大直径钢管扩径设备扩径头设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 摘    要  机械扩径方式与液压扩径方式相比 ,不仅设备重量和外形尺寸大大减小、结构简单 ,而且在生产效率和产品质量方面优势更为突出 :生产大口径焊管效率高、扩径率可选范围大、钢管内径尺寸容易控制、钢管圆度好、管端形状和尺寸精度目前世界上最先进的几条大口径直缝焊管制管线扩径工序都是采用机械扩径方式。  本次设计的内容是 大直径钢管扩径设备扩径头，其整体结构由液压缸、机架、扩径装置组成。设计过程中首先，通过对 扩径头 结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对 机械式扩径 头进行 了设计与校核；最后，通过  装配图及主要零部件图。  通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。  关键词： 扩径头， 液压系统，液压缸 ，楔块  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 is a or of is in of of of of s a of is of to 要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 目   录  摘    要  . I . 一章  绪  论  . 1 究背景及意义 . 1 径机概述  . 1 要类型 . 1 作原理 . 1 径机的工作过程  . 2 内外扩径设备的发展现状  . 2 径设备的发展趋势  . 3 第二章  总体方案设计 . 4 计要求  . 4 径头总体结构方案设计  . 4 构及原理分析  . 4 径过程分析  . 4 构特点 . 5 压系统原理图拟定  . 5 压系统原理图  . 5 压系统动作分析  . 6 第三章  机械结构设计与校核  . 7 计计算  . 7 载分析 . 7 缸效率分析  . 8 统背压的选择  . 8 压缸缸径的确认  . 8 压缸导向长度的确认  . 9 塞宽度 B 的确定  . 9 体长度的确定  . 9 筒壁厚的计算  . 9 体外径尺寸的计算  . 10 核计算  . 10 塞杆强度和液压缸稳定性计算  . 10 筒壁厚的验算  .构设计  . 12 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 塞设计 . 12 封件的选用  . 12 塞杆的设计  . 13 冲装置和排气阀  . 14 度校核  . 16 缸强度计算  . 16 塞部分的强度计算  . 19 （ 1）活塞头部导向套计算  . 20 （ 2）活塞头部锁母螺纹应力计算  . 20 （ 3）活塞与活动横梁端面挤压应力  . 21 （ 4）活塞与扩径装置链接螺母计算  . 21 第四章  液压系统的设计 . 23 泵的选择  . 23 泵工作压力的确定  . 23 泵流量的确定  . 23 道尺寸的确定  . 23 压阀及辅助元件的选择  . 25 定液压油箱容积  . 26 定液压油液 . 26 压系统的验算 . 26 力损失的验算  . 26 热温升的验算  . 27 结  论  . 28 参考文献  . 29 致  谢  . 30 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第一章  绪  论  究背景 及意义  随着管道向高强度、高韧性的方向发展，以及对钢  管质量要求的不断提高，制管技术及装备也在不断推陈出新。扩径机作为其中极为关键的技术装备，  越来越多地得以运用。对焊接后的钢管扩径，可以消除变形，改善尺寸精度，提高钢管的平直度。并且消除残余应力，提高屈服强度。  目前钢管生产 中大都使用机械扩径。钢管扩径工艺和扩径机的设计制造在发达国家经  过多年研究和应用，已经取得比较好的结果，一台扩径机的使用寿命可达扩径万根以上。然而由于多种原因，大直径焊管扩径技术，尤其是扩径头技术，在我国  还未被大多数业内人士所了解和掌握。目前国内  有关扩径机技术力学建模和加工工艺方面的相关文章非常少。文中将分析当前国内机械式扩径机扩径头的  常见问题，并提出工艺方面的技术改进原理与方法。  该方案目前已经在湖北沙市钢管厂得到实际验证，取得了较为理想的效果。图中间是一个多棱锥体，外面有多个扇形瓣，锥体同定在液压 缸的活塞杆上。当锥体右移时，扇形瓣在锥  面上相对滑动，轴向定位而径向变化，这样扇形模片组  成的近似圆弧面直径可适当变大。准确控制锥体的伸  缩量可得到精确的胀环外径：扩径时扩径头伸进钢管一定长度后锥体右移，胀环变大使钢管在圆周模块作  用下内径被撑大。当超过弹性极限后材质发生塑性变  形，锥体停止移动并保持一段时间后再左移，涨环变小，扩径头退出钢管。此时钢管内径保持一恒定尺寸  且椭圆度有明显改善。钢管分步送入，扩径头逐段进行扩径（扩径长度一般为 最后完成全长钢管的扩径。  为了满足市场需要，大口径 直缝焊管生产线，填补了国内大口径直缝焊管生产的空白，大口径直缝焊管的扩径在消除钢管成型残余应力的同时对直缝焊管做了整形，使其直度，圆度，直径等更加理想，同时增强了钢管径向承载能力，国内外要求 管方法的的最后一道工序必须扩径，由于国内以前没有大口径直缝焊管，也没有扩径机，所以这方面的发展一直处于比较缓慢的状态。大口径直缝焊管在油气输送领域有着广泛的应用，通过研究大口径直缝焊管的机械扩径方法以及有限元仿真技术在大口径焊管机械扩径生产领域的应用 ,掌握制造大型直缝焊管的核心技术 机械扩径技术对发展我国管线钢 钢管制造业有着重要意义。  径机概述  要类型  目前世界上普遍采用的扩径机主要有机械式扩径机和液压式扩径机两种。由于液压式扩径机是以钢管的外径定径，给管道施工带来诸多不便，再加之生产时充水时间长、生产效率低，且投资大、模具多、更换规格时劳动强度较大，所以，自 20 世纪 90 年代以来，新建的大口径直缝埋弧焊管机组多采用机械式扩径机。  作原理  （ 1） 机械式扩径机的工作原理  图 1 由于机械式扩径是一段一段地进行的，所以钢管是分步送入 扩径头的。由图 1知，机械式扩径机的关键部件 扩径头是由几个扇形块组成的芯棒安装在楔形体上，而楔形体固定在液压缸的活塞杆上。当液压缸活塞和楔形体向右移动时，由于构成芯棒表面的扇形块向外扩展，使芯棒圆周增大。楔形体的力借助斜块通过扇形板作用在钢管上，从而使与芯棒接触的一段钢管得到扩径。当活塞和楔形体向左移动时，钢管与芯棒脱离开，以便再次送进，进行下一段钢管的扩径。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 图 1械式扩径机工作原理及头部结构示意  1 钢管 ； 2 楔形体 ； 3 斜块 ； 4 扇形块  （ 2） 液压式扩径机的工作原理  液压式扩径机是 通过内腔与钢管扩径尺寸一致的外模 * 分上下、或左右模两部分 + 将钢管包容其间，钢管两端密封，然后向其内部注入高压水使钢管膨胀变形，直至达到模具内腔尺寸，实现对钢管的扩径。  一般情况下，采用机械式和液压式扩径机的钢管扩胀率为直径的 径后钢管的壁厚减少约  长度减少   径机的工作过程  扩径机的工作过程如下：  （ 1） 焊管通过辊道送往扩径机，焊缝对准扩径  机模具上的槽，整个操作由操作人员通过闭环电视进行监控。监视器安装在主控制台上，电子控制杆将操作人员的指令传到定位驱动 系统上。  （ 2） 启动自动循环系统。  （ 3） 焊缝对中系统下落，已定位的钢管进入轴向输送钢管支撑辊，带有夹具的轴向进给小车向前，并牢牢地抓住钢管准备进给。  （ 4） 扩径头逐步送入钢管，钢管依序通过校直器。  （ 5） 钢管分步进行扩径及校直。  （ 6） 重复 （ 4） 和 （ 5） 的动作，直到钢管全部被扩径和校直。  （ 7） 钢管通过回缩的扩径头，返回到焊缝对中辊和轴向输送支撑辊的初始位置。  （ 8） 在轴向进给小车上的钢管被放开，退回到初始位置。  （ 9） 旋转辊升起钢管，拨料系统将钢管推到输出台架上。  内外扩径 设备的发展现状  在国外 ， 50 年代初，美国首先建成 产线 ,经过 70 年代的发展高峰期 ,目前全世界已经拥有 30条 中日本占有 6条 ,制品最大直径为  1626厚范围为 6. 450. 8 在国内，目前 ,我国油气管线工业已经得到了巨大发展。 21 世纪初期将是我国现代化油气长输管线和煤浆、矿浆输送管线建设的高峰期。我国  但是我们必须承认 ,这项工程建设尚且缺乏赖以发展的工艺技术基础。迄今为止我国在这方面的研究成果几乎为零 ,对大口径直缝焊管管坯成形工艺、焊管胀形工艺等诸多工艺技术问题都缺乏直接研究。面对这种现状 ,虽然我们可以借鉴国外经验 ,根据公开发表的技术资料确定成套机组的最大力能参数 ,制造出精良的生产设备 ,面对我国未来管线工业的建设需要、面对国际管线长输管线用管的发展趋势的现状 ,大直径直缝埋弧焊管不能自给的矛盾显得更加突出。如果这种现状不能得到改变 ,那么在新的管线建设高峰期间 ,即使主要采用螺旋焊管 ,也需要进口数以 10万吨计的直缝焊管。毋庸置疑 ,这将使我国制管工业蒙受巨大损失。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 径设备 的发展趋势  随着我国装备制造业的发 展，特别是结合国家重大装备研制与技术引进、技术改造，制造业总体工艺水平和综合制造能力得到了新的提高，从而为我国的工程机械制造注入了新的动力。我国已掌握了一批重大装备的成套制造工艺技术，如已形成了具有自主知识产权的大型发电设备成套焊接技术规范，突破了大型产品装配的高精度、高效率难关等。近些年来，卧式管端机械扩径机伴随中国经济的高速发展一直持续着增长的良好发展态势，特别是一大批国内企业的崛起，加快了工程机械及其零部件自主创新的步伐，虽然期间也借助了外资的力量，但目前我国工程机械行业的自主创新能力是不容忽视的。通 过对工艺技术基础的系统研究 ,获得一系列对制定 计 无疑把我国大直径直缝焊管制造业推向向一个新的台阶。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第二章  总体 方案 设计  计要求  试设计一台钢管扩径设备的扩径头，其主要目的是完成扩径机的径向扩径动作，根据方案对比，确定设计的结构方案，通过计算分析，完成扩径头部分的机械结构及其驱动系统设计。  设计参数要求如下：  （ 1）钢管管材： 450s ；  （ 2）最大负载 F=1100 吨；  （ 3）最初管径的最大椭圆度为： 20 （ 4）管径误差在周长方向为 5 （ 5）管径表面划伤不能超过  （ 6）一次扩径行程为： 600 （ 7）最大速度： 110 mm/s；  （ 8）钢管直径： 559864厚 管长度： 6m 径 头总体 结构 方案 设计  构及原理分析  由于液压式扩径机是以钢管的外径定径，给管道施工带来诸多不便，再加之生产时充水时间长、生产效率低，且投资大、模具多、更换规格时劳动强度较大，所以 ，自 20 世纪 90 年代以来，新建的大口径直缝埋弧焊管机组多采用机械式扩径机， 本次 也 选用机械式扩径头 。  机械式扩径 头 的工作原理 为： 扩径头是由几个扇形块组成的芯棒安装在楔形体上，而楔形体固定在液压缸的活塞杆上。当液压缸活塞和楔形体向右移动时，由于构成芯棒表面的扇形块向外扩展，使芯棒圆周增大。楔形体的力借助斜块通过扇形板作用在钢管上，从而使与芯棒接触的一段钢管得到扩径。当活塞和楔形体向左移动时，钢管与芯棒脱离开，以便再次送进，进行下一段钢管的扩径。  扩径 头 的结构简图如图 2        图 2径机结构示意图  径过程分析  如图 2工艺为：机械扩径利用扩径机端部的分瓣的扇形块沿径向扩张，使管坯沿长度方向以步进方式，分段实现全管长塑性变形的过程。分为 5个阶段：  （ 1） 初步整圆阶段。扇形块打开直到所有扇形块都接触到钢管内壁，此时步长范围内钢管内圆管中各点半径大小都几乎一致，钢管得到初步整圆。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 （ 2） 名义内径阶段。扇形块从前段位置开始降低运动速度，直到抵达要求位置 ，这个位置是质量要求的成品管内圆周位置。  （ 3） 弹复补偿阶段。扇形块在 2阶段的位置开始进一步将低速度，直到抵达要求位置，这个位置是工艺设计要求的弹复前钢管内圆周位置。  （ 4） 保压稳定阶段。扇形块在弹复前钢管内圆周位置一段时间保持不动，这是设备和扩径工艺要求的保压稳定阶段。  （ 5） 卸荷回归阶段。扇形块从弹复前钢管内圆周位置开始迅速回缩，直到抵达初始扩径的位置，这是扩径工艺要求的扇形块最小收缩直径。  构特点  （ 1） 液压缸提供动力  扩径机的设计过程中要考虑扩径的力合扩径的速度是否合理，所以采用液压缸 作为驱动单元的设计具有以下特点：   液压缸的进给速度可调   液压缸的工作压力可调  （ 20液压系统  为避免因高温辐射产生爆管现象，液压系统中没有相对运动的部件之间的管路连接采用硬管，有相对运动的部件之间的管路连接则采用耐高温胶管。该液压系统选用齿轮泵，采用气控液形式，成本低，安全可靠，便于使用维护。  压 系统 原理图 拟定  根据扩径机的结构特点，我们拟定如图 2图 2 扩径机液压系统原理图  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 12345溢流阀， 6 78 91011 12131415作分析  A:启动：电磁铁全断电，主泵卸荷。主泵（恒功率输出）电液压换向阀 8的 T B：快进：液压缸 15 活塞快速下行： 15电，电磁铁换向阀 7 接通液控单向阀 18 的控制油路，打开液控单向阀 11，  进油路：主泵 1 电液换向阀 7 单向阀 11液压缸 15 回油路：液压缸 15下腔  液控单向阀 11电 液换向阀 7 C：工进：  液压缸 15接触工件慢速下行：（增压下行）液压缸活塞碰行程开关 25断经液控单向阀 11快速回油通路：液压缸 15下腔顺序阀 14电液换向阀 7T D：保压：液压缸 15 上腔压力升高达到预调压力，压力继电器发出信息， 1电，液压缸 15进口油路切断，单向阀 8的高密封性能确保液压缸 15 活塞对工件保压。主泵（恒功率输出）主泵  电液压换向阀 7的  E：保压结束，泄压，液压缸 15回程：时间继电器发出信息， 1压缸 15上腔压力很高，外控顺序 阀 14，使主泵 1电液压换向阀 9吸入阀的控制油路由于大部分油液经外控顺序阀14流回油箱，打开吸入阀的卸荷阀 10，实现液压缸 15 上腔（只有极少部分油液经卸荷阀口回油箱）先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时：主泵 1大部分油液电液压换向阀 7外控顺序阀 T。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第三章  机械结构设计与校核  计计算  扩径机油缸额定工作压力： 20缸推力： 1000压缸行程拟定： 400负载分析  图 3液压缸工作原理简图  油缸实际推力公式：  F=  +      (3式中 即为顶出力；   动时为静摩擦阻力。启动后为动摩擦阻力  摩擦负载计算公式：  = f( G +         (3 式中 系统中为零；  摩擦系数取 摩擦系数为  由于本系统液压缸为垂直安装，摩擦负载为 0 惯性负载计算公式：   =         (3式中    g 重力加速度  t 加速或减速时间，一般 t 时间内的速度变化量。  本系统中，在支腿下降过程并没有载重过程，系统此时压力机会为 0，即惯性负载为 0。  根据上述计算结果，列出各工作阶段所 受的外负载  求的  F= 5T=450000N 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 油缸的效率 由以下三种效率组成：  由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取 m =由各密封件泄露所造成，通常容积效率 v 为：  装弹性体密封圈时    v 1 装活塞环时          v 由出油口背压所产生的反作用力而造成。  一般取 d =以   m=    v=1    d=效率为 0 . 8m v d 。  系统被压如表 3表 3行元件背压力  系统类型  背压力  P/单系统或轻载节流调速系统  油路带调速阀的系统  油路设置有背压阀的系统  补油泵的闭式回路  油路较复杂的工程机械  3 回油路较短，且直接回 油箱  可忽略不计  按表 3 液压缸缸径的确认  221 c  1 =271于上述计算是在 20了保证油缸的推力能够达到要求，一般选大一号油缸，本系统选用油缸缸径为 320     表 3压缸内径尺寸系列（   8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 280 320      表 3塞杆直径系列（  4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 160 180        根据表 3缸有： D=140d=180此求得液压缸面积的实际有效面积为：   2D =  4 ）d（2 D =向长度的确认  当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为 H，称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。  图 3对一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足：   4 0 0 3 2 0 1802 0 2 2 0 2m m m m 式中： l 液压缸的最大行程 ( 设计要求 l =400 液压缸内径 (取 H=180活塞宽度 B 的确定  活塞的宽度 B 一般取 B =（ D  即 B =（  320=（ 180 B =173缸体长度的确定  液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程 L 与活塞宽度 B 的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径 D 的 20 在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。  当 时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为   （ 3        式中，  缸筒内最高压力；   缸筒材料的许用压力。 = /b n , b 为材料的抗拉强度， n 为安全系数，当需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 时，一般取 5n 。  当 0  0 时 ,按式（ 3算   m a xm a 3 3    (该设计采用无缝钢管 )             （ 3 根据缸径查手册预取 =30 此时 300 . 0 8 0 . 3 0 . 3100D 最高允许压力一般是额定压力的 据给定参数 20P ，所以：  20 0 =100 110无缝钢管），取 =100其壁厚按公式（ 3算为   m a xm a  3 2 0 4 3 . 72 . 3 3 2 . 3 1 0 0 - 3 1 5pD 满足要求，就取壁厚为 50 缸体外径 1 2 1 4 0 2 2 7 1 9 4D D m m 查机械手册表：外径 1D 取 194核计算   活塞杆强度计算  活塞杆的直径 d 按下式进行校核  4        (3   式中， F 为活塞杆上的作用力；   为活塞杆材料的许用应力， = /b n , 364 1 0 0 0 1 01 8 0 1 4 33 . 1 4 5 9 8 1 0 / 1 . 4d m m m m 满足要求 &nbs