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        新型8 MN/3 MN 鋼管管端加厚機(jī)的開發(fā)

        2020-09-02 03:54:26程斯祥馬海寬李培力谷瑞杰任明杰秦偉超
        鋼管 2020年2期

        程斯祥,焦 悅,馬海寬,李培力,谷瑞杰,任明杰,秦偉超

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

        近年來,隨著石油勘探開發(fā)的難度增大,對(duì)加厚油管的需求量越來越大。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

        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。

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