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1、质量管理2001年第1期铁道技术监督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,弯管质量的不均,这就是常见缺陷(如图2所示)产生的根本原好坏,将直接影响行业产品的结构合理性、安全性及因;薄壁钢管弯曲时比普通钢管更易产生缺陷。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
2、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的薄壁钢管图2管子弯曲的常见缺陷实施弯曲加工,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2弯管方式性层的外侧的管壁受拉力应力σ1作用,中性层内侧传统的弯管方式,分管子外加以限制,管子内加管壁受压应力σ2作用;在截面上受力如图1b所示,以限制及管子内外加以限制三种方式。薄壁钢管弯沿管子弯曲半径的方向上受力F1和F2,使截面半曲时,由于其壁薄,横向的刚性比普通钢管稍差,更径减小,另一方向上受力F3与
3、F4,使该管子半径增易产生缺陷,另外薄壁管一般既要满足功能要求,又大。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:实现内部限制的方法有图1a管子弯曲时的受力情况图1b管子弯曲时的节面变形添充粉物、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。所从图1可以看出,管材弯曲受力比板料弯
4、曲受谓有芯弯管(如图3所示),就是当被弯制的管子相力复杂得多,在σ2的作用下,内侧壁的纤维受压缩,对半径R/D或相对壁厚S/D较小时,为了获得高质应变中性层内移,材料向圆管中心移动,使内壁径向量的管件,在管子被弯制的过程中,在其内部插入一压应力增加,而发生失稳起皱、打折、横断面变扁;在σ根合适的芯杆,用于防止管子弯曲时圆弧处变扁、打1的作用下圆管外侧径向纤维沿纵向受拉,材料的折、起皱现象的一种方法。中性层内移,造成塌角、拉裂、横断面畸变产生壁厚—27—铁道技术监督2001年第1期质量管理3.3.1球
5、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,而且也不便穿图3有芯弯管示意图入管子。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
6、导向模设计球节时,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;再根据球节联节后,在2.2芯杆的选择管子受拉及受压后变形程度最大曲线组成的平面即一般情况下,芯杆分为两大类,硬芯杆、柔性内,球节最大弦长之和等于球节对应的管子弯曲中芯杆(它在弯曲过程中能随管子同步弯曲),对于不心弧长,在球节放成管子弯曲状态时,各球节小端球同相对弯曲半径或相对壁厚和管件,及不同的零件节最小弦长以及自然相接的原则,确定球节数。技术要求,应选择不同类型的芯杆。可根据具体零对于薄壁钢管来说,根据国内外相关力学试验件的相
7、对弯曲半径R/D或相对辟厚S/D,弯曲角度资料看,在钢管弯曲时管子内限制高低点之差不大a的数值大小进行选择。于壁厚一定倍数且量便支撑点距离在壁厚一定倍数对于薄壁钢管一般要采用柔性芯杆。范围时,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3柔性芯杆的设计内径为D的薄壁钢管实施弯曲,弯曲角度为a,弯曲3.1球窝管关节链式柔性芯杆的特点内圆弧半径为R,确定球节参数的部分计算如下:柔性芯杆的设计不仅要考虑它的功能性,还要①确定球节直径d=0.95～0.98D,试
8、取节数n考虑它的工艺性及使用维修的便捷性,本文针对薄(球节数要圆整为几个或几个半)壁管的弯曲提出一种球窝管关节链式柔性芯杆,它②以管子的弯曲角度a确定每个球节小端对应综合传统柔性芯杆的优点于一体,具有以下特点:的弯曲角度β=a/na.易于放入管子内并能充实管子,弯曲后易取③球节小端的弦长出;L1=(d/2)×sin(180-β/2-arcsinr)b.芯杆有足够的刚性,保证了管子弯曲后的横r=〔2×(s+D/2)〕/×sin(β/2)断面基本保持圆形;④球节大端的弦长
