頁巖氣專用彎管冷彎機研制與應用

朱 凱

（中國石化華東油氣分公司采油氣工程服務中心，江蘇泰州 225300）

0 引言

目前的頁巖氣采氣場站設施高度智能化、信息化，通過網絡管理、周界防御、視頻監控、應急廣播、門禁管理五大系統實現數據實時傳輸，正常采氣生產已完全實現無人值守功能。經統計每個場站建設施工平均各類電纜用量達20～40 km 左右。根據施工規范要求，各類儀控電纜埋地過路引出、拐角處均需加鋼質彎管保護敷設。使用的各類鋼質彎管需現場加工，主要由施工人員采用液壓工具手動加工，勞動強度較高，加工效率較低。

電纜敷設標準要求規定，電纜保護鋼管彎制后，不應有裂縫和明顯的凹癟。彎扁程度不宜大于管子外徑的10%，彎曲半徑不應小于電纜的最小彎曲半徑。根據上述標準要求，調研目前市場各類彎管機性能參數，進行可行性研究。按照頁巖氣場站建設標準化要求，設計加工專用電動冷彎機，實現標準化生產，滿足施工規范要求。實踐證明，專用電動冷彎管機可以極大提高施工效率，減輕工人勞動強度。

1 結構組成

按照管材彎曲成型的方法可將彎管分為推彎、滾彎、壓彎、繞彎等。其中繞彎較易實現自動化，目前彎管機主要采用繞彎的方法。彎曲模安裝在主軸上，夾緊模夾緊防止管件軸向竄動，壓力模以適當壓力壓在主動輪上，防止起皺、扁平、變薄等失效。當主軸旋轉時，管子被纏繞在彎曲模上隨主軸轉動面成形。

彎管機整體由機身、操作臺、彎曲模具、調節機構、減速傳動裝置、電氣線路及控制設備系統組成。彎管機裝置及控制電路設計，結構簡單合理，操作安全方便，便于安裝和拆卸。

電動冷彎管裝置如圖1 所示。機身用于支撐固定傳動，為保證剛性要求，采用整體焊接結構，結構緊湊。電機及傳動機構置于機身內部，減少占用空間。操作臺面為工作區域，布置有可更換彎曲模具及限位機構。為保證彎管不發生扭曲變形，在工作臺面兩端設置水平送料輥。彎曲模具設計成可更換結構，以滿足不同規格管子的加工要求。調節機構為絲桿傳動，用于壓緊管子，以防止彎管發生橢圓變形等現象。操作平臺下側面設置開關按鈕，方便使用，防止誤操作。傳動系統設計成皮帶+齒輪兩級傳動形式。其中皮帶傳動可起操作過載保護的作用。齒輪傳動副可調換不同齒輪組合，以滿足調節轉速的需求。控制系統通過電氣按鈕實現開關、急停及點動等功能。

圖1 彎管冷彎加工機樣機

該裝置具有使用高效安全方便的特點，可以實現一鍵操作彎曲加工，通過行程開關自動回位。彎曲加工精度高，彎曲角度0°～180°任意設定，精度為±1°，適用于不同規格、批量的彎管加工。只需更換不同規格的固定輪，便可滿足不同規格管子加工。采用成套彎曲模具進行彎曲加工，彎曲臂和彎曲軸連成一體，彎模軸可更換，結構合理、機械強度高、電氣線路簡化。可以使用同一套模具彎制不同形狀的管形，最大限度地減少了專用工藝設備，節約生產成本。

2 工作原理及參數

彎管模具固定在冷彎機輸出軸上并跟隨輸出軸一起轉動，管子通過調節夾緊模固定在彎管模的半圓槽內，由電機提供動力，將管子順著彎曲模向前推進，從而得到所需的彎管半徑。冷彎機彎管加工原理見圖2，主要技術參數見表1。

表1 冷彎機主要技術參數

圖2 彎管加工原理

3 設計及計算

3.1 結構設計

裝置整體設計內容包括工件工藝分析、計算彎曲力矩、電機選取、傳動比計算、傳動裝置運轉參數、皮帶輪選擇、蝸輪蝸桿減速計算、機身結構、輔助設施、電路設計等，其中的重點是確定彎曲力矩、動力電機選取及傳動比的選擇。

3.2 傳動系統設計

采用皮帶+齒輪兩級傳動形式。其中皮帶傳動可起操作過載保護作用。齒輪傳動副可調換不同齒輪組合，按大管低速、小管高速的原則實現不同轉速要求。機械傳動原理如圖3 所示。

圖3 機械傳動原理

3.3 管材彎曲力矩計算

根據計算的力矩，確定彎管機驅動力矩、電機功率、傳動裝置及夾緊裝置的結構尺寸，計算公式如下：

式中 K0——材料相對強度系數

σs——材料屈服強度，MPa

D——管材外徑，mm

t——管子壁厚，mm

d——管子內徑，mm

ρ——管子彎曲半徑，mm

按最大彎管機加工最大直徑Φ60×4 mm 確定最大彎曲力矩。管子材料為20 號鋼，D=60 mm，d=52 mm，ρ=200 mm，K0=11.6，σs=240 MPa。代入式（1），計算可得彎曲力矩M=4990168.99 N·m。

3.4 電機選型

預選電機型號為Y112M-4P，額定功率4 kW，額定轉速1440 r/min。彎管機的傳動效率η 取0.85。

輸出傳動力矩M出=M入×i×η=22548.61×335.29×0.85 =6426274.93 N·m ＞M。

因此，電機選取型號滿足設計要求。

4 現場應用

（1）彎曲過程由直線送進，空間轉角、彎曲，壓模夾緊、松開，彎模復位組成。彎管加工步驟為：①按圖紙要求留出直線段長度，夾緊管子；②啟動彎管機，進行彎管操作；③松開模具，取出管子，檢驗管子尺寸并校正。為避免管子彎曲部分壁厚減薄，減少回彈，管子與模具接觸部分均采用滾動輪，以減少摩擦阻力，增加助推動力，彎曲時壓模適當壓緊管子，助推力推向前，形成助彎的側推力。

（2）彎管機有多種彎管速度。一般情況下，彎制小直徑鋼管宜采用高速彎曲，對于直徑大、彎曲半徑小、壁薄的管子應采用較低的速度。采用整體彎模防止管子扁平變形。壓模的壓力應嚴格控制調節，如果壓力不足，則彎曲半徑內側容易起皺紋；如果壓力過大，則會使管子彎曲部分變細，引起彎曲部分橢圓度增大。當管子被拉著向前時，管子中心線外部的材料在切點處支撐，產生拉伸、硬化，保證形狀不癟。切點位置會影響管子的橢圓度，影響管子的回彈。

（3）在一般情況下，彎曲半徑R 取4D（D 為管子外徑），其中壓緊模的形狀很重要，管子滑動通過的槽應略大于管子外徑，其數值可為壁厚的10 %。表面應光滑，防止管子劃傷。

彎曲模具、成品彎管實物如圖4、圖5 所示。

圖4 彎管模具

圖5 成品彎管

5 工藝措施

（1）完善加工工藝，編制相應操作規程。通過購置小型制動機及相關零部件，自行設計、加工電動彎管機，并增加相應角度限位器，以控制加工所需要彎管角度，提升彎管加工效率。

（2）彎曲旋轉裝置繞旋轉中心軸轉動，主要控制參數包括角位移、轉速和轉動力矩。主要控制參數通過電機及傳動機構實現。鉗口將管子壓緊在彎曲模內，隨彎曲旋轉臺一起轉動，實現管子彎曲成型。

（3）彎曲模具設計加工質量直接影響彎管質量。整套彎曲模由彎曲模、夾緊模、導向模組成。機器帶動彎模轉動時，管子在摩擦力作用下隨著彎模一起轉動，纏繞在彎模上彎曲成型。

（4）彎曲成型時，金屬材料受力產生變形。當外力撤消后，由于受彈性變形影響會產生回彈現象。管子材料、直徑、彎曲半徑不同，加工用的工裝、彎曲速度、夾緊力等工藝參數不同都會影響管子的回彈。通過反復摸索，總結經驗，調整行程限位開關觸點位置，有效控制回彈量。根據彎管機轉盤的轉角和管子彎曲角度存在線性關系的特點，確定回彈余量，調整限位塊位置，以獲得滿意效果，實現彎管加工機械化、標準化。

（5）彎曲半徑、管子直徑、管子厚度、加工方法等均是影響變形的因素。彎曲過程中，彎曲外側面拉伸壁厚變薄，內側面擠壓變厚。上、下面不受力，管子截面呈橢圓形。經過對彎管加工受力分析，通過調整壓緊模夾緊力大小控制截面變形，滿足彎曲均勻、無折皺，彎管截面最大與最小外徑差控制5%～10% 的質量要求。在對焊接有縫管彎曲時，焊縫應避開受拉和受壓區，可以有效減少管子強度影響。

6 結束語

通過購置小型制動機及相關部構件，自行設計制作專用電動彎管機，并增加相應角度限位器，以控制加工所需要彎管角度，提升彎管加工效率。經實際檢驗，彎管加工全部滿足質量標準，達到設計要求。與手動液壓彎管方式相比，專用電動彎管機加工效率高、彎管質量穩定、故障率低、維修成本低，具有簡單實用、加工、使用成本較低等優勢。可通過更換轉盤上的固定輪，實現多種規格彎管的加工。能保證產品尺寸要求，提高彎管外觀質量，滿足野外現場施工要求，具有一定推廣應用價值。