新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)的開(kāi)發(fā)

程斯祥，焦 悅，馬海寬，李培力，谷瑞杰，任明杰，秦偉超

（1. 衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001；2. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；3. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

近年來(lái)，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的難度增大，對(duì)加厚油管的需求量越來(lái)越大。管端加厚機(jī)是生產(chǎn)加厚油管的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)局部加熱后的鋼管端部進(jìn)行鐓粗，使鋼管的端頭局部管壁加厚，達(dá)到提高鋼管連接處強(qiáng)度的目的。管端加厚機(jī)機(jī)架采用整體框架結(jié)構(gòu)，主液壓油缸和回程液壓油缸垂直安裝，用于動(dòng)梁的快速升降及夾緊鋼管，主液壓油缸位移可以通過(guò)位移傳感器檢測(cè)，主液壓油缸的回程動(dòng)作由回程液壓油缸完成。鋼管管端加厚機(jī)主要采用局部加熱水平鍛造成形的工藝方法對(duì)鋼管端部進(jìn)行加厚處理，其將鋼管管端進(jìn)行局部加熱，采用外力使鋼管端部?jī)?nèi)外徑發(fā)生變化，從而增加鋼管端部壁厚，增強(qiáng)鋼管端部強(qiáng)度［1-12］。

傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機(jī)的垂直壓機(jī)采用液壓缸直接作用實(shí)現(xiàn)鋼管的夾緊，傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機(jī)如圖1 所示，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)麻煩。針對(duì)這些情況，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司（簡(jiǎn)稱重型院）創(chuàng)造性地研發(fā)了利用肘桿增力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼管的夾緊，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了設(shè)備的可靠性。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)工作時(shí)由主液壓缸帶動(dòng)上模具向下移動(dòng)，與下模具閉合后將鋼管端部夾緊，夾緊壓力達(dá)到8 MN，為了保持此壓力需要主液壓缸一直保持工作狀態(tài)，直至完成鋼管端部加厚，主液壓油缸才能卸荷；然后由兩側(cè)的回程液壓油缸將上模具提升，主液壓油缸縮回，整個(gè)過(guò)程液壓系統(tǒng)80%時(shí)間處于滿負(fù)荷工作，能耗高，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，制造費(fèi)用高。經(jīng)過(guò)深入研究，提出了利用肘桿增力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼管夾緊的設(shè)想，只需要較小的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的放大作用將驅(qū)動(dòng)力放大，達(dá)到傳統(tǒng)鋼管管端加厚機(jī)的效果。

圖1 傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機(jī)

2 肘桿增力機(jī)構(gòu)工作原理

肘桿增力機(jī)構(gòu)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸伸長(zhǎng)，帶動(dòng)連接塊下移，連接塊帶動(dòng)小連桿移動(dòng)，小連桿帶動(dòng)肘桿轉(zhuǎn)動(dòng)，肘桿帶動(dòng)大連桿移動(dòng)，大連桿帶動(dòng)上模具移動(dòng)，整體機(jī)構(gòu)呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，最終使上模具與下模具接觸閉合，肘桿增力機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)如圖2 所示，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸繼續(xù)施壓作用力，通過(guò)肘桿增力機(jī)構(gòu)的放大作用，便可實(shí)現(xiàn)上模具的壓緊，整個(gè)過(guò)程只有驅(qū)動(dòng)油缸工作，液壓系統(tǒng)負(fù)載小，能耗低，設(shè)備結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)油缸代替了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，受力更好。增力機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)范圍可由十幾倍到幾十倍不等，具有很強(qiáng)的柔性。

3 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)特點(diǎn)

（1） 取消了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸。

新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)主機(jī)采用單一油缸驅(qū)動(dòng)的肘桿增力機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)8 MN 鎖模力，取消了傳統(tǒng)的主液壓油缸和回程液壓油缸。傳統(tǒng)主液壓油缸采用1 個(gè)Φ550 mm 的柱塞缸和2 個(gè)Φ220 mm 的回程液壓油缸。工作時(shí)柱塞主缸和兩個(gè)回程液壓油缸全部工作，工作壓力27 MPa，實(shí)現(xiàn)8 MN的壓力，整體機(jī)構(gòu)龐大，制造成本高，安裝維護(hù)極為不便。研發(fā)的新型肘桿增力機(jī)構(gòu)只需要1 個(gè)Φ200 mm 的油缸便能達(dá)到8 MN 的鎖模力，新型肘桿增力加厚機(jī)構(gòu)如圖3 所示，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)。

圖2 肘桿增力機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)

圖3 新型肘桿增力加厚機(jī)構(gòu)

（2） 液壓系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。

由于傳統(tǒng)主液壓油缸采用1 個(gè)Φ550 mm 的柱塞缸和2 個(gè)Φ220 mm 的回程液壓油缸，為了保證生產(chǎn)效率，需要給柱塞缸設(shè)置充液閥以保證柱塞缸及時(shí)地充滿油液，同時(shí)，還要給2 個(gè)Φ220 mm 的回程液壓油缸供油，鐓粗時(shí)還要給3 個(gè)缸提供保壓，這就導(dǎo)致液壓系統(tǒng)龐大，造價(jià)高，維護(hù)點(diǎn)多。而新型肘桿增力機(jī)構(gòu)只有1 個(gè)Φ200 mm 的液壓油缸，無(wú)論是空程運(yùn)動(dòng)還是鐓粗保壓，所需的油量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼管管端加厚機(jī)3 個(gè)缸，這就大大簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)，降低了成本，維護(hù)也比較方便。新型肘桿增力加厚機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)如圖4 所示。

（3） 主機(jī)框架整體受力更佳。

傳統(tǒng)的加厚裝備主機(jī)的1 個(gè)Φ550 mm 的柱塞缸和2 個(gè)Φ220 mm 的回程液壓油缸均勻布置在框架上，這使得框架上梁中間出現(xiàn)3 個(gè)圓孔，工作時(shí)液壓油缸產(chǎn)生的反作用力作用在上梁上，8 MN 的交變應(yīng)力使得上梁壽命大大減少，容易出現(xiàn)斷裂。新型肘桿增力機(jī)構(gòu)只有1 個(gè)小油缸，中間只需要開(kāi)1 個(gè)相對(duì)較小的孔即可，使得上梁的整體受力情況大大改善，提高了整機(jī)的使用壽命。鋼管管端加厚主機(jī)框架應(yīng)力及形變分布如圖5~6 所示，通過(guò)有限元分析可知，新型肘桿增力機(jī)構(gòu)的框架比傳統(tǒng)鋼管管端加厚機(jī)框架受力分布更加均勻，應(yīng)力更小，變形更小，整體剛度得以提升。

圖4 新型肘桿增力加厚機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

圖5 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚主機(jī)框架應(yīng)力分布

圖6 新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚主機(jī)框架形變分布

（4） 鎖模力分配更均勻。

鎖模力的均勻性直接決定鋼管管端鐓粗產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。新型的肘桿增力機(jī)構(gòu)的加厚機(jī)鎖模力分配更加均勻，使得產(chǎn)品成型表面質(zhì)量得到大幅提升，新型肘桿增力機(jī)構(gòu)式管端加厚機(jī)鋼管加厚成品如圖7 所示，而且合格率達(dá)到了98%以上，相比傳統(tǒng)加厚設(shè)備90%的合格率提升了8%；連續(xù)測(cè)量10 支Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端的尺寸，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 可看出，加厚外徑均勻，加厚端長(zhǎng)度變化范圍小，質(zhì)量?jī)?yōu)異；新型加厚機(jī)提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和降低了用戶的成本。

圖7 新型肘桿增力機(jī)構(gòu)式管端加厚機(jī)鋼管加厚成品

表1 Φ73.02 mm×5.51 mm 外加厚油管加厚端尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

（5） 電控系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。

傳統(tǒng)的加厚裝備主機(jī)的1 個(gè)Φ550 mm 的柱塞缸和2 個(gè)直徑Φ220 mm 的回程液壓油缸的運(yùn)動(dòng)均需要電控系統(tǒng)，而新型肘桿增力機(jī)構(gòu)只有1 個(gè)Φ200 mm 的液壓油缸，控制點(diǎn)相比傳統(tǒng)加厚機(jī)少的多，使得電控系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性更高，維護(hù)點(diǎn)少，成本低。

（6） 綠色環(huán)保，節(jié)能降噪。

傳統(tǒng)的鋼管管端加厚機(jī)的1 個(gè)Φ550 mm 的柱塞缸和2 個(gè)直徑Φ220 mm 的回程液壓油缸的運(yùn)動(dòng)都需要大量的液壓油，保壓時(shí)保壓泵一直處于工作狀態(tài)，消耗大量的電力。新型肘桿增力機(jī)構(gòu)只有1個(gè)Φ200 mm 的油缸，需要的油量大大減少，保壓泵數(shù)量也只有1 個(gè)，大大降低了電力的消耗，達(dá)到了綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的。

4 設(shè)備性能

新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)性能優(yōu)良，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼管管端加厚機(jī)，生產(chǎn)效率得到大幅提升，如Φ88.9 mm 鋼管生產(chǎn)效率由110 根/h 提升到135 根/h，效率提高了22.73%；產(chǎn)品合格率提升8%，設(shè)備造價(jià)降低22%，節(jié)能38%，維護(hù)成本降低47%，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 工程應(yīng)用

重型院研發(fā)的新型肘桿增力機(jī)構(gòu)式加厚機(jī)，得到了用戶的廣泛認(rèn)可。2019 年4 月在江蘇常寶普萊森鋼管有限公司投產(chǎn)4 套裝備，該裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，性能穩(wěn)定，節(jié)能降耗效果顯著，得到用戶的高度評(píng)價(jià)；2019 年11 月重型院對(duì)江蘇常寶鋼管股份有限公司老舊設(shè)備采用肘桿增力技術(shù)進(jìn)行改造，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

重型院自主研發(fā)的新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚裝備機(jī)械、液壓和電氣系統(tǒng)完全具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，占用面積小，效率高，具有很好的推廣價(jià)值。