张 建, 唐文献, 吴爱胜, 李先启, 钟 飘, 朱 文

(江苏科技大学 机电与汽车学院， 江苏 张家港 215600)

薄壁不锈钢管是近年来发展的、高档次的新颖建材,广泛用于建筑给水、热水和饮用净水工程,具有重量轻、力学性能好、使用寿命长、摩阻系数小、不易产生二次污染等优点且综合成本合理[1]．早在1995年,德国标准DVGW W534就规范了不锈钢管件连接技术[2],之后日本也公布了有关供水管道用不锈钢管接头的标准[3]．我国在2003年颁布了不锈钢卡压式管件组件标准GB/T 19288,包含卡压式管件、连接用薄壁不锈钢管和橡胶O形密封圈3部分内容,并在2011对该标准前两部分进行修订[4-6]．随着我国分质供水等绿色环保工程的迅速发展,建筑给水工程对薄壁不锈钢水管的需求日益增加．

卡压式不锈钢管连接技术是用专用卡压钳压紧使管、管件受到径向力而达到密封和紧固的一种连接技术,它的连接处外部管子、内部橡胶圈均压接形成六边形．与传统的焊接方式相比, 薄壁不锈钢管卡压式连接有以下特点:连接安全可靠、施工便利快捷密封性好、大量节省管材、适合嵌入式安装、免维护和免更新, 鉴于这些明显的优势, 薄壁不锈钢管道卡压式连接方法在工程建设中得到推广使用．美国艾默生公司一直致力于卡压工具设计和研发,早在2003年,该公司就完成了7种薄壁不锈钢管卡压钳口、相应的卡钳以及卡紧装置和方法的研发[7-8],次年突破了两段式钳口成型方法[9-10],2009年又研制出了活动式卡钳[11],目前生产了一系列具有自主知识产权的卡压工具在行业内占据垄断地位．国内在这方面起步较晚,很多企业开始关注卡压工具的研发和销售,深圳雅昌管业有限公司开发了双挤压工具钳口[12],即一种多瓣环抱式双挤压钳口;浙江正康实业有限公司也开发了手动卡压工具[13],但是这些企业大都模仿或直接代理国外产品,自己生产的卡压工具结构笨重、可靠性和耐久性较差,且缺少自主知识产权．为了打破国外企业技术垄断,开发出具有自主知识产权的卡压工具,不锈钢钢管卡压机制研究刻不容缓．

有关钢材成型工艺参数、质量控制、误差、材料性能等方面的研究很多,文献[14]提出了管线钢管JCO 精确弯曲成形工艺,使得管坯成形角监测误差在0.2°以内,可控制成形管坯的椭圆度在1.5%以内, 减小了成形管坯的椭圆度, 改变了成形管坯的椭圆度控制依赖于操作者经验的现状．针对高强度钢板成形中冲压质量不稳定特性,文献[15]提出了基于支持向量机和重要度抽样的板料成形工艺稳健设计方法．通过微观组织观察,力学性能和XRD 宏观织构测试,文献[16]从冷轧过程中晶粒转动差异上来分析冷轧压下率对Nb+Ti-IF钢织构和成形性能的影响．文献[17]提出了零件整体最大扭曲量的概念,可为预测与减少复杂零件拉深成形扭曲回弹控制提供有益的指导．文献[18]从拉伸试验、化学分析和微观晶像角度研究了金属冷成型过程中屈服应力、微量合金单元数量、应变硬化系数、晶粒尺寸和分布等重要参数,为弯曲、拉拔等冷成型工艺设计提供指导．文献[19]基于有限元模型对不锈钢管挤压成型进行了灵敏度分析,得出对挤压力影响最大的工艺参数．然而,关于不锈钢钢管卡压机制方面的研究鲜见报道．

文中以DN25薄壁不锈钢管为对象,首先基于现有卡压工具对其进行卡压试验分析,然后建立该不锈钢管卡压有限元模型并进行卡压过程数值模拟和试验验证,最后考察摩擦系数、钳口卡刃宽度和钢管材料对钢管卡压性能的影响,为卡压工具设计和仿真计算提供指导．

1 薄壁不锈钢管卡压试验

首先对薄壁不锈钢管进行了试验研究,介绍了相关试验方法和流程[20]．待试验对象为Ⅱ系列外径为28.6 mm、壁厚为1 mm、长度约为80 mm的钢管1根以及DN25的S型Ⅱ系列等径接头连接1个,钢管和等径接头的材料均为06Cr19Ni10,该材料的弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为210 MPa,抗拉强度为520 MPa,硬度在200 HB左右;采用如图1所示的卡压工具(张家港市创基机械设备制造有限公司产品),主要包括DN25的正六边形钳口、卡钳(钳臂、形板、滚轮、滚轮柱)以及卡压工具本体和动力系统组成,其中卡钳和钳口的材料均为40Cr,经淬火处理后硬度为50HRC左右．

试验时,按照GB/T 19228要求将管子插入等径接头连接中(为了与仿真模型一致,没有在接头U形槽内装橡胶密封圈),如图1b)所示,将卡压工具钳口凹槽与管件环形凸部紧密贴合,钳口应与管子轴心呈垂直状,卡压工具应卡压至左右两钳口贴合,按下开关,完成卡压连接,整个过程比较缓慢,在大约10 s左右．具体详细过程参见文献[21]．由工具动力系统所显示的电流值可直接算出滚轮柱的最大推力为25 kN,再由卡钳、钳口尺寸和相对位置换算出钳口绕销1的转矩为949.23 N·m．使用游标卡尺测得等径接头U形槽内侧正六边形对边平均距离为28.1 mm、外侧为28 mm,而钳口正六边形对边平均距离为27.5 mm,说明分别存在0.6,0.5 mm的平均回弹量．

a)卡钳和钳口结构示意图

b)卡压试验现场

2 薄壁不锈钢管卡压数值模型

在建立不锈钢管卡压过程数值模型时,需要充分考虑钢材塑性变形引起的材料非线性、钳口-等径接头、等径接头-钢管之间相互作用引起的边界非线性以及钳口转动和管材移动引起的几何非线性,只有充分考虑这些因素数值计算才有效可靠．由于不锈钢管卡压模型是对称结构,故建立1/2模型,在对称面上施加对称约束,所建立的卡压数值模型如图2所示,包含8 458个单元、9 273个节点．钢管和等径接头采用六面体实体壳单元模拟,既可以考虑真实的接触情况,又能够保证较高的计算精度;由于钳口的硬度远高于钢管,故把钳口简化为刚体模型,采用四面体单元离散钳口,刚体参考点为销1的中心;为了简化计算,模型中没有考虑密封圈;钳口-等径接头、等径接头-钢管之间的摩擦系数分别定义为0.05,0.35;在刚体参考点上施加沿钢管轴线方向5°的角位移,并约束其它5个自由;由于在卡压过程中,接头和钢管会发生塑性变形,故将其本构关系定义为基于Von Mises屈服准则的各向同性硬化弹塑性模型;由于卡压过程比较缓慢,故采用静态隐式算法(Newton Raphson method)求解系统刚度方程,卡压过程计算结束之后,去除钳口-等径接头之间的接触定义,进行下一步回弹求解．文中采用商业软件HyperWorks中的HypeMesh部分进行前处理工作、采用商业软件ABAQUS进行求解计算和后处理工作．

图2 不锈钢管卡压模型Fig.2 Model of stainless steel tube press connection

3 仿真与实验结果分析

计算出的U形槽内、外侧正六边形对边平均距离为28.05，27.94 mm,与试验吻合良好,由于卡压过程中U形槽内、外侧结构的差异,试验和计算都显示了U形槽外侧变形比内侧大;钳口所受的阻力随着其转角增大而增加,在卡压结束时,计算出钳口所受的最大阻力矩为950.729 N·m,与试验相差0.16%,图3为卡压之后钢管的变形结果比较,可见,计算结果和试验结果基本一致,证明所建立的模型是正确的．

a)试验结果

b)计算结果

图4为经卡压和回弹分析后管件的最终位移和等效塑性应变分布,其中,1,2,3分别为钢管、接头、管件整体计算结果,管件整体3下侧靠近T形板销．

a) 位移

b) 等效塑性应变

可见,U形槽外侧管件位移较大,且离T形板销较远的一侧,钢管和接头位移较大;等径接头在U形槽内侧等效塑性应变比外侧大,而钢管与等径接头相反;上述结论与卡压管件U形槽内、外侧结构的差异和钳口运动轨迹密切相关,与实际情况一致．

3.1 摩擦系数对钢管卡压性能的影响

为了研究摩擦系数对钳口所受的最大阻力矩Mmax，U形槽内、外侧正六边形对边平均距离L1,L2等钢管卡压性能的影响,在原模型中把钳口和接头摩擦系数f1分别调整为0.05,0.1;不锈钢之间的摩擦系数在0.3～0.4之间,故在原始模型上把接头-钢管摩擦系数f2分别调整为0.3,0.4．表1为变动f1，f2后钢管卡压性能计算结果与原模型比较:随着f1增大,Mmax和L2增大,而L1先增加之后基本保持不变,可见减小f1可以同时降低钳口阻力和增加管件塑性变形;随着f2增大,Mmax和L1增大,而L2减小;最大阻力矩Mmax对f1的灵敏度约是Mmax对f2的5倍,主要由于钳口与接头之间的剪切作用是产生钳口阻力的重要因素,说明减小该摩擦系数较有利于减小最大阻力矩,设计出轻巧的卡压工具,进而要求与等径接头接触的钳口表面具有较高的加工质量．

表1 摩擦系数与钢管卡压性能的关系Table 1 Effects of coefficients on the press performances

3.2 钳口卡刃宽度对钢管卡压性能的影响

钳口上用来卡压管材的六边形卡刃宽度决定了管材塑性变形区域的宽度,进而对后续的拉拔试验、耐压试验、水压震动试验、耐压试验等型式检验有着重要影响,为此,在原模型基础上把卡刃宽度分别增加和减小0.5 mm,研究这些变化对钢管卡压性能的影响．卡刃宽度分别为1.7，2.2(原模型)，2.7 mm时,计算出的Mmax分别为923.214，950.729,965.725 N·m,L1分别为27.930，27.936,27.921 mm,L2分别为28.127，28.049,28.014 mm．可见,卡刃宽度越宽,钳口所受的阻力越大,管材平均回弹量越小;但Mmax变化不大,最大Mmax比最小Mmax高出仅4.61%,U形槽内、外侧正六边形的回弹量分别相差18.06%和1.96%,说明U形槽内侧对卡刃宽度变化比较敏感,增加钳口卡刃宽度有利于消除U形槽内、外侧塑性变形区域的最终尺寸差异．

3.3 钢管材料卡压性能的影响

国标规定不锈钢钢管的材料主要有5种,其中2种材料的屈服强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)一样,故仅研究3种材料对卡压性能的影响,即022Cr19Ni10(Rp0.2和Rm分别为180和480 MPa)、06Cr19Ni10和019 Cr19Mo2NbTi(Rp0.2和Rm分别为240和410 MPa)．假设弹性模量不变,定义不同的Rp0.2和Rm,3中材料计算出的Mmax分别为837.066，950.729,1 032.77 N·m,L1分别为27.906,27.936,27.936,27.956 mm,L2分别为28.000,28.049,28.085 mm．可见,材料的屈服强度越高,钳口所受的阻力和管材平均回弹量越大,最大Mmax比最小Mmax高出23.38%,U形槽内、外侧正六边形的平均回弹量也分别相差16.9%和12.2%,因此,在进行卡压工具动力系统和钳口结构设计时,应充分考虑这些差异;由于在卡压过程中,3种材料的管材的最大等效应力在280 MPa以内,故抗拉强度对卡压性能没有影响．

4 结论

1) 不锈钢管卡压数值计算结果和试验结果具有良好一致性．f1增大,Mmax和L2增大,而L1先增加之后基本保持不变;f2增大,Mmax和L1增大,而L2减小;Mmax对f1的灵敏度约是Mmax对f2的5倍．

2) 卡刃宽度越宽,钳口所受的阻力越大,管材平均回弹量越小;但Mmax变化不大,最大Mmax比最小Mmax高出仅4.61%,U形槽内、外侧正六边形的回弹量分别相差18.06%和1.96%,增加钳口卡刃宽度有利于改善卡压性能．

3) 材料屈服强度越高,钳口所受的阻力和管材平均回弹量越大,最大Mmax比最小Mmax高出23.38%,U形槽内、外侧正六边形的平均回弹量也分别相差16.9%和12.2%,所设计的卡压工具需考虑所有材料的钢管．

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