1、薄 壁 钢 管 弯 曲 过 程 论 证 及 杆 芯 的 优 化 设 计高 跃 凤(北 京 铁 路 信 号 工 厂 )无 缝 薄 壁 钢 管 广 泛 应 用 于 制 造 业 ,弯 管 质 量 的好 坏 ,将 直 接 影 响 行 业 产 品 的 结 构 合 理 性 、 安 全 性 及可 靠 性 。 因 此 ,为 制 造 出 高 质 量 的 管 件 ,对 钢 管 弯 曲过 程 的 受 力 情 况 进 行 分 析 、 选 择 适 当 的 弯 管 方 式 、 设计 合 适 的 芯 杆 非 常 必 要 。本 文 对 弯 管 常 见 缺 陷 产 生 的 根 本 原 因 进 行 分析 ,提 出 一 种 球 窝
2、 关 节 链 式 柔 性 芯 杆 弯 制 薄 壁 钢 管的 设 计 方 法 ,经 初 步 实 验 ,能 够 解 决 薄 壁 管 子 弯 曲 时出 现 的 缺 陷 。1 管 材 弯 曲 的 缺 陷 分 析假 设 我 们 要 对 外 径 为 D、 壁 厚 为 S 的 薄 壁 钢 管实 施 弯 曲 加 工 ,在 纯 弯 曲 的 情 况 下 ,管 子 受 外 力 矩M 的 作 用 发 生 弯 曲 时 ,其 受 力 状 况 如 图 1a 所 示 ,中性 层 的 外 侧 的 管 壁 受 拉 力 应 力 1 作 用 ,中 性 层 内 侧管 壁 受 压 应 力 2 作 用 ;在 截 面 上 受 力 如 图 1
3、b 所 示 ,沿 管 子 弯 曲 半 径 的 方 向 上 受 力 F1 和 F2 ,使 截 面 半径 减 小 ,另 一 方 向 上 受 力 F3 与 F4 ,使 该 管 子 半 径 增大 。图 1a 管 子 弯 曲 时 的 受 力 情 况 图 1b 管 子 弯 曲 时 的 节 面 变 形从 图 1 可 以 看 出 ,管 材 弯 曲 受 力 比 板 料 弯 曲 受力 复 杂 得 多 ,在 2 的 作 用 下 ,内 侧 壁 的 纤 维 受 压 缩 ,应 变 中 性 层 内 移 ,材 料 向 圆 管 中 心 移 动 ,使 内 壁 径 向压 应 力 增 加 ,而 发 生 失 稳 起 皱 、 打 折 、
4、 横 断 面 变 扁 ;在 1 的 作 用 下 圆 管 外 侧 径 向 纤 维 沿 纵 向 受 拉 ,材 料 的中 性 层 内 移 ,造 成 塌 角 、 拉 裂 、 横 断 面 畸 变 产 生 壁 厚不 均 ,这 就 是 常 见 缺 陷 (如 图 2 所 示 ) 产 生 的 根 本 原因 ;薄 壁 钢 管 弯 曲 时 比 普 通 钢 管 更 易 产 生 缺 陷 。图 2 管 子 弯 曲 的 常 见 缺 陷2 弯 管 方 式传 统 的 弯 管 方 式 ,分 管 子 外 加 以 限 制 ,管 子 内 加以 限 制 及 管 子 内 外 加 以 限 制 三 种 方 式 。 薄 壁 钢 管 弯曲 时 ,
5、由 于 其 壁 薄 ,横 向 的 刚 性 比 普 通 钢 管 稍 差 ,更易 产 生 缺 陷 ,另 外 薄 壁 管 一 般 既 要 满 足 功 能 要 求 ,又要 满 足 一 定 的 外 观 要 求 ,因 此 ,必 须 选 择 内 外 都 有 限制 的 弯 管 方 式 。2. 1 内 外 都 有 限 制 的 弯 管 方 式 的 实 现 方 案2. 1. 1 管 子 外 部 限 制 方 式 :管 子 弯 曲 时 ,圆 弧 内 侧采 取 弯 管 模 盘 ,外 侧 采 用 夹 紧 块 ,按 使 用 要 求 根 据 机械 常 规 设 计 即 可 ;2. 1. 2 管 子 内 部 限 制 方 式 :实
6、现 内 部 限 制 的 方 法 有添 充 粉 物 、 通 过 液 体 加 压 、 放 入 芯 杆 这 几 种 方 法 ,其中 有 芯 杆 的 弯 曲 方 法 是 最 常 用 的 有 效 方 法 之 一 。 所谓 有 芯 弯 管 (如 图 3 所 示 ) ,就 是 当 被 弯 制 的 管 子 相对 半 径 R/ D 或 相 对 壁 厚 S/ D 较 小 时 ,为 了 获 得 高 质量 的 管 件 ,在 管 子 被 弯 制 的 过 程 中 ,在 其 内 部 插 入 一根 合 适 的 芯 杆 ,用 于 防 止 管 子 弯 曲 时 圆 弧 处 变 扁 、 打折 、 起 皱 现 象 的 一 种 方 法
7、。72质 量 管 理 2001 年 第 1 期 铁 道 技 术 监 督图 3 有 芯 弯 管 示 意 图1 - 弯 管 模 盘 2 - 芯 杆 头 3 - 防 皱 块 4 - 管 子 5 - 辅 助 杆6 - 夹 紧 块 7 - 压 力 导 向 模2. 2 芯 杆 的 选 择即 一 般 情 况 下 ,芯 杆 分 为 两 大 类 ,硬 芯 杆 、 柔 性芯 杆 (它 在 弯 曲 过 程 中 能 随 管 子 同 步 弯 曲 ) ,对 于 不同 相 对 弯 曲 半 径 或 相 对 壁 厚 和 管 件 ,及 不 同 的 零 件技 术 要 求 ,应 选 择 不 同 类 型 的 芯 杆 。 可 根 据 具
8、 体 零件 的 相 对 弯 曲 半 径 R/ D 或 相 对 辟 厚 S/ D ,弯 曲 角 度a 的 数 值 大 小 进 行 选 择 。对 于 薄 壁 钢 管 一 般 要 采 用 柔 性 芯 杆 。3 柔 性 芯 杆 的 设 计3. 1 球 窝 管 关 节 链 式 柔 性 芯 杆 的 特 点柔 性 芯 杆 的 设 计 不 仅 要 考 虑 它 的 功 能 性 ,还 要考 虑 它 的 工 艺 性 及 使 用 维 修 的 便 捷 性 ,本 文 针 对 薄壁 管 的 弯 曲 提 出 一 种 球 窝 管 关 节 链 式 柔 性 芯 杆 ,它综 合 传 统 柔 性 芯 杆 的 优 点 于 一 体 ,具
9、有 以 下 特 点 :a.易 于 放 入 管 子 内 并 能 充 实 管 子 ,弯 曲 后 易 取出 ;b. 芯 杆 有 足 够 的 刚 性 ,保 证 了 管 子 弯 曲 后 的 横断 面 基 本 保 持 圆 形 ;c. 具 有 和 被 弯 管 子 相 同 的 或 更 的 柔 性 。3. 2 球 窝 关 节 链 式 柔 性 芯 秆 组 成柔 性 芯 杆 由 球 窝 节 、 片 式 关 节 链 、 连 接 轴 、 辅 助杆 四 部 分 组 成 。 球 窝 节 为 管 子 内 径 保 持 较 好 截 面 提供 可 阻 止 管 子 变 曲 外 侧 的 塌 陷 及 内 侧 向 管 内 折 ;片式 管
10、节 链 于 联 接 球 窝 节 ,具 有 功 能 要 求 的 灵 活 性 及组 装 要 求 的 良 好 性 ,辅 助 杆 起 着 帮 助 工 作 部 分 进 退管 子 的 作 用 。3. 3 球 窝 关 节 链 式 柔 性 芯 杆 的 设 计3. 3. 1 球 窝 关 节 的 设 计球 窝 关 节 的 直 径 与 管 子 内 壁 间 的 间 隙 是 影 响 弯管 质 量 的 主 要 因 素 。 若 球 节 直 径 偏 小 ,弯 曲 时 圆 弧内 侧 会 产 生 波 形 皱 折 、 外 侧 起 不 到 防 止 圆 弧 变 扁 的作 用 ,若 直 径 偏 大 管 子 里 面 会 被 拉 伤 ,圆
11、弧 外 侧 可 能会 破 裂 ,球 节 数 量 多 少 也 是 影 响 弯 管 质 量 的 重 要 因素 。 如 果 节 数 太 少 ,则 球 节 直 径 与 管 子 之 间 间 隙 值在 最 高 点 与 最 低 点 差 别 较 大 ,不 能 阻 止 圆 弧 内 侧 内折 ,达 不 到 预 期 效 果 ;若 节 数 太 多 使 轴 向 尺 寸 减 少 过多 ,制 造 困 难 ,球 节 间 的 连 接 也 困 难 ,而 且 也 不 便 穿入 管 子 。设 计 球 节 时 ,应 首 先 根 据 球 节 与 管 子 内 壁 的 合理 间 隙 确 定 适 合 的 球 节 直 径 ;再 根 据 球 节
12、联 节 后 ,在管 子 受 拉 及 受 压 后 变 形 程 度 最 大 曲 线 组 成 的 平 面内 ,球 节 最 大 弦 长 之 和 等 于 球 节 对 应 的 管 子 弯 曲 中心 弧 长 ,在 球 节 放 成 管 子 弯 曲 状 态 时 ,各 球 节 小 端 球节 最 小 弦 长 以 及 自 然 相 接 的 原 则 ,确 定 球 节 数 。对 于 薄 壁 钢 管 来 说 ,根 据 国 内 外 相 关 力 学 试 验资 料 看 ,在 钢 管 弯 曲 时 管 子 内 限 制 高 低 点 之 差 不 大于 壁 厚 一 定 倍 数 且 量 便 支 撑 点 距 离 在 壁 厚 一 定 倍 数范 围
13、 时 ,弯 曲 内 侧 不 会 内 陷 ;管 子 里 面 的 芯 杆 直 径 为弯 管 内 径 0. 95 0. 98 倍 ,选 择 球 节 数 量 适 当 时 ,管内 径 为 D 的 薄 壁 钢 管 实 施 弯 曲 ,弯 曲 角 度 为 a ,弯 曲内 圆 弧 半 径 为 R ,确 定 球 节 参 数 的 部 分 计 算 如 下 : 确 定 球 节 直 径 d = 0. 95 0. 98D ,试 取 节 数 n(球 节 数 要 圆 整 为 几 个 或 几 个 半 ) 以 管 子 的 弯 曲 角 度 a 确 定 每 个 球 节 小 端 对 应的 弯 曲 角 度 = a/ n 球 节 小 端 的
14、 弦 长L1 = (d/ 2) sin (180 - / 2 - arcsinr)r = 2 (s + D/ 2) / sin ( / 2) 球 节 大 端 的 弦 长 最 大 值L2 = 2 (R + s + D/ 2) sin ( / 2)3. 3. 2 片 式 关 节 链 的 设 计片 式 关 节 链 的 设 计 主 要 考 虑 其 孔 心 距 ,其 它 参数 如 强 度 、 轴 向 及 径 向 的 配 合 ,按 机 械 常 规 设 计 即可 。 片 式 关 节 链 的 孔 心 距 ,由 球 窝 节 的 数 量 、 管 子 弯曲 角 度 及 半 径 求 得 L = 2 (R + s + D/ 2) sin (a/ n) 。3. 3. 3 辅 助 杆 设 计根 据 球 节 的 参 数 及 机 械 常 规 设 计 即 可 。(收 稿 日 期 2000 - 07 - 16)82铁 道 技 术 监 督 2001 年 第 1 期 质 量 管 理
