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扩径机扩胀装置技术的优化设计

随着管道建设不断发展，制管技术及设备，装备也在不断推陈出新。

管的性能要求不断提高，向高强度，高韧性的方向发展，以及对钢管质量

要求不断提高，管线钢材不断发展，国内宝钢、武钢、鞍钢已大力投入研

制与开发高性能管线钢来满足国内需求，从X52-X80已研究成功，国外

已发展到X120[1，2]。要满足管道建设，提高制管的设备能力已经势在必

行。

机械扩径作为提高钢管的质量的一种较为关键的技术装备。其核心装

置，受载荷大，引起的应力复杂，这就需要设计人员提高设备性能，不断

进行技术革新，达到生产管道的工艺要求，达到效率要求，达到制作高性

能管道的要求。

2.技术说明

2.1机械式扩径机工作原理及扩径机头部结构示意

机械式扩径是一段一段地进行，所以钢管是分步送入扩径装置的，由

图1可知，机械式扩径机的关键部件——扩径装置是由拉杆往左移动，几

个斜块体向外扩展，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，从而与芯棒接触的一段钢管得到扩径，当拉杆与楔形体向右移

动时，钢管与芯棒脱离开，以实现再次送进，进行下一段钢管的扩径。

2.2扩径力的理论值的计算

扩径力的理论值计算公式1：P=2п.t.б.L（Tanа+и）.κ，P是扩径力，

t是管的壁厚，б是材料的屈服极限，L是扩径长度，а是锥体的角度，и

是垫板与锥体之间的摩擦系数（0.1-0.2），κ是经验值系数（0.8-1.2）

[4，5]。

例1：φ610×14.3，材质为X65的钢管，需要的扩径力为：

2×3.14×14.3×500（65×7约取大值500）×（400+80×0.8）×

（0.062+0.175）×1=***-*****约为494吨。

2.3扩径工作时的主动力参数

φ190拉杆的许用应力为：P1=M×Px，P1是拉杆的许用应力，M是

拉杆危险截面面积，Px是疲劳许用应力。（极限屈服/安全系数）

由此可知拉杆的许用应力为：

*****.34×900/3=***-*****约为535吨（这就是φ190拉杆的额定许用

应力）。

根据拉杆的许用应力来调整液压系统的压力，检验拉杆实际压力再次

调整液压系统的压力，避免浪费能量。

2.3.1油缸左进时的参数及受力分析

油缸步进工作时的主要受力零件为：胀块，锥头，拉杆，螺母，导向

盘，铜板，T型键等，基本为受挤压力，以535吨的力计算，完全不会产

生压扁的情况，拉杆螺母的受推，拉杆螺母的许用应力为：危险截面面积

×材料屈服极限=893吨，部件都在安全范围内使用。

2.3.2油缸右进退时的参数及受力分析

油缸后退工作时的主要受力零件为胀块短T型键，导向盘与套筒联接

螺丝，胀块与短T型键联接螺丝，拉杆螺母与锥头的联接螺丝等，主要是

克服角摩擦力的抱紧力，而产生的作用力，根据力的平衡公式2：

Pm=P1.и，Pm是角摩擦力，P1是拉杆的实际拉力，и是摩擦系数（0.1-

0.2）。

由此知道油缸后退时的力为：

535×0.2=10.7吨。

油缸步退工作的主要的受力零件，基本为受推力，以10.7吨的力计

算，部件完全在安全范围内使用。

3.优化设计

3.1部件的结构作用

主要部件分别为：胀块，锥头，拉杆和导向盘。其中胀块决定管的冷

变形后的形状；锥头实现胀块往外扩张；拉杆是实现左右移动的连接介

质；导向盘的主要作用是胀块的导向。

3.2各个部件的优化设计

参数与设计注意的事项如下

1.胀块的直线段长度（400工作长度），圆弧前过渡段长度（80为预

工作长度），后过渡段长度（20为整圆工作长度），等分数量，保证好扩

径力不超过535吨。

2.锥头的硬度层的厚度加大到3毫米以上，等分数量，表面硬度均匀

HRC60-62，加工圆弧油槽，摩擦副润滑均匀，锥面的光洁度0.8，每个锥

面达到的效果。

3.拉杆的理化性能要到达标准要求，不允许有任何裂纹，变径过渡要

有足够的应力分散设计（例如，圆弧过渡，圆锥过渡），螺纹底径要加工

较大圆弧过渡，表面的光洁度1.6，减少应力集中或缺陷导致断裂。

4.导向盘的每个导向角块的强度，导向