接的作用，還起到保護活塞桿的作用，在發生偏載時，一般是先拉斷提升環，原來的結構提升環是整體件，更換比較麻煩而且會造成浪費，現在使用的提升環分為兩個部分將容易損壞的部分單獨用螺栓連接，損壞時直接更換這部分減少易損件的材耗。

并且提升環與缸桿之間必須有足夠的間隙，保證鋼桿有足夠的偏轉空間，防止發生鋼桿被憋斷的情況。實際安裝時要注意缸體要保證位置正確，但是西南角缸體偏移嚴重，缸體笨重安裝困難。

2.驗算結構的強度

鋼桿材料為42CrMo，提升環材料為45，零件的強度跟材料、結構、熱處理、表面光潔度、應力集中等因素有關系。材料存在氣孔、微裂紋、夾雜物等缺陷，材料表面劃痕、局部應力集中等因素，均可加快疲勞斷裂。減小表面粗糙度值和進行表面淬火、噴丸處理、表面滾壓等方法均可提高材料的疲勞強度。

鎳鉻鋼合金鋼彈性模量E=206/Gpa，泊松比μ=0.3，42CrMo抗拉強度σ =1080Mpa，屈服強度σ =930Mpa，碳鋼彈性模量E=196-206/Gpa，泊松比μ=0.3，45鋼抗拉強度σ =650Mpa屈服強度σ =360Mpa。

利用UG建模，實際測量提升缸壓力值為F1=149225.651N，預彎機在發生偏載時，左右提升缸運行不同步，造成缸桿除了受到拉力還會受到一個彎矩M=51755319.4N.mm。缸體的表面質量和應力集中對缸體的影響很大，其中以倒圓角r對應力影響最大，下面對圓角在不同大小時的最大應力進行分析。

圓角r=2.5mm時最大應力為2348Mpa，遠遠超過42CrMo的抗拉強度值，因此現在的設備在發生偏載時必然會導致缸頭的折斷，這個是由設計缺陷造成的。因此對圓角采取加大措施，分別對r=10mm，C=10mm，r=12mm，r=15mm時的最大應力值作出分析。

r=10mm時最大應力值為1165Mpa， r=12mm時應力分析最大應力為1058Mpa， r=15mm時缸桿最大應力值為1017Mpa，小于材料抗拉強度，但是大于屈服強度，而且比r=12mm時，應力降低幅值減小。因此不易再采取加大倒圓半徑的措施。

3.小結

采取加大倒圓半徑的措施能夠明顯降低應力集中造成的最大應力值，但不能根本解決缸體因為轉矩造成疲勞斷裂。該預彎機是由天水鍛壓廠制造，設備已經使用了十多年，隨著技術的更新，在不更改設備基本結構的前提下，為了減少設備因為偏載造成的提升環和缸桿斷裂故障，減少故障修理時間，降低停產對生產線的影響，采取液壓和機械同時整改的措施，降低了預彎機故障頻率，提高了整條生產線的生產效率。

參考文獻

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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備與工藝的研究與管理。