預彎機回程缸活塞桿與提升環斷裂的分析與改進

徐 剛，王占理，邊 晉，吳 娟，劉增強，師俊杰

（渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658）

預彎機回程缸活塞桿與提升環斷裂的分析與改進

徐 剛，王占理，邊 晉，吳 娟，劉增強，師俊杰

（渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658）

針對JCOE大直縫埋弧焊管生產的預彎機回程缸活塞桿與提升環的斷裂問題，使用有限元分析法分析其關鍵結構，并通過液壓原理分析其動作不平衡的原因，提出了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，采取液壓和機械同時整改的技術方案，降低了設備的故障率，提高了生產線的生產效率，并在實踐中得到了驗證。

直縫埋弧焊；預彎機；活塞桿； 受力分析；UG； 有限元分析

0 前 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[1]。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之一[2]。 鋼板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[3]。如果預彎后的管筒呈尖嘴“桃形”[4]，易給后續的預焊合縫帶來麻煩，引起錯邊或焊接燒穿，即使進行管體擴徑，也無法將其消除，并且還會損害擴徑頭[5]。

鋼板邊部預彎通常在輥式彎邊機或預彎邊壓力機上完成。預彎邊壓力機是專用的板邊預彎成型的壓力機,適用于厚板的預彎曲成型[6]。巨龍鋼管有限公司采用了壓力式預彎機，采用一臺數千噸的壓力機，通過模具對鋼板邊緣進行步進式預彎。這種工藝可以得到十分理想的板邊形狀，有效地防止焊縫周圍的“噘嘴”現象，防止擴徑時發生開裂[7]。

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、電氣系統以及集中潤滑站等部分。

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，在模具的壓力作用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，一側稱為M1，另一側稱為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，因此有必要針對設備現有的液壓和機械系統進行故障分析，找到故障源頭，減少故障發生頻率，提高生產效率。

1 機械部分

1.1 結構

圖1所示為預彎機單側結構，由兩套三連缸組成，為預彎機提供壓制力的為主缸，為下模梁提供回到原位的動力的為回程缸。

圖1 預彎機機構示意圖

圖2為鋼桿與提升環結構示意圖，圖中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，但是由于上下球面墊組球心不同一，這種結構能夠應對小角度偏轉，當發生突發性的大角度偏轉就不起作用了。實際情況是上下球面墊組之間有間隙，可以滿足一定偏轉角度。

圖2 鋼桿與提升環結構示意圖

1.2 實際運動過程

上升階段：主缸上升，提升缸跟隨上升，主缸接觸下模梁后速度減慢，由于間隙提升缸還在以原來速度上升，接觸下模梁后與主缸同時加壓到規定位置。

下降階段：提升缸以較高速度沖擊提升環，帶動主缸同時下降到起始位置。

1.2.1 改進后結構

提升環除了連接作用，還能保護活塞桿，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。圖3所示為現在使用的提升環結構，它分為兩個部分，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。

圖3 改進后的提升環結構示意圖

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。每側有5 mm的間隙量，計算如下：

兩個回程缸之間距離為2 538 mm，設備最大（報警）允許偏擺15 mm；

偏擺角度為：arctan(15/2 538)=0.338 623 596；

鋼桿頭最大的距離：l2=1352+502，l=143.96，arctan(50/135)=20.323 136 8；

鋼桿頭最大距離部分直徑方向距離：L=l×cos(arctan(50/135)-arctan(15/2538))=135.293 125 mm。

計算可知，實際增加的距離僅為0.29 mm，因此5 mm空間足夠。實際安裝時要注意保證缸體位置正確。

1.2.2 驗算更改結構的強度是否滿足要求

鋼桿材料為42CrMo，提升環材料為45鋼，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。

鎳鉻合金鋼彈性模量E=206 GPa,泊松比μ=0.3[8]，42CrMo抗拉強度σb=1 080 MPa，屈服強度σs=930 MPa，結構鋼在對稱應力抗拉疲勞強度σ-11≈0.3σb， 脈動應力拉伸疲勞強度 σ01≈1.42σ-11[9]，因此疲勞強度 σ01≈1.42×0.3σb=460 MPa。

碳鋼彈性模量E=196～206 GPa，泊松比μ=0.3。

45鋼抗拉強度為650 MPa，屈服強度為360 MPa，疲勞極限為329 MPa[10]，許用靜應力為260 MPa，許用疲勞應力為180～207 MPa。

（1） 受力分析

已知返程缸活塞直徑220 mm，活塞桿直徑為140 mm；柱塞缸直徑500 mm,活塞桿頭部尺寸如圖1所示，已知D=135，d=90，r=2.5。

設返程時返程缸進油液實測壓力p1=10 MPa，出油帶溢流的插裝閥開啟壓力p2=2 MPa,則活塞桿臺肩軸處所受拉力為

柱塞缸返程時背壓1 MPa原理如圖4所示，其中， F2=π/4×5002×1=196 349.541 N， 兩個缸為392 699.082 N，下模梁自重G為135 000 N。

按照理想狀態，左右閥組背壓壓力和工作壓力都相等的情況下得到提升缸的平衡壓力值為F1=128 849.54 N，實際測量提升缸壓力值為F1=149 225.651 N，上模梁慣性力為F=40 752.22 N。

設備發生故障，速度停止或者勻速時力矩為

圖4 上模梁受力圖

（2）零件只受拉力時的受力分析

利用UG建模，根據已知的約束和壓力進行仿真分析，所受拉力為F1=149 225.65 N,如圖5所示，當提升環在下拉時所受的應力值為σmax=349.4 MPa。該應力值在45鋼屈服應力值之下，但超過極限疲勞強度所承受的應力值，基本滿足拉應力時的工作需要。

圖5 提升環有限元分析

在上模量發生小角度偏轉時，由于有球形墊組可以將拉力均勻分布在提升環上，由于提升環和球形墊組采用兩半的加工，因此安裝時注意開縫與上模梁長邊平行。

如圖6所示，提升缸僅受拉力時所受到的應力值為σmax=85.6 MPa，遠遠低于42CrMo的疲勞極限值，因此在缸桿只受到拉應時不可能斷裂。

圖6 提升缸有限元分析

（3） 零件受拉力和彎矩時的受力分析

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=51 755 319.4 N·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。

由圖7可知，圓角r=2.5 mm時最大應力為2 348 MPa，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=3 mm，r=10 mm，C=10 mm，r=12 mm，r=15 mm時的最大應力值作出分析。

r=3 mm時最大應力2 250 MPa，超過抗拉強度，但比r=2.5 mm時已有明顯的改善。

r=10 mm時最大應力值為1 165 MPa，應力降低非常明顯，已經接近材料的抗拉強度。

r=12 mm時應力分析最大應力為1 058 MPa，已經滿足抗拉強度的要求，但高于屈服強度，使用時仍然會出現變形和疲勞斷裂等缺陷。

r=15 mm時缸桿最大應力值為1 017 MPa，小于材料抗拉強度，但是大于屈服強度，而且比r=12 mm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。

結論：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。

2 液壓部分

2.1 液壓控制原理分析

2.1.1 上升階段

圖8為預彎機液壓原理圖，從圖中可以看出，由先導比例三位四通閥15控制回程缸和主缸的進油油路，同時有一個兩位四通閥28控制插裝閥26的開閉控制主缸的進油。

圖8 預彎機液壓原理圖

回程缸在由于插裝閥21背壓1 MPa，上止點20 MPa，主缸由于插裝閥26背壓1.5～2.5 MPa，上止點 20～25 MPa。

2.1.2 下降階段

回程缸由閥15控制進油和回油的方向轉變，而主缸則是左側閥28控制插裝閥關閉，右側閥28控制插裝閥開通卸荷，同時兩位四通閥17控制插裝閥19的開閉泄流。

回程缸由于帶溢流功能插裝閥LC25DB20D7X 24開啟壓力2 MPa，下降壓力10 MPa，主缸由于閥26和閥19背壓1～1.5 MPa。

2.2 可能斷裂故障原因

一般設備控制部分，PLC和遠程總線通信很少出現故障，通常控制部分的故障會導致設備的整體癱瘓，不會造成設備的斷裂問題，但不排除通信接口的接觸不良造成的信號缺失，同時有人為原因（如插頭忘插裝）。

2.2.1 上升階段斷裂故障分析

（1）左右兩側有一個先導比例三位四通閥15未工作，造成設備只有一側主油缸工作，造成設備偏載過大，造成提升環和鋼桿承受工作側油缸的彎矩。

（2）閥15正常，左側兩位四通閥28未工作，同樣造成設備偏載。

2.2.2 下降階段斷裂故障分析

（1）左右兩側有一個先導比例三位四通閥15未工作，造成設備只有一側回程油缸工作，造成設備偏載過大，造成提升環和鋼桿承受工作側油缸的彎矩。

（2）閥15正常，右側兩位四通閥28未工作或者兩位四通閥17未工作，同樣造成設備偏載。

上升和下降階段中，上升階段第1種情況最為嚴重，實際工作中控制閥15、28及17未必會壞掉，但是有可能因為機械故障和液壓油污染問題造成閥開啟有快慢，造成設備不同步，不同步時間短造成提升環的拉斷，不同步時間大造成缸體折斷。這種不同步很難排除必然造成偏載，因此我廠前輩將提升環的下拉環設計得很薄，以避免鋼桿斷裂造成的更大麻煩。

2.3 改進措施

（1）定期更換液壓油，清洗或者更換各個控制閥。

（2）左右控制閥15，最好左右公用一個減少故障可能性。

（3）提升缸下降時的進油油路和主油缸回油油路增加溢流閥，設定工作壓力不能超過正常背壓時的20%。

（4）主油缸背壓壓力不統一，最好選用統一背壓壓力的閥組控制，避免不必要的不平衡因素。

3 結 語

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，降低了預彎機故障率，提高了整條生產線的生產效率。

［1］王振生，吳翔，李書華，等.奧-貝球墨鑄鐵制焊管預彎機下預彎模具的可行性研究[J].鋼管，2012，41（03）:75-78.

［2］顏永年，俞新陸.機械設計中的預應力結構[M].北京；機械工業出版社，1989.

［3］郭寶鋒，金淼，任運來，等.大口徑直縫焊管UOE成形技術及發展策略[J].鍛壓技術，2000，25(03):22-25.

［4］吳堅.UOE成型大直縫焊管生產[J].鋼管，2000，29(05):13-16.

［5］李宏.直縫埋弧焊鋼管生產線預彎工藝[J].焊管，2006，29(01):55-57.

［6］蘇翼林.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1987.

［7］曲賓，王東明.國產JCOE焊管裝備制造技術及管理升級研究[J].鋼管，2014(02)：30-33.

［8］成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

［9］吳宗澤.機械設計師手冊[M].機械工業出版社，2004.

［10］王德俊.常規疲勞強度設計中幾個系數的確定[J].機械科學與技術，1987（01）：30-36.

Analysis and Improvement of Piston Rod and Lifting Ring Fracture in Pre-bending Machine Return Cylinder

XU Gang,WANG Zhanli,BIAN Jin,WU Juan,LIU Zengqiang,SHI Junjie
(CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

Aiming at fracture problem of piston rod and lifting ring in pre-bending machinereturn cylinder,which is the key equipment of JCOE SAWL pipe,it used finite element analysis method to study key structure,analyzed movement imbalance reason of pre-bending machine return cylinder through hydraulic principle.In order to reduce fracture failure of piston rod and lifting ring,which caused by equipment unbalance loading,on condition of unchanging equipment basic structure,rectify and reform technical proposal of hydraulic and mechanical rectification at the same time was put forward,this proposal reduced failure rate,increased production efficiency,and was verified in practice.

LSAW;pre-bending machine;piston rod;force analysis;UG;finite element analysis

TH123

B

1001－3938（2015）05-0035-05

徐剛（1982—），男，工程碩士，工程師，主要從事直縫埋弧焊鋼管設備與工藝的研究與管理。

2014-03-11

羅 剛