大型管件三点弯曲过弯矫直智能化控制策略

摘要

本发明涉及一种大型管件三点弯曲过弯矫直智能化控制策略，其特征是：一次测量管件的初始挠度，通过分析厂家的设备条件，即可给出相应的矫直策略，该策略包含矫直次数，及对应每次矫直支点、压点的位置和相应的矫直载荷，采用该策略对管件进行矫直，可将其直线度修正到要求以内。并且可以根据矫直数据，得到该管件的真实材料性能参数，从而对矫直策略进行修正，进而进行后续矫直，使其矫直效果达到最优。

说明书

技术领域    本发明属于机械领域，涉及一种大型管件三点弯曲过弯矫直智能化 控制策略。

背景技术    大型管件是机械产品中广泛应用的重要零件，由于热处理及其它工 艺导致轴心线发生弯曲变形，造成其直线度不满足要求，并且其弯曲形式为平 面弯曲，而非空间扭曲。由于大型管件的特殊性，目前多采用压力矫直的方法 修正其直线度，压力矫直又称三点式反弯矫直，其成形方法主要是：是将带有 初始弯曲的管件支承在支距可调的两支点之间，压点在工件弯曲最大处施以压 力，使工件经反向弯曲后，压点上行，管件弹复，测量其直线度是否满足要求， 若不满足，重复上述过程，直至满足要求。采用该工艺主要存在以下不足：1、 由于现行的矫直策略，只针对管件弯曲最大处，并未考虑管件的整体挠度分布， 故需反复试校,反复测量。2、由于在实际生产中完全依靠矫直工人的经验估计 矫直行程，其劳动强度大，效率低，矫直精度不易保证。

发明内容本发明的目的在于提供一种生产效率高、矫直精度高的大型管件三 点弯曲过弯矫直智能化控制策略。

本发明的具体方法如下：

1、将管件送到成型压力机台面上，转动管件使其弯曲平面垂直于压力机台 面，对管件的上边缘从左到右进行等效扫描测量得到管件轴线的弯曲挠度曲线， 其中管件的左端面的上边缘点为测量的坐标原点，对测量得到的数据点进行拟 合，拟合方程采用傅里叶级数两项形式，得到其挠度曲线的数学函数表达式 y=f(x)=a₀+a₁cos(x·w)+b₁sin(x·w)+a₂cos(2·x·w)+b₂sin(2·x·w)

式中x为测量点距离管件左端面的距离，y为测量点的挠度；

式中a₀、a₁、b₁、a₂、b₂、w为待定系数，当将实测点的x、y值（一系列 的点值）输入matlab软件（或者其他可以拟合曲线的软件），该软件会输出相 应的a₀、a₁、b₁、a₂、b₂、w的值；

2、将挠度曲线函数表达式，及该管件的材料性能参数包括弹性模量E、屈 服极限σ_s、塑性切线模量D（现有的对应该牌号管件的性能参数，由于不同批次 管件材料性能的波动，故该参数不一定是最优的参数）代入公式

$K\left(x\right)=\frac{E}{E-D}{K}_0\left(x\right)+\frac{K\left(x\right)}{\pi }(2{\theta }_s+\sin 2{\theta }_s)$

$M\left(x\right)+\mathrm{DIK}\left(x\right)+\frac{K\left(x\right)}{\pi }(E-D)I(2{\theta }_s+\sin 2{\theta }_s)$

得到管件矫直所需的理论弯矩；其中为管件的初始曲率分 布，R₁和R₂分别为管件的外圆和内圆的半径；

3、确定设备条件；设备条件有两种，第一种设备条件为：压力机的压头、 两支点的位置均固定，具有传送设备将管件移动到相应位置；第二设备条件为： 压力机的压头固定，压力机的俩支点间距一定，俩支点可以整体移动；所述两 种设备条件中的设备均要求设备配有压力传感器及位移传感器，能够实时获得 矫直过程中的载荷与行程曲线；

4、根据得到的矫直弯矩及设备条件给出相应的矫直策略，矫直策略包含矫 直次数，及对应每次矫直支点、压点的位置和相应的矫直载荷；

4.1当获取理论矫直弯矩后，理论上矫直次数越多矫直效果越优，但矫直效 率越低，故一般采用3～7次的矫直次数；

4.2当矫直次数确定后，则将理论矫直弯矩沿管件长度方向等分为矫直次 数段（若矫直次数为3，则等分为三段），各段的中点位置即为每次矫直时的压 头所在位置；

4.3若采用第一种设备条件，当压头位置确定后，则支点位置也相应确定； 其相应的载荷值也确定，为：4×压点处弯矩值/（左右支点之间的距离）；

若采用第二种设备条件，则其支点位置也相应确定，其相应的载荷值为： 压点处弯矩/（左支点与压点之间的距离）+压点处弯矩/（右支点与压点之间的 距离）；

4.4实际矫直弯矩小于理论矫直弯矩，故对其进行修正，以达到较优的矫 直效果，其实际矫直载荷值为上步中计算所得载荷值×修正系数；当矫直次数 为3次时，其修正系数为1.1，当矫直次数为4次时，其修正系数为1.08；当 矫直次数为5次时，其修正系数为1.06；当矫直次数为6次时，其修正系数为 1.04；当矫直次数为7次时，其修正系数为1.02；

5、第一次矫直时通过其矫直过程中获取的矫直载荷-行程，实时得到管件 真实的材料性能参数，包括弹性模量E、屈服极限σ_s、塑性切线模量D，依据这 些参数对2-4步的数据进行修正；

6、依据修正后的矫直策略进行后续的矫直；

7、矫直结束后，测量管件的挠度曲线是否满足直线度要求，若满足，矫直 过程结束，若不满足，则重复上述1～6步过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、在实际生产中由于现行的矫直策略只针对管件弯曲最大处，并未考虑管 件的整体挠度分布，故需反复试校,反复测量；而采用本发明工艺，只需测量 一次其初始挠度曲线，即可得到矫直策略，无需反复测量。

2、由于在实际生产中完全依靠矫直工人的经验估计矫直行程,其劳动强度 大,效率低,矫直精度不易保证；而采用本发明工艺，将矫直过程自动化，不再 依靠工人的经验，降低了劳动强度，提高了生产效率，保证了矫直精度。

3、在实际生产中，当管件批次变化后，其材料性能参数会产生波动，采用 数据库的数据，会带来一定的误差，而本发明工艺能在线识别管件的材料性能 参数，从而实时的修正矫直策略，使其达到最优。

4、采用本发明工艺，可以依据不同厂家的设备条件，给出符合其生产条件 的最佳的矫直控制策略。

附图说明

图1是本发明例1测量得管件轴线挠度数据图；

图2是本发明例1待矫管件的矫直弯矩图；

图3是本发明例1中压头位置示意图；

图4是本发明例1中支点位置示意图；

图5是本发明例1待矫管件的矫直策略图；

图6是本发明例1第一次矫直示意简图；

图7是本发明例2压头及支点位置示意简图；

图8是本发明例2待矫管件矫直策略图；

图9是本发明例2第一次矫直示意简图。

图6、图9中：1.待矫管件、2.压点、3.支点。

具体实施方式

实施例1：大型直缝焊管的几何尺寸为外径457.2mm、壁厚为12.7mm、管 长为12213mm，材料为A516Gr60，由数据库可知其材料性能参数为 E=200000MPa,D=1833.3MPa,σ_s=345MPa。将焊管放置在滚道上，转动焊管 使弯曲平面垂直于水平面，将激光位移传感器放置在焊管上方，与挠曲线同处 于弯曲平面内，通过扫描焊管母线即可以等效扫描得到焊管轴线的弯曲挠度曲 线，如图1所示。管件的初始挠度分布数据，如图2所示，其最大挠度值为70mm, 而根据美国API Spec 5L行业标准，其成品焊管的直线度，即成品管的最大挠度， 不得超过管长度的0.2%，而该管长12213mm，其最终的最大挠度不得超过24mm 才能满足直线度的要求，故需对其矫直。对实测的挠度数据进行拟合，得到其 数学表达式：

y=f(x)=a₀+a₁cos(x·w)+b₁sin(x·w)+a₂cos(2·x·w)+b₂sin(2·x·w)，式 中各系数值为a₀=-31.22、a₁=33.26、b₁=-24.58、a₂=-1.246、b₂=-1.78、 w=0.0003991。将数学表达式与材料性能数据代入公式，可得管件的矫直弯矩， 如图3所示。分析厂家的设备条件，其当前的设备条件为，压机的压头与支点 均为沿横向不能移动，两支点的距离为5500mm，其间距不可调，确定出适应该 设备条件的矫直策略，如图4所示。由矫直策略可知，由于支、压点均不能动， 故需移动管子的位置，其中第一次矫直时管件左端面距压点位置为3250mm、距 左支点的位置为500mm、距右支点的位置为6000mm，相应的压点处载荷为 611325N，如图5所示；第二次矫直时，将管件向左移动3000mm，即管件左端 面距压点6250mm、距左支点3500mm、距右支点9000mm，相应的压点处载荷 为655238N；第三次继续将管件向左移动3000mm，即管件左端面距压点位置为 8750mm、左支点的位置为6000mm、右支点的位置为11500mm，相应的压点处 载荷604048N。采用该策略进行第一次矫直，厂家设备应为可以输出矫直过程 中的载荷-行程曲线，则根据该次矫直过程的载荷-行程曲线，得到了管件实际的 材料性能数据为E=206000MPa,D=2100MPa,σ_s=345MPa。依据该数据对矫直 策略进行修正，其中，将第二次矫直时的压点载荷修正为674895N，其距压、 支点位置的距离不变；将第三次矫直时的压点载荷修正为622169N，其距压、 支点位置的距离不变。采用该数据进行后续的第二次、第三次矫直。矫直完成 后，测量其挠度曲线，可知其最大挠度为13mm，满足对成品焊管直线度的要求。

实施例2：管件与实施例1相同，分析厂家的设备条件，若其当前的设备条 件为，压机的压头不能横向移动，但支点可以沿横向移动，两支点的距离为 10000mm，则确定出适应该设备条件的矫直策略，如图6所示。由矫直策略可 知，管件与支点之间并无相对的横向移动，其管件与支点的相对位置为，管件 的左端面距离左支点1000mm，距右支点11000mm，只需调节其与压点的相对 位置，即第一次矫直时管件左端面相对压点的位置为3000mm，相应的压点处 载荷为525357N，如图7所示；第二次矫直时管件左端面相对压点的位置为6000 mm，相应的压点处载荷为360381N；第三次矫直时管件左端面相对压点的位置 为9000mm，相应的压点处载荷为519104N。采用该策略进行第一次矫直，厂 家设备应为可以输出矫直过程中的载荷-行程曲线，则根据该次矫直过程的力- 行程曲线，得到了管件实际的材料性能数据为E=206000MPa，D=2100MPa, σ_s=345MPa。依据该数据对矫直策略进行修正，其中，将第二次矫直时的压点 载荷修正为371192N，其距压、支点位置的距离不变；将第三次矫直时的压点 载荷修正为534677N，其距压、支点位置的距离不变。采用该数据进行后续的 矫直，矫直完成后，测量其挠度曲线，可知其最大挠度为15mm，满足对成品焊 管直线度的要求。