代英男 趙亮 張大維 魏兵 高洪澤

[摘 ? ?要]隨著工業(yè)鋁型材擠壓生產線噸位越來越大，中小型牽引機已無法滿足大截面鋁型材的在線牽引，急需發(fā)展一種大型自動化鋁型材在線牽引設備來滿足生產需求。主要介紹大型交替式雙牽引機的結構組成，并通過ABAQUS軟件對重點部位進行剛強度分析。該牽引機具有自動化水平高、操作簡單、性能穩(wěn)定等特點。

[關鍵詞]牽引機;擠壓;鋁型材

[中圖分類號]TH238 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]With the increasing tonnage of industrial aluminum extrusion production line， small and medium-sized tractor can not meet the online traction of large section aluminum profile， so it is urgent to develop a large-scale automatic aluminum profile online traction equipment to meet the production demand. This paper focuses on the strength analysis of the alternate structure of ABAQUS. The tractor has the characteristics of high automation level， simple operation and stable performance.

[Keywords]tractor; aluminum profile; extrusion

隨著現(xiàn)代工業(yè)的進步，鋁型材擠壓生產線正向著大噸位、高能效、自動化的方向發(fā)展。擠壓機在擠壓鋁型材過程中，需要對鋁型材進行導向牽引，否則鋁型材會大概率出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象，鋁型材的廢品率也會大幅增加。提高生產效率，得到表面質量更高的鋁型材，牽引機是關鍵因素之一。牽引機目前主流形式可分為交接式和交替式兩種，交接式牽引機的優(yōu)點在于制作成本較低，占用場地相對較小，但缺點也較為明顯，鋁型材在牽引交接過程中容易出現(xiàn)交接印、抖動紋，對于表面質量要求較高的鋁型材往往難以滿足生產要求。交替式牽引機有效地解決了交接式牽引機的缺點，避免交接印、抖動紋，可以得到表面質量較高的鋁型材，并且效率高，因此交替式牽引機逐漸成為大多數客戶的首選對象。隨著擠壓機生產的鋁型材截面越來越大，鋁型材在線牽引所需要的牽引力越來越大，中小型牽引機牽引已經無法滿足大噸位擠壓生產線的生產需求。具有自動化水平高、性能穩(wěn)定等特點的大型牽引機成為發(fā)展的新趨勢，因此發(fā)展一種大型全自動鋁型材牽引設備來滿足大截面鋁型材在線牽引刻不容緩。

1功能及結構組成

交替式雙牽引機（如圖1）由三部分組成：上牽引機、下牽引機、路軌裝置。

上、下牽引機在其對應的路軌上行走，通過各自的升降或伸縮動作完成躲避交替，當一臺牽引機牽引鋁型材工作時，另一臺牽引機在牽引完畢返程時可以實現(xiàn)安全避讓，循環(huán)往復交替牽引鋁型材。

2工作流程

交替式牽引機在工作過程中可實現(xiàn)全自動、半自動以及手動操作。上牽引機以擠壓速度夾持鋁型材行走，鋁型材擠壓完成，擠壓機停機換棒，下牽引機處于鋁型材接縫處附近，下牽引機將鋁型材夾緊，自動鋸切裝置得到信號將鋁型材接縫鋸斷，上牽引機快速牽引鋁型材至指定位置卸料，然后返回至鋸切裝置附近等待;期間擠壓機擠壓下一根鋁型材，下牽引機開始牽引鋁型材以擠壓速度向前行走，擠壓機擠壓完成停機換棒，料縫再次出現(xiàn)在鋸切裝置附近，上牽引機夾緊鋁型材，自動鋸切裝置將型材接縫處鋸斷，下牽引機快速牽引鋁型材至指定位置卸料，然后返回至鋸切裝置附近等待，期間上牽引機以擠壓速度夾持鋁型材行走，循環(huán)往復交替。

3電氣控制

電氣控制是實現(xiàn)牽引機全自動運行的關鍵因素，本系統(tǒng)采用滑觸線供電，PLC通過以太網光通訊移動無線數據傳輸與分布式IO進行數據交換，從而控制伺服控制器驅動牽引機行走。通過張力限幅功能限制最大牽引力，達到牽引力恒定控制，從而保證牽引機速度與鋁型材擠壓速度保持一致。通過伺服電機編碼器反饋計算出牽引機實時位置，實現(xiàn)精準定位。各個執(zhí)行元件處安裝有位置、壓力等檢測開關，通過PLC進行邏輯控制，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。并且牽引機可以讀取擠壓機的擠壓、換棒信號，配合擠壓機聯(lián)動生產，更加高效穩(wěn)定。

4重要部位剛強度分析

4.1載荷約束

采用ABAQUS有限元軟件對上路軌及上牽引機進行整體剛強度分析。模型主要受到兩部分載荷，自身重力及外部載荷，外部載荷主要包括牽引力。模型材質主要采用Q235B，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011 N/m2，泊松比μ=0.3，屈服強度σs=235 MPa，立柱底面約束6個自由度。

4.2計算結果

計算結果見圖2～圖3。

Y軸方向最大位移ΔU2=7.8 mm。

最大應力值σmax=154.5 MPa。

4.3立柱強度優(yōu)化

立柱是牽引機重要的承載部件，牽引機所受到的各種載荷最終都傳遞給立柱，立柱結構性能的好壞直接關系到整個機體的性能。以立柱的橫縱梁截面尺寸為設計變量，以結構的總體強度及重量為目標進行優(yōu)化。立柱的優(yōu)化過程應力云圖見圖4。

優(yōu)化過程中各立柱最大應力值如下：

（a）方案一：σmax=169.9 MPa;

（b）方案二：σmax=120.0 MPa;

（c）方案三：σmax=129.3 MPa;

（d）方案四：σmax=154.5 MPa;

優(yōu)化過程如下，將（a）強度較大部位進行局部減弱，去掉右下斜拉柱，優(yōu)化后如（b）所示;將（b）立柱中間連接板改為兩段型材，優(yōu)化后如（c）所示;將（c）立柱中間兩段型材改成一段，并調整位置，斜支撐筋板改為型材，優(yōu)化后如（d）;立柱經過多次優(yōu)化，最終方案選擇（d）所示，最大應力值σmax=154.5 MPa<σp=157 MPa（安全系數取1.5），滿足強度要求。優(yōu)化后材料成本降低，焊接量減小，焊接導致的內應力也相應減小，在制造成本和機械綜合性能方面都有顯著的提升。

5設備優(yōu)點

可實現(xiàn)大牽引力、大截面鋁型材在線牽引，彌補大型擠壓生產線在線牽引的需求短缺。

可實現(xiàn)全自動、半自動及手動操作，性能穩(wěn)定，操作簡單，節(jié)省人力資源。

通過伺服驅動系統(tǒng)，實時修正牽引機所在位置，定位精準，長期運行同樣可以保證精度要求。

可有效避免出現(xiàn)交接印、抖動紋，適合大截面鋁型材表面質量要求更高的鋁型材在線牽引。

6結論

傳統(tǒng)的設計方法很難綜合考慮牽引機復雜的受力和變形情況，隨著設計要求的日益提高，有限元分析運用于結構設計已成為必然的發(fā)展趨勢，運用有限元軟件進行輔助分析將大幅提高產品開發(fā)、優(yōu)化和制造的效率，對提高牽引機整體的結構綜合性能，降低設計與制造成本，增強市場竟爭力等都具有十分重要的意義。

此設備的研制開發(fā)，實現(xiàn)了大截面鋁型材在線牽引自動化生產，有效減少資源投資，為本行業(yè)開發(fā)了新的設備產品，解決了大型擠壓生產線在線牽引設備需求的問題。

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