基于SolidWorks Simulation的管端定径机的研究与分析

    在地质钻探、石油钻采等管线中，管端加工(pipe end machining)是对钢管端部进行车螺纹、定径、加厚、强化热处理、倒棱等工序。钢管端部在车丝前通常经过的机加工序包括：切管、车外圆、镗孔、倒棱和端面加工。经过管端定径后的套管，端部车丝时的黑皮扣（留有漏车表面的丝扣）数量减少，提高成材率。

    是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，并广泛用于机械设计和机械制造行业，主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、Simulation有限元高级分析技术和钣金制作等模块，功能强大，完全满足机械设计的需要。

    传统的管端定径机设计是在经验的基础上，采取理论设计计算加经验安全系数的方法确定关键件参数，因而导致设备体积庞大、重量增加、成本剧增。本文首先通过的CAD系统构建管端定径机三维模型，其次根据实际因素简化模型，然后导入到 Simulation有限元高级分析模块完成设计分析，最后基于实际模型和软件结果，在设计经验基础上完成产品设计和最终优化。

1 管端定径机结构

    如图1所示，工作时天车将待定径钢管运送到主机外部上料台架，上料台架辊道将钢管运送到管端定径机工位，主动电机带动升降辊道升起将减速钢管运送到管端定径机内，升降挡板升起将钢管轴向定位，然后升降挡板/升降辊道降下，夹紧装置通过其上装配的夹具将钢管夹紧，主油缸装配中主油缸带动磨具和导向装置在导柱上动作完成钢管一端内定径或外定径工作，此后夹紧装置打开，升降辊道升起将钢管拖出，升降挡板升起准备下一工序，最后由主机外部料钩将钢管移送到收集台架，完成整套管端定径工序。

    图1 管端定径机构成原理

2 管端定径参数

    钢管外径：Φ200～800mm

    钢管壁厚：10～40mm

    钢管长度：6000～15000(±500)mm

    钢管最大屈服强度：1138MPa

    管端加工长度：所有规格扩口400mm；管径＞400 mm时收口15mm，管径＜400mm时收口20mm，收口斜度都为5°。

3 管端定径机模型构建与简化及CAE结构分析

    3.1 管端定径机结构分析

    根据管端定径机工艺分析，其难度主要为：主油缸装配中主油缸/夹紧装置中夹紧油缸参数选取、导柱螺纹处应力分布，而最终归根于钢管定径中钢管的非线性屈服变形和夹紧装置中夹具的轴向摩擦力难以确定。在传统的设计中，采用简单的理论设计计算加经验安全系数的方法确定关键件，因而导致设备体积庞大、重量增加、成本剧增。