一種創新型擴徑頭加載實驗裝置與液壓系統設計

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(武漢科技大學 機械自動化學院， 湖北 武漢 430081)

引言

擴徑頭是鋼管擴徑機上的核心部件，對鋼管的質量起決定性作用。近幾年，國內陸續出現了多家自主生產制造擴徑頭的公司，由于在價格和供貨周期上的優勢，逐漸受到各大鋼管廠的青睞。然而，國產擴徑頭在工藝質量以及使用壽命等方面，相比進口產品仍然有很大的提升空間。由于實驗條件的制約，擴徑頭在出廠前，一般只在空載情況下進行基本的功能性實驗，無法模擬現場工況進行加載實驗。為尋求擴徑頭的研發與改造依據，只能借助鋼管的實際生產來充當擴徑頭的實驗平臺。但是，由于生產的需要，在鋼管擴徑現場往往不方便進行研發性的重復實驗，并且難以實現特定的測試項目。因此，單獨設計一套擴徑頭加載實驗裝置具有重要的實際意義。

1 機械擴徑簡介

機械擴徑能夠提高鋼管尺寸精度、消除殘余應力，工作原理如圖1所示。內錐體與拉桿相連，擴徑模具一般由8～12個扇形塊在圓周方向均勻布置構成，在內錐體和扇形塊之間裝有斜塊。擴徑時，拉桿帶動內錐體向左運動，使得扇形塊向外脹開，拉桿的拉力通過內錐體傳遞到斜塊和扇形塊，并作用在與扇形塊接觸的一段鋼管內表面上，形成擴徑力。當完成擴徑時，拉桿向右運動，扇形塊借助彈簧力徑向收縮，與鋼管內壁脫離。隨后鋼管步進，以便進行下一段的擴徑。如此往復多步，即完成整根鋼管的擴徑。

1.拉桿 2.保護套 3.聯接件 4.鋼管 5.扇形塊 6.斜塊 7.內錐體圖1 機械擴徑原理示意圖

2 液壓加載裝置設計

根據擴徑頭的工作特性，在加載實驗中需要對其進行周向固定。傳統的機械加載采用的是強度極高的鋼筒，如圖2a所示，然而由于擴徑頭規格尺寸多樣，往往需要準備多種規格的鋼筒與之對應，并且在實驗過程中，更換頻繁，耗時費力。

此外，有人提出了在圓周方向均勻布置多個液壓缸的方案，如圖2b所示，這樣一來，可對不同的擴徑頭在工作行程的任意位置進行加載，省去了頻繁更換加載工具的麻煩。然而，這種加載方式不能夠真實地模擬出鋼管對擴徑頭的作用，并且由于多缸對稱擺放和同步控制上的困難，勢必會造成加載力不對稱的情況發生。

圖2 傳統的擴徑頭加載方式

為了改善以上加載方式的不足，亟待提出一種既能夠真實地模擬現場工況，又能夠方便操作的解決方案。分析擴徑頭的工作特性可知，擴徑模具的水平自由度被約束，通過內錐體對外部的作用，將內錐體的水平位移轉變為擴徑模具的徑向擴張位移。由此得到啟發：可設計一個加載裝置，如圖3所示，該加載裝置的內錐體由部件2可伸縮鋼筒和部件3圓周方向均勻布置的多個斜塊構成, 中間用來放擴徑頭，并保證擴徑頭與加載裝置的中心線重合。對內錐體的水平自由度進行約束，通過外部對內錐體的作用，將部件4(暫且命名為鋼盆)的水平位移轉變為內錐體的徑向收縮位移，陰影部分表示該部件受水平約束的作用。外部的缸盆與橫桿連接，加載裝置驅動缸提供液壓力，使得缸盆水平移動，調整內錐體的內徑d。調定好位置后，鋼盆固定不動，從而實現對擴徑頭在工作行程的特定位置進行均勻的徑向加載。

1.擴徑頭 2.可伸縮鋼筒 3.斜塊 4.鋼盆 5.橫桿 圖3 創新型液壓加載裝置示意圖

3 液壓系統設計

3.1 實驗目的與要求

進行加載實驗的目的是為了在不同的負載工況下，從結構、潤滑條件、材料及熱處理工藝等方面探究擴徑頭的工作性能。區別于通常意義上的加載實驗，這里的被試對象不是液壓缸，而是擴徑頭。由于作用力是相互的，有多少擴徑力作用在加載裝置上，就有多少力反作用在擴徑頭上。因此，加載裝置只需要固定住，而不需要出力，對擴徑頭驅動缸進行壓力控制才是實驗的關鍵。

液壓系統中有兩個執行元件，分別是擴徑頭驅動缸和加載裝置驅動缸。實驗對擴徑頭的速度要求不高，拉力應能夠達到目前擴徑機的最大噸位——1500 t，擴徑頭驅動缸可參照擴徑機液壓缸進行設計。加載裝置能夠實現水平方向的來回運動，并且在定位以后具有鎖緊功能即可。

3.2 總體方案設計

由于兩個執行機構不同時進行工作，因此可以共用一套液壓動力源進行切換。由于系統沒有快速響應的要求，動力源采用交流伺服電動機驅動定量泵的配置方式實現直驅式容積控制。同時，在泵出口處增設壓力閉環，對系統壓力進行精確控制，負載需要多少壓力，動力源就提供多少壓力，從而避免了在高壓下產生大量的溢流損失。另外，由于伺服電動機具有良好的啟停特性，可實現隨開隨用、隨關隨停，使用方便。因此，該動力源配置方式既能夠滿足實驗要求，又具有良好的節能效果。

實驗過程中，為了提供高壓，回路中采用增壓缸進行增壓；為了提高實驗效率，空行程時采用差動連接快進，因此該系統能量利用率高。

3.3 液壓系統原理與功能的實現

如圖4所示，首先擴徑頭驅動缸不工作，電磁換向閥6處于中位，液壓泵向加載裝置驅動缸供油。電磁換向閥7右位接通時，活塞向右運動，內徑d增大；左位接通時，活塞向左運動，內徑d減小。通過位移傳感器15檢測當前位置，若到達指定位置，電磁換向閥7回到中位，液壓鎖10將加載裝置鎖緊。

1.直驅泵組 2.單向閥 3～5.安全閥 6、7.三位四通電磁換向閥 8、9.二位三通電磁換向閥 10.液壓鎖 11.增壓缸 12.擴徑頭驅動缸 13.加載裝置驅動缸 14、15.位移傳感器圖4 加載實驗裝置液壓系統原理圖

當加載裝置內徑尺寸調定后，擴徑頭驅動缸開始工作，位移傳感器14檢測其當前位置并根據擴徑頭的錐度比換算成外徑參與控制。實驗過程中，擴徑頭的運行情況如下：

(1) 快進：在擴徑頭外徑達到d之前，液壓油通過閥6、8向大腔進油，小腔的回油從閥9回到進油油路實現差動；

(2) 慢進：設置一個比d小一定余量的位置d0作為慢進位置，當擴徑頭到達此位置時，差動連接被切斷，準備進入加載階段；

(3) 加載：設置一個壓力值p0，當擴徑頭與加載裝置接觸，泵出口壓力升高，壓力傳感器反饋的壓力信號達到p0，閥8通電，進油路切換為用增壓缸進行增壓；

(4) 返程：當完成加載后，閥6反向，增壓缸活塞進行復位；

(5) 快退：增壓缸回到起始位置，觸動行程開關使閥8斷電，擴徑頭驅動缸大腔中的油液流回油箱。至此，完成了一次擴徑頭加載實驗。

4 結論

隨著我國機械擴徑工藝的快速發展，國產擴徑頭也逐漸向標準化、系列化的方向發展。應用本研究提出的加載裝置與實驗方案可以針對不同規格種類的擴徑頭，方便地獲取不同的擴徑工藝參數對應的工作性能，并建立系統的擴徑工藝數據庫，為掌握先進的擴徑技術奠定了基礎。

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