代英男，張大維，楊作為，鐘偉添，劉俊平

(1.遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 遼陽 111003； 2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在中國(guó)科技水平不斷發(fā)展和提高的今天，高端工業(yè)鋁材已成為軌道交通等各領(lǐng)域最重要的應(yīng)用基礎(chǔ)材料。隨著2、7系鋁合金的廣泛應(yīng)用，對(duì)拉直機(jī)的拉伸力及拉伸穩(wěn)定性要求越來越高。隨之而來的技術(shù)問題也更難攻破，其中如何保證拉伸過程中鋁材被夾緊而避免 “脫齒”、如何預(yù)防鋁材被拉斷而發(fā)生危險(xiǎn)、如何降低拉斷后沖擊力對(duì)設(shè)備的損傷等是所需要解決的保證拉伸穩(wěn)定性核心問題。

本文將對(duì)比總結(jié)以往拉直機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)問題闡述相關(guān)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及設(shè)計(jì)方案，對(duì)今后設(shè)計(jì)拉直機(jī)提供一定的參考及依據(jù)。

1 拉直機(jī)設(shè)備組成

拉直機(jī)主要由主油缸、主拉伸、尾拉伸和路軌組成。拉直機(jī)在工作時(shí)通過主尾拉伸的鉗口夾緊型材兩端，尾拉伸通過插銷等結(jié)構(gòu)固定在路軌上，主拉伸由主油缸驅(qū)動(dòng)發(fā)力，將型材拉伸至屈服極限以上，使其產(chǎn)生塑性變形，以達(dá)到拉直、去除內(nèi)部應(yīng)力以及性能強(qiáng)化的作用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拉直機(jī)主要結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉗口自鎖

拉直機(jī)鉗口形式主要有楔形虎鉗式、凸輪壓刀式和豎直夾緊式，其結(jié)構(gòu)原理及適用工況各不相同。其中楔形虎鉗式鉗口因其自鎖的結(jié)構(gòu)原理越來越多的被應(yīng)用于中大型機(jī)臺(tái)中，可有效避免“脫齒”。

圖2 鋁棒“脫齒”后的現(xiàn)象

2.1.1 楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楔形虎鉗式拉直機(jī)主要由機(jī)體、滑塊、齒板、夾緊油缸組成，其結(jié)構(gòu)及拉伸時(shí)受力如圖3所示。其中T為鋁材拉伸力，N為機(jī)體給滑塊的支撐力，f為滑塊與機(jī)體的摩擦力，F(xiàn)n為夾緊力，T0為油缸給滑塊的預(yù)緊力，u為機(jī)體與滑塊間的摩擦系數(shù)，設(shè)齒板與鋁材夾緊所需要的摩擦系數(shù)為μ2，忽略滑塊、齒板自重及預(yù)緊力T0。

圖3 拉直機(jī)結(jié)構(gòu)及拉伸時(shí)受力圖

根據(jù)圖3，列平衡方程可得

Fn=N(cosα-μsinα)，T=N(sinα+μcosα)

設(shè)定μ=tanβ,則

2μ2=T/Fn=tan(α+β)

即齒板與鋁材夾緊所需要的摩擦系數(shù)μ2的大小取決于α與β的總和，由于自潤(rùn)滑銅板耐磨和易更換的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)滑塊與機(jī)體間大多采用此結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)得μ=0.1，則β=5.7°，為定值，所以α為唯一變量。整理經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，當(dāng)α為20°和25°時(shí)，得μ2為0.24和0.3，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，自鎖效果好，可以滿足2、7系鋁材的拉伸自鎖要求。實(shí)際數(shù)據(jù)，當(dāng)α為26°時(shí)，且此時(shí)滑塊與機(jī)體為鋼與鋼摩擦，取μ=0.15，β=8.5°，得到μ2為0.34，實(shí)際生產(chǎn)中夾緊6系鋁材，可以實(shí)現(xiàn)自鎖，但夾緊7系鋁材，會(huì)有偶爾的 “脫齒”現(xiàn)象，經(jīng)改進(jìn)，將滑塊與機(jī)體之間改為自潤(rùn)滑銅板與鋼摩擦，脫齒現(xiàn)象消失，自鎖效果好，此時(shí)μ2=0.31。當(dāng)滿足各狀態(tài)鋁材的拉伸自鎖，需要μ2≤0.31，即滑塊與機(jī)體采用自潤(rùn)滑銅板與鋼摩擦?xí)r，α角需小于26°，可以滿足自鎖要求。

2.1.2 夾緊油缸微量補(bǔ)償

在拉伸過程中，鋁材在夾緊力作用下會(huì)產(chǎn)生微量變形，此時(shí)如果夾緊油缸位置保持不變則鋁材很容易出現(xiàn)水平方向的滑移，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)“脫齒”現(xiàn)象。針對(duì)此問題，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鉗口夾緊油缸微量補(bǔ)償功能，當(dāng)鋁材出現(xiàn)微變形時(shí)，夾緊油缸繼續(xù)伸出，保證鋁材一直處于夾緊狀態(tài)，有效避免滑移現(xiàn)象，進(jìn)而防止“脫齒”。另外液壓系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了松鉗口時(shí)主缸微量回退補(bǔ)償功能，有效地解決在拉伸結(jié)束、主缸泄壓結(jié)束時(shí)鉗口依然打不開的難題。

2.2 斷前預(yù)防

6系和7系鋁合金的力學(xué)性能對(duì)比如圖4所示。由于2、7系鋁合金屈服強(qiáng)度為6系鋁合金的2倍左右，所以需要拉伸力更大，且6系鋁合金拉伸率大，屈服曲線明顯，幾乎不會(huì)出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。而2、7系鋁合金拉伸率低，脆性大，且屈服點(diǎn)不易捕捉，導(dǎo)致2、7系鋁合金拉伸過程中受力更敏感，更易被拉斷,如圖5所示。因此，控制系統(tǒng)集成斷前預(yù)警程序，會(huì)實(shí)時(shí)判斷拉伸數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)中斷拉伸進(jìn)程或者降低拉伸速度，從而最大程度的避免鋁材被拉斷。

圖4 6系和7系鋁合金的力學(xué)性能對(duì)比

圖5 鋁棒拉斷圖

2.2.1 超長(zhǎng)度拉伸強(qiáng)制低速模式

如圖6所示為鋁材拉伸全過程數(shù)據(jù)圖。屏蔽拉直機(jī)啟動(dòng)對(duì)傳感器干擾所產(chǎn)生的力Fo，檢測(cè)拉直機(jī)空載拉力Fa，10 ms作為一個(gè)周期采集一組壓力傳感器信號(hào)，每5個(gè)周期作為一步，分步計(jì)算當(dāng)前拉伸力Fb與Fa的差值，得出鋁材繃直拉伸力FΔ,從此時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算設(shè)定的拉伸比，根據(jù)GJB1741A-2008相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果拉伸長(zhǎng)度達(dá)到拉伸率3%，則系統(tǒng)將會(huì)強(qiáng)制降低拉伸速度95%，通過消除速度影響的方法防止鋁材被拉斷。而且，即使鋁材被拉斷，因拉伸速度很小，對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力也很小。

圖6 鋁材拉伸全過程數(shù)據(jù)圖表

2.2.2 穩(wěn)壓補(bǔ)償

拉伸過程中，油缸非做功腔依靠系統(tǒng)控制持續(xù)給壓，保證與作功腔存在壓差值PA，系統(tǒng)通過自編寫的PID算法控制這個(gè)數(shù)值在合理范圍內(nèi),根據(jù)拉伸時(shí)做功腔壓力的變化調(diào)整非做功腔的壓力值，進(jìn)而保證拉伸過程機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2.3 拉伸力及速度自動(dòng)補(bǔ)償匹配

當(dāng)拉直機(jī)達(dá)到最大拉伸力而不能完成工藝要求時(shí)，系統(tǒng)在拉直機(jī)拉不動(dòng)鋁材時(shí)自動(dòng)判斷拉力抖動(dòng)及變化，如果抖動(dòng)嚴(yán)重，則系統(tǒng)強(qiáng)制中斷拉伸動(dòng)作，以防止繼續(xù)拉伸時(shí)鋁材被拉斷或者鉗口崩齒,如圖7所示。

圖7 拉伸時(shí)在241坐標(biāo)點(diǎn)拉力抖動(dòng)，終止拉伸

2.2.4 形變掉壓保護(hù)功能

拉伸過程中，如圖8中在838坐標(biāo)點(diǎn)已經(jīng)顯示拉伸力降低，則系統(tǒng)默認(rèn)鋁材拉伸過度，立即中斷拉伸，防止鋁材被拉斷。

圖8 拉伸時(shí)在838坐標(biāo)點(diǎn)拉力降低，終止拉伸

2.3 斷后保護(hù)

斷后保護(hù)主要以液壓系統(tǒng)為主，減少鋁材拉斷時(shí)造成的沖擊，最大程度保護(hù)液壓系統(tǒng)和設(shè)備本體，同時(shí)降低斷料時(shí)產(chǎn)生的安全隱患。

2.3.1 有桿腔拉伸布置

拉直機(jī)主油缸驅(qū)動(dòng)輸出分為無桿腔和有桿腔(圖9)兩種，通過對(duì)比分析，當(dāng)采用無桿腔輸出拉伸，當(dāng)拉斷時(shí)，因兩腔面積差，有桿腔排油不及時(shí)導(dǎo)致油量極速增加，會(huì)在有桿腔產(chǎn)生高于系統(tǒng)壓力幾倍的液壓沖擊，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)、油缸密封和機(jī)械結(jié)構(gòu)。改為有桿腔拉伸后，當(dāng)拉斷時(shí)在無桿腔產(chǎn)生的沖擊為系統(tǒng)壓力的幾分之一，可有效降低拉斷時(shí)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的沖擊。

圖9 有桿腔拉伸布置圖

2.3.2 主油缸斷料保護(hù)

為保證工作可靠性，液壓系統(tǒng)采取壓-流-泵-閥聯(lián)控模式，在油缸進(jìn)回油管路上均設(shè)計(jì)有安全泄壓閥，而且回油管路上設(shè)計(jì)有壓力傳感器。當(dāng)鋁材被拉斷時(shí)，回油腔壓力瞬間增加，此時(shí)回油腔液壓閥工作，減小回油腔的壓力；與此同時(shí)，壓力信號(hào)觸發(fā)進(jìn)油管路上的泄壓閥打開并減小油泵的輸出，以減小進(jìn)油腔的壓力。通過以上控制模式，可在鋁材被拉斷的瞬間將沖擊降到最低，最終減小對(duì)液壓系統(tǒng)及設(shè)備本體的損傷。

2.3.3 夾緊油缸高壓保護(hù)

鉗口夾緊油缸設(shè)計(jì)高壓保護(hù)功能，當(dāng)斷帶后，鉗口受工件回彈力影響，鉗口夾緊油缸無桿腔將迅速升壓，高壓保護(hù)可有效解決爆管現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

拉直機(jī)在拉伸過程中的鉗口自鎖、斷前預(yù)防與斷后保護(hù)是保證拉伸工藝穩(wěn)定性及提高設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。通過楔形虎鉗式鉗口與夾緊油缸微量補(bǔ)償功能的設(shè)計(jì)可有效保證鋁材在拉伸過程中越夾越緊；通過自動(dòng)化程序與定比例拉伸相結(jié)合，可滿足斷前預(yù)防要求；通過改變油缸布置方式并增加液壓系統(tǒng)的相關(guān)保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)拉斷后的緩沖保護(hù)。本文中所采用的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)過實(shí)踐證明，可作為今后設(shè)計(jì)拉直機(jī)的參考。