胡 斌

（中石化石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001）

0 引言

1 機械擴徑機的工作原理和擴徑頭的主要研究工作

目前國內外在用的機械擴徑機的工作原理基本相似，即利用油缸的伸縮，帶動擴徑頭上由錐體及多個外模塊組成的摩擦副的相對運動。隨著錐體的軸向運動，外模塊可以在徑向上可靠地張開、回縮（復位），完成擴管動作。受擴徑頭長度的限制，每次擴管時只能擴大管長方向的一小段，每根鋼管的擴徑需要分段多次完成。

擴徑頭研究工作主要圍繞擴徑頭結構、主參數確定、潤滑方案等幾個方面展開。

2 擴徑頭結構設計

2.1 擴徑頭結構選擇

進行結構選定時，需考慮所生產的鋼管規(guī)格、配套的擴徑桿尺寸，以及零部件的工作可靠性、加工制造的經濟性等因素。目前已知的擴徑頭結構主要有3種：

2.1.1 復位彈簧＋對中導向機構（導向T塊＋導向燕尾）

擴徑頭通過可以在錐體上燕尾槽自由滑動的燕尾滑塊以及T形導向塊實現外模塊的對中與導向，通過預壓縮的復位彈簧作用在安裝外模塊上導向T塊的力量來確保外模塊與錐體間貼合，從而實現外模塊隨動功能。

這種結構的優(yōu)點：結構緊湊，鋼管生產規(guī)格較小或加工空間受限制的擴徑頭多采用此種結構；滑動面接觸面積大，摩擦副表面接觸應力較小。其缺點也很明顯：加工難度較大，尤其是對錐體導向（燕尾）槽的加工以及對對中導向機構的材料選取、熱處理工藝、加工精度要求極為嚴格；安裝較為復雜；由于彈簧不對稱布置，存在偏置力，對燕尾塊的受力使用存在一定的不良影響。

信息不對稱，降低了運作效率。當各參與方出現糾紛時，也會面臨真很大麻煩。因為不具有可追溯性，后期的證據收集會很麻煩，后期的責任追究面臨困難。甚至由于信息被惡意隱藏和篡改而無法進行相關業(yè)務，導致融資關系破裂。

2.1.2 復位彈簧＋對中導向機構（導向T塊＋對中套）

該方式通過導向T塊與對中套實現外模塊的對中與定位，通過對中套里的預壓縮彈簧通過導向桿作用在外模塊前部的力量，以及安裝在支撐套里的預壓縮彈簧通過導向T塊作用在外模塊后部的力量，使外模塊與錐體間貼合，從而實現隨動功能。

這種結構的優(yōu)點：徑向方向尺寸較緊湊，適用于加工空間受限制的小規(guī)格的擴徑頭；由于復位彈簧的對稱布置，外模塊受力較好；滑動面接觸面積大，受力狀況好；錐體結構簡單，易于加工。同樣這種結構也有許多缺點：結構比較復雜，擴徑頭的裝卸、維護比較復雜、繁瑣；對中套的形狀復雜，加工、定位精度較高，需要專門的加工設備；受彈簧力的限制，扇形塊的重量不能過重，即大規(guī)格的擴徑頭不宜采用此種結構。

2.1.3 T形導向滑條＋T塊結構

這種結構的擴徑頭需在錐體上預先加工T形通槽。在錐體做軸向前后動作時，通過安裝在T形通槽內的T形導向滑條及導向T塊實現外模塊的定位、對中及錐體與外模塊間的隨動。其結構原理如圖1所示。

圖1 T形導向滑條＋T塊結構原理

這種結構的優(yōu)點：結構簡單，易于加工；隨動可靠；擴管過程中受力、對中效果良好。其缺點：因為需要在錐體上預先加工T形通槽，減小了滑動面接觸面積，增大了摩擦副表面應力；開槽對錐體的強度也有一定程度的影響；擴徑頭尺寸通常較大。

2.2 主要參數的確定

2.2.1 外模塊的瓣數選擇

擴徑頭外模塊的瓣數，須綜合考慮以下因素：（1）瓣數對鋼管應力的影響。瓣數越多，鋼管變形時應力越均勻。（2）瓣數對摩擦副尺寸的影響。瓣數越多，外模厚度可以適當減少，錐體尺寸可以加大，摩擦副的接觸應力相應減小。但是，對于小規(guī)格擴徑頭來說，瓣數的增加，將減小外模的橫截面尺寸，從而降低外模的剛度，增大外模斷裂的風險。（3）瓣數的增多，將直接增加擴徑頭的加工成本。

首先，我們分析瓣數對鋼管應力的影響。擴徑頭摩擦副表面接觸應力及鋼管圓度機械擴徑機對鋼管的冷擴徑方式屬于剛性分瓣凸模的機械脹形。這種脹形方式與液壓脹形的最大區(qū)別在于剛性凸模和管坯之間有著較大的摩擦力，使得材料的應力應變分布不均，因此降低了脹形系數（即擴徑率）的極限值。摩擦力對于應力應變分布不均的影響，除了摩擦系數的大小外，主要取決于鋼管管坯與扇形塊接觸包角β的大小，也就是取決于扇形塊的分瓣數量。若扇形塊的瓣數為N，則β＝2π／N，而管坯在分瓣間隙處，切向應力σθ必將大于分瓣塊中間的應力σθ′，即：

將此式按不同的摩擦系數作曲線分析（圖2）可知，隨著扇形塊的數量逐漸增多，應力的分布逐漸趨于均勻。但當扇形塊數量超過8～12瓣以后，曲線斜率顯著減小，再增多瓣數，并不能顯著改變的比值［1］。

圖2 不同摩擦系數下的曲線分析

其次，須考慮瓣數對摩擦副尺寸的影響。瓣數的增加，將使得外模邊緣尺寸變厚，從而可以通過適當減小外模厚度來增大錐體尺寸，增加摩擦副接觸面積。但對于小規(guī)格擴徑頭來說，瓣數的增加將導致擴徑頭各零件剛度的減小，增大零件破斷的風險。同時，瓣數的增加也將直接導致加工成本的增加。瓣數對摩擦副接觸面積的影響，需要根據不同結構的擴徑頭、不同規(guī)格來進行具體分析計算。

綜合考慮以上因素，沙市鋼管廠全部規(guī)格擴徑頭瓣數選擇如表1所示。

表1 擴徑頭瓣數選擇

2.2.2 摩擦副錐角α的選定

摩擦副錐角的大小需考慮以下因素：（1）鋼管擴徑力的大小，即擴徑時主油缸的工作壓力不得大于設計壓力；（2）確保返程時擴徑頭不會出現自鎖現象，造成對擴徑桿及主油缸的沖擊。

鋼管的擴徑力可由以下公式計算：

式中，σs為材料的屈服強度；ra、rb分別為鋼管的內、外半徑；L為擴徑長度；n為扇形塊瓣數；α為錐體錐角；μ為摩擦副間的摩擦系數。

摩擦副不發(fā)生自鎖的條件：

綜合考慮以上因素，一般選取錐體錐度K＝1∶6～1∶10。

3 潤滑方案的選定

擴徑頭摩擦副的良好潤滑是擴徑頭壽命的保障。在擴徑頭設計時，將充分考慮擴徑頭給油線路工作的可靠性，以保證擴徑頭摩擦副每步工作都能準確、定量給油。

擴徑頭的潤滑，均采用的是雙線式潤滑系統，目前的實施方案主要有兩種：采用管式分配器的外管路聯通方式、采用板式分配器的無管化通道聯通方式。

3.1 采用管式分配器的外管路聯通方式

采用管式分配器，通過硬管（銅管或鋼管）及相應的接頭與潤滑油源相連，并將潤滑油輸送至各潤滑點。

優(yōu)點：工件加工簡單，費用低廉，易于實現。缺點：油源與潤滑點之間的中間管路及接頭較多，相應的故障點多；外露式的管路在鋼管生產中易出現磨損或碰撞破裂而漏油的情況，不僅造成擴徑頭潤滑不良，而且維修極為不便。

3.2 采用板式分配器的無管化通道聯通方式

采用板式分配器，通過擴徑頭內部的潤滑通道將潤滑油輸送至各潤滑點，即擴徑頭錐體及潤滑環(huán)設計時，將所有的潤滑管路—從進油管到分配器進油口、分配器的出油口到擴徑頭的各潤滑點的連通—全部采用無管化的通道式連接。

優(yōu)點：避免了傳統管路式連接方式存在的配管困難、接頭連接處易漏油、油管易被外物損傷的問題。在生產使用中安裝方便、維修簡單、故障率低、潤滑可靠。缺點：內部通道加工較復雜，加工費用相對較高。

由于我廠鋼管生產方式是大規(guī)模流水作業(yè)方式，對機組的使用可靠性要求極高，且擴徑頭工件的加工成本與鋼管生產成本相比基本可以忽略，因此選定采用板式分配器的無管化的通道潤滑方案。

4 使用效果

根據以上研究成果，沙市鋼管廠為其從德國進口的擴徑機組配套研制了?508～559mm、?610～711mm、?762～914mm、?965～1 219mm、?1 219～1 422mm等各種規(guī)格的擴徑頭，并使用這些擴徑頭順利完成了“西氣東輸”、“川氣東送”、“廣州天然氣”及其他國家重點管道建設用20余萬噸鋼管生產任務。由這些擴徑頭生產出來的鋼管完全符合各種相關鋼管制造標準，而且從擴徑頭生產中使用情況來看，效果良好，完全可以媲美進口擴徑頭。

［1］胡世光，陳鶴崢.板料冷壓成形的工程解析［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.