李劍軍，史麗晨，贠志達

（1.西安西電高壓開關(guān)有限責任公司，陜西 西安 710018；2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

拉拔機常用于無縫鋼管的冷加工、焊接鋼管的精拉、銅管的精加工、鋼絲以及銅絲的拔制加工等。常見的拉拔機為鏈式拉拔機，可分為單鏈式和雙鏈式［1-2］。拉拔機主要由主傳動系統(tǒng)、主鏈條、拉拔小車、小車返回機構(gòu)、床身、坯料臺架、拉拔模、成品收集槽等幾部分組成。

拉拔小車是拉拔機中重要的組成部分，其作用是夾住管子的錘頭部分并拖動管坯，通過模具以實現(xiàn)管坯的減徑和減壁，使拉拔生產(chǎn)加工過程得以實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，直接影響著拉拔機整機的工作性能及加工后成品管的質(zhì)量。

1 雙鏈式拉拔機

拉拔加工是繼熱軋、擠壓或焊接之后對鋼管進行的二次加工，是生產(chǎn)無縫鋼管的主要方式。由于金屬具有塑性變形的性質(zhì)，當金屬管材通過面積較小的拉拔模的?？讜r，直徑將減小，從而加工出所需直徑的管材［3-4］。拉拔機工作原理如圖1所示。

拉桿前端的短芯頭的外徑尺寸用于限制鋼管內(nèi)徑尺寸，裝于拉模座上的模具的內(nèi)徑尺寸用于限制鋼管外徑尺寸。拉拔小車夾緊管坯的錘頭部分，在主傳動系統(tǒng)的作用下，完成拉拔加工作業(yè)。短芯頭拉拔也叫固定芯頭拉拔，其目的是減薄管材壁厚，提高管材的機械性能和表面質(zhì)量，減小管徑。拉拔的過程是向管子內(nèi)孔插入芯棒的短芯頭，芯桿的另一端固定在拉拔機的后座上，拉拔時借芯桿之力，短芯頭的工作面保持在與模子定徑帶相對應(yīng)的位置，管材在受到拉力后，其斷面必須經(jīng)過由短芯頭和模子間形成的環(huán)狀間隙，從而加工出與此間隙尺寸大小相同的成品管材［5-8］。

圖1 拉拔機工作原理示意

在雙鏈式拉拔機中，拉拔小車通過其橫梁兩端分別與兩根鏈條上的拉手相連，橫梁可以平衡兩鏈條之間的受力，所以雙鏈式拉拔機的受力均衡，對中性好，拉拔出的成品管材質(zhì)量較高。通常，雙鏈式拉拔機鏈條和拉拔小車組成閉環(huán)，即拉拔小車直接與拉拔鏈連接。工作時，主傳動系統(tǒng)通過鏈條拖動小車運動；小車返回時，主傳動系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，通過鏈條帶動小車反向運動。當拉拔小車返回拉模座時，由于慣性作用，拉拔小車在接近拉模座時并不能立刻停止，因而會撞擊拉模座，拉拔鏈受到很大的沖擊力，容易造成拉拔鏈疲勞斷裂。拉拔小車的返回也是由主電機驅(qū)動，因此這種拉拔機的電機能耗高、生產(chǎn)效率低。

2 拉拔小車改進

為了克服上述鏈式拉拔機的缺點，采用雙掛鉤設(shè)計，將拉拔小車與鏈條脫開。在拔制生產(chǎn)加工過程中，小車通過掛鉤與運動鏈條相連來拖曳管坯通過模具。當?shù)谝淮伟沃平Y(jié)束后，掛鉤自動與鏈條脫開，小車在快速返回機構(gòu)的拖動下返回至拉模座，再進行第二次拉拔作業(yè)。小車的快速返回機構(gòu)與主傳動系統(tǒng)是兩套系統(tǒng)，小車快速返回時不需要主傳動系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，較好地解決了雙鏈式拉拔機鏈條容易疲勞斷裂的問題，同時避免了主電機頻繁地正、反轉(zhuǎn)，提高了拉拔生產(chǎn)效率。

2.1 拉拔小車總體結(jié)構(gòu)

改進后的拉拔小車結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由導(dǎo)氣管、撞桿、板牙、汽缸、車體、連接銷、平衡塊、掛鉤、擺桿、連接板等組成。

圖2 改進后拉拔小車結(jié)構(gòu)原理示意

為了保證雙鏈式拉拔機拉拔小車能可靠的工作，就必須要求兩掛鉤同時動作，同時實現(xiàn)掛鉤、脫鉤功能。本次改進設(shè)計中，將兩掛鉤與中間的連接板相連，滿足了工作可靠性的要求。

在拉拔作業(yè)時，拉拔小車在快速返回機構(gòu)的帶動下接近拉模座，撞桿撞擊拉模座，撞桿后移，使擺桿下壓，連接板下落，從而使掛鉤（兩個）同時下落鉤住鏈條，掛鉤壓縮掛鉤回位彈簧。當一個拉拔工作循環(huán)結(jié)束時，拉拔阻力消失，小車由于慣性的作用，掛鉤與鏈條瞬間脫開，掛鉤（兩個）在回位彈簧（兩個）的作用下同時抬起。

2.2 掛鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計

掛鉤是拉拔小車的零部件，拉拔小車通過掛鉤的鉤頭與鏈條接觸，掛鉤在鏈條的作用下使拉拔小車移動，實現(xiàn)管材的拉拔生產(chǎn)。掛鉤是承受拉拔力的關(guān)鍵零部件。掛鉤材料的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，直接影響拉拔小車的性能和可靠性。本研究確定掛鉤材料為ZG310－570，掛鉤的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 掛鉤的結(jié)構(gòu)示意

銷軸孔用于掛鉤與平衡塊之間的連接，掛鉤的鉤頭用于鉤在拉拔鏈的鏈條上，使鏈條帶動已夾住管材的拉拔小車進行拉拔生產(chǎn)加工。

2.3 平衡塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算

2.3.1 平衡塊截面結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了解決兩掛鉤之間的受力平衡問題，在掛鉤與小車之間增加了平衡塊，以解決兩掛鉤之間受力均衡的問題。當兩掛鉤受力不平衡時，平衡塊將繞其與車體的連接銷軸轉(zhuǎn)動，從而使兩掛鉤受力達到平衡。平衡塊是連接掛鉤與小車體的主要零部件，為了滿足工作要求，必須對其強度、結(jié)構(gòu)進行綜合設(shè)計［9-10］。平衡塊的結(jié)構(gòu)簡化如圖4所示。

圖4 平衡塊的結(jié)構(gòu)簡化示意

2.3.2 平衡塊截面尺寸的確定

為保證掛鉤能正常工作，同時要求掛鉤、小車與平衡塊的連接結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動靈活，選擇平衡塊與掛鉤的厚度相同，即平衡塊厚度h=60（mm）。

在設(shè)計中，拉拔小車的拉拔力為400 kN，由于采用雙掛鉤形式，因此單個掛鉤受力F=200（kN）。

考慮鏈及掛鉤的沖擊和安全問題，選擇載荷系數(shù)k=1.5，安全系數(shù)s=2；平衡塊的材料選用35鋼，其屈服強度σs=320（MPa），則其許用應(yīng)力［σ］為：

（1）A-A截面尺寸的確定。

由圖4可知，A-A截面受到的彎矩最大，為危險截面。其應(yīng)力σ為：

式中M——危險截面的彎矩（圖4中危險截面的彎矩M為7.5×107N/mm）；

將截面抗彎系數(shù)W代入公式（1）~（2），可求危險截面長度la：

平衡塊上的軸銷孔削弱了平衡塊的強度，為了保證平衡塊有足夠的強度，取A-A截面長度為220 mm，即 la=220（mm）。

（2）B-B截面尺寸的確定。

在B-B截面，平衡塊則受到拉應(yīng)力的作用，在危險截面處的σ為：

式中A——拉力作用面的面積，A=lbh=60l（b其中，lb為掛鉤處寬度）。

經(jīng)計算，掛鉤處寬度lb≥31.25（mm）。

為了保證平衡塊及掛鉤能可靠工作，對掛鉤處的寬度取整，即lb=32（mm）。

2.4 夾管及掛鉤的協(xié)調(diào)動作解決方案

夾管及掛鉤的協(xié)調(diào)動作將會直接影響拉拔機的整機性能和拉拔作業(yè)的生產(chǎn)效率。為保證拉拔小車能正常運行，工作開始時，必須先實現(xiàn)夾管，再掛鉤，最后實現(xiàn)拉拔生產(chǎn)作業(yè)。在設(shè)計中，采用氣缸推動板牙來實現(xiàn)夾管，利用撞桿撞擊擺桿使掛鉤下落鉤住鏈條［11-13］。設(shè)計時，必須考慮氣缸的動作與撞桿撞擊的時序問題。

圖5所示為夾管—掛鉤—拉拔工作過程。在圖5（a）中，氣缸的導(dǎo)氣管與拉模座接觸，氣缸的無活塞端無壓縮空氣，氣缸處于收縮狀態(tài)；掛鉤在回位彈簧的作用下處于抬起狀態(tài)。在圖5（b）中，拉拔小車繼續(xù)靠近拉模座，壓縮空氣通過導(dǎo)氣管進入氣缸無活塞桿一側(cè)，從而使活塞桿向前移動，使板牙完成夾緊管材動作；同時撞桿接近拉模座，但未與拉模座接觸，掛鉤處于抬起狀態(tài)。在圖5（c）中，撞桿撞擊拉模座，撞桿后移使擺桿下壓、連接板下落，從而實現(xiàn)掛鉤下落并鉤住鏈條，此時，在氣缸的推動下，板牙已經(jīng)完成夾緊管材動作，使拉拔小車處于待拔制工作狀態(tài)。

圖5 夾管—掛鉤—拉拔工作過程示意

拉拔生產(chǎn)過程簡單概括為：夾管—掛鉤—拉拔。為了保證拉拔過程的順利進行，在導(dǎo)氣管上設(shè)計安裝了壓縮彈簧，其作用是用來保證氣缸得到足夠壓力的壓縮空氣，使板牙能可靠的夾緊管材；在板牙夾緊管材后，撞桿撞擊拉模座，撞桿后移使擺桿下壓、連接板下落，從而實現(xiàn)掛鉤下落并鉤住鏈條，隨即帶動已夾住管頭的拉拔小車進行拉拔生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

改進后的雙鏈式拉拔機具有以下優(yōu)點。

（1）拉拔加工的成品管精度高。在設(shè)計雙鏈拉拔機的結(jié)構(gòu)時，確保使拉拔力與管材中心線同心，可防止成品管彎曲，這是單鏈式拉拔管機所不能比擬的。

（2）拉拔加工的生產(chǎn)效率高。采用雙掛鉤的拉拔機其拉拔鏈是閉路的環(huán)鏈，工作時沿同一個方向連續(xù)運行，避免了主電機頻繁正、反轉(zhuǎn)，因而拉拔加工的生產(chǎn)效率高。

（3）氣動雙鉤式拉拔機可使掛鉤自動與鏈條脫開，解決了傳統(tǒng)雙鏈拉拔機容易斷鏈的缺點。

（4）采用氣缸推動板牙來實現(xiàn)夾緊管材，利用撞桿撞擊擺桿，使掛鉤下落鉤住鏈條?？刹捎脵C械化、自動化完成這一系列動作，是一種較為先進的管材加工設(shè)備。

拉拔小車作為雙鏈拉拔機的主要組成部分，對拉拔生產(chǎn)加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率起著重要的作用。因此拉拔小車在管材生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用前景好。

［1］陳朝偉，張榮欣．高速履帶式連續(xù)拉拔機的設(shè)計研究［J］．鋼管，2014，43（5）：36-40．

［2］董震．用于異型棒材加工的鏈式單線拉拔機的牽引系統(tǒng)設(shè)計［J］．硅谷，2013（14）：17．

［3］羅瑞文．冷拔機拔制小車形式的探討［J］．冶金叢刊，2005（3）：8-11．

［4］李麗，朱紀剛．雙鏈式拉拔機的自動控制系統(tǒng)［J］．機械工人，2005（5）：67-68．

［5］吳宗澤．機械零件設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004．

［6］ 童品?。簤喊沃菩≤嚕跩］.鋼管，1996，25（2）：47-50．

［7］韓觀昌，李連詩．小型無縫鋼管生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1990．

［8］高美容，高東超.新型線材拉拔機的設(shè)計［J］．冶金設(shè)備，2012（4）：47-49，23．

［9］ 劉鴻文.材料力學（I）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2011.

［10］ Gere J M，Timoshenko S P.Mechanics of materials［M］.New York：VanNostrand Reinhold，1984.

［11］王蕭.一種新型拉拔機拉拔小車控制系統(tǒng)及分析［J］.世界有色金屬，2010（10）：71-72．

［12］林輝.臺達自動化產(chǎn)品在高速針管連續(xù)拉拔機上的整合應(yīng)用［J］.機電工程，2010，27（12）：124-126．

［13］周鳳也，趙春禾.液壓鋼絲繩組合式拉拔機［J］.重型機械，2010（S2）：33-34.