[发明专利]一种矩形弯管成型的壁厚控制方法

权利要求书

1.一种矩形弯管成型的壁厚控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一，对原材料钢管的底壁进行设计；

步骤1-1，根据设计图纸中弯管的设计弯曲内侧壁的横截面形状，获取设计弯曲内侧壁的壁厚t、设计弯曲内侧壁的横截面内弧弯曲半径R以及设计弯曲内侧壁的圆弧夹角α，得出设计弯曲内侧壁的横截面内弧长度l；

由l＝αR，求得设计弯曲内侧壁的横截面内弧长度l；

步骤1-2，计算设计弯曲内侧壁的横截面外弧长度l_w：由于设计弯曲内侧壁的横截面外弧长度l_w与设计弯曲内侧壁的横截面内弧长度l对应的圆弧夹角α相等，得到：

化简得到：

步骤1-3，确定设计弯曲内侧壁的横截面面积S₂：

设计弯曲内侧壁的横截面面积将公式代入中，

化简得到：

步骤1-4，根据设计弯曲内侧壁的横截面内弧长度l、设计弯曲内侧壁的壁厚t以及在弯曲过程中原材料的受力状态，反推原材料中长度为l的底壁的横截面形状：底壁的横截面顶边为向内凹陷的外弧线，底壁的横截面底边为直线，底壁的横截面中间位置处的壁厚为t；

设底壁的横截面外弧弯曲半径为r，则底壁的横截面外弧对应的圆心角θ为：

外弧圆心角θ：

化简得到：

步骤1-5，原材料中底壁的横截面外弧与对应的弦围成面积S的确定：

将公式代入中，

得到：

步骤1-6，计算原材料中底壁的横截面面积S₁：

原材料中底壁的横截面面积S₁＝l(t+Δt)-S；

将公式代入S₁＝l(t+Δt)-S；

得出：

步骤1-7，得出原材料中底壁的横截面外弧弯曲半径r和底壁的横截面外弧凹陷厚度Δt的关系式：基于弯曲前后横截面面积不变的原则，即：底壁的横截面面积与设计弯曲内侧壁的横截面面积相等，得出S₁＝S₂；

由公式和

得到原材料中底壁的横截面外弧弯曲半径r与底壁的横截面外弧凹陷厚度Δt关系式：

步骤1-8，根据直角三角形的勾股定理计算原材料中底壁的横截面外弧弯曲半径r与底壁的横截面外弧凹陷厚度Δt的另一关系式：

化简得到：

步骤1-9，联合步骤1-7与步骤1-8中底壁的横截面外弧弯曲半径r与底壁的横截面外弧凹陷厚度Δt的关系式，确定原材料中底壁的横截面外弧弯曲半径r和底壁的横截面外弧凹陷厚度Δt取值，从而得出原材料中长度为l的底壁的横截面形状；

步骤1-10，原材料中长度为l的底壁沿纵向上每一横截面形状均相同，从而得到原材料钢管的底壁的形状；

步骤二，对原材料钢管的顶壁进行设计；

步骤2-1，根据设计图纸中弯管的设计弯曲外侧壁的横截面形状，获取设计弯曲外侧壁的横截面内弧长度l'、设计弯曲外侧壁的壁厚t，设计弯管的高度D；由于设计弯曲外侧壁的圆弧夹角α与设计弯曲内侧壁的圆弧夹角α相同；得出：l'＝α(R+D)；

步骤2-2，计算设计弯曲外侧壁的横截面外弧长度l_w'：由于设计弯曲外侧壁的横截面外弧长度l_w'与设计弯曲外侧壁的横截面内弧长度l'对应的圆弧夹角α相等，得到：

化简得到：

步骤2-3，确定设计弯曲外侧壁的横截面面积S_W2：由

将带入

得到：

步骤2-4，根据设计弯曲外侧壁的横截面内弧长度l'、设计弯曲外侧壁的壁厚t以及在弯曲过程中原材料的受力状态，反推原材料中长度为l的顶壁的横截面形状：顶壁的横截面外侧边为向外凸起的外弧线，顶壁的横截面内侧边为直线、且长度为l，顶壁的两端位置壁厚为t；

设顶壁的横截面外弧弯曲半径为r'，则顶壁的横截面外弧对应的圆心角θ'为：

外弧圆心角θ'：

化简得到：

步骤2-5，计算原材料中顶壁的横截面面积S_W1的确定：

步骤2-6，得出原材料中顶壁的横截面外弧弯曲半径r'和顶壁的横截面外弧凸起厚度Δt'的关系式：基于弯曲前后顶壁的横截面面积不变的原则，即：顶壁的横截面面积与设计弯曲外侧壁的横截面面积相等，得出S_W1＝S_W2；

得到：

化简得：

步骤2-7，根据直角三角形的勾股定理计算原材料中顶壁的横截面外弧弯曲半径r'与顶壁的横截面外弧凸起厚度Δt'的另一关系式：

步骤2-8，联合步骤2-6与步骤2-7中顶壁的横截面外弧弯曲半径r'与顶壁的横截面外弧凸起厚度Δt'的关系式，确定原材料中顶壁的横截面外弧弯曲半径r'和顶壁的横截面外弧凸起厚度Δt'取值，从而得出原材料中长度为l的顶壁的横截面形状；

步骤2-9，原材料中长度为l的顶壁沿纵向上每一横截面形状均相同，从而得到原材料钢管的顶壁的形状；

步骤三，对原材料钢管前后两侧的竖向侧壁进行设计，具体包括步骤如下：

步骤3-1，确定矩形钢管中顶壁的底部与底壁的底部之间的高度h；设底壁的任意纵截面i的厚度为T(i)；矩形钢管中顶壁的底部与底壁的底部之间的高度h通过设计图纸直接得出，且高度h沿矩形钢管的长度方向为定值；底壁的任意纵截面i的厚度为T(i)＝t+dt(i)，其中t为弯管成型后的壁度，dt(i)为沿着矩形钢管的长度方向底壁的厚度增加值：

步骤3-2，对原材料钢管前后两侧的竖向侧壁的底端分别进行延伸，使竖向侧壁的底端与底壁的内侧面平齐，得到经延伸竖向侧壁；

步骤3-3，计算弯曲前的经延伸竖向侧壁的体积V_c：设弯曲前原材料钢管的经延伸竖向侧壁的纵截面成梯形，经延伸竖向侧壁对应顶壁内侧面一端的厚度为t₁，经延伸竖向侧壁对应待拉挤压壁外侧面一端的厚度为t₂，经延伸竖向侧壁对应顶壁内侧面一端的厚度增加值为Δd，经延伸竖向侧壁对应底壁外侧面位置处的厚度增加值为Δd′；由于经延伸竖向侧壁对应底壁内侧面一端的厚度为t；

因此，弯曲前原材料钢管中经延伸竖向侧壁为纵截面呈梯形，长度为l的柱体；

弯曲前经延伸竖向侧壁的体积V_c为：

步骤3-4：计算弯曲后经延伸竖向侧壁的体积V_c2：基于弯曲后经延伸竖向侧壁的壁厚为t，经延伸竖向侧壁的纵截面为矩形，经延伸竖向侧壁的横截面为设计弯曲内侧壁的横截面外弧与设计弯曲外侧壁的横截面内弧围成的曲边四边形；

因此，弯曲后经延伸竖向侧壁为横截面呈曲边四边形，厚度为t的柱体；

弯曲后经延伸竖向侧壁的体积V_C2为：

步骤3-5：计算厚度增加值Δd：

基于弯曲前后矩形钢管的经延伸竖向侧壁的体积不变原则，可知V_c＝V_c2；

由此求得

步骤3-6：得出经延伸竖向侧壁对应顶壁内侧面一端的厚度t₁：

步骤3-7：得出延伸前的竖向侧壁的外端厚度：延伸前的竖向侧壁的外端厚度与经延伸竖向侧壁对应顶壁内侧面一端的厚度相同，为t₁：

步骤3-8：得出经延伸竖向侧壁对应底壁外侧面位置处的厚度增加值为Δd′：利用三角形相似原理可以得到Δd′；

步骤3-9：计算得出延伸前的竖向侧壁的底端厚度：延伸前的竖向侧壁的底端厚度与经延伸竖向侧壁对应待拉挤压壁外侧面一端的厚度相同，为t₂：

步骤3-10：根据原材料中顶壁的横截面形状、底壁的横截面形状、竖向侧壁的纵截面形状、竖向侧壁的外端厚度t₁和竖向侧壁的底端厚度t₂，得到竖向侧壁的形状；

步骤四，根据步骤一至步骤三中原材料钢管管壁的设计结果，对平直的矩形钢管管壁进行铸造，得到原材料钢管；

步骤五，将原材料钢管吊装就位；

步骤六，根据弯制成型后的弧度要求，在计算机端输入弯弧数据信息，并由计算机端自动计算每个弯曲点的弯曲弧度；

步骤七，将原材料钢管安装在弯管设备上准备进行弯管；所述弯管设备包括有由一侧向另一侧依次间隔设置的推进装置(1)、灌沙装置(2)、中频感应加热装置(3)和水平弯管装置(4)；所述原材料钢管穿设在灌沙装置(2)、中频感应加热装置(3)和水平弯管装置(4)中，并且原材料钢管的末端与推进装置(1)相连接；在水平弯管装置(4)内、位于原材料钢管的上下两侧分别夹持有面外约束钢板(5)；在中频感应加热装置(3)的两侧分别设置有垂直于原材料钢管长轴方向的导向辊(6)；

步骤八，由推进装置(1)把原材料钢管的第一弯曲点推出至中频感应加热装置(3)处；

步骤九，通过灌沙装置(2)时，向原材料钢管内部灌入细沙；

步骤十，采用两侧的导向辊(6)夹紧原材料钢管；

步骤十一，将水平弯管装置(4)上的侧推辊轮调节成与原材料钢管的顶壁接触；

步骤十二，采用面外约束钢板(5)对原材料钢管前后侧面进行约束；

步骤十三，中频感应加热装置(3)对原材料钢管加热后，推进装置(1)再把原材料钢管向前推出，同时水平弯管装置(4)的侧推辊轮开始沿垂直于原材料钢管的推出方向对原材料钢管成型进给；

步骤十四，当水平弯管装置(4)的侧推辊轮对原材料钢管热弯成型的切入点到达预先设计好的成型后的坐标点时，侧推辊轮停止对原材料钢管的切入进给；

步骤十五，导向辊(6)松开加紧的原材料钢管，由推进装置(1)把原材料钢管推出至下一弯曲点，伸出至中频感应加热装置(3)处；

步骤十六，重复步骤十至十五，直至最后一个弯曲点弯曲结束，即获得所需曲率的弯管。