鋁型材擠壓雙牽引關(guān)鍵技術(shù)研究

張 君，王 軍，付永濤，楊丹峰，李正利，陳永甲

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

0 前言

鋁型材擠壓生產(chǎn)線包括鋁棒加熱爐、鋁擠壓機和后部精整設(shè)備，牽引機為后部精整設(shè)備的關(guān)鍵裝置。鋁型材擠壓時，由于鋁錠坯與擠壓工模具(擠壓筒、模具、擠壓墊等)之間的摩擦，引起了鋁錠坯擠壓過程中沿截面方向流動速度的不均勻。利用牽引機牽引鋁型材，可以消除5%流動速度的不均勻，從而使制品沿截面的流動比較均勻，有利于模具內(nèi)焊合室中金屬的成形。牽引機牽引擠壓制品沿其導(dǎo)軌直線行進，保證制品的直線度，防止制品扭曲，減少制品表面的損傷。牽引機采用恒張力控制，即在制品截面產(chǎn)生一個恒定的張力;同時，在此張力作用下對型材進行風(fēng)冷或水冷，不僅減少型材的冷卻變形，而且使微觀組織結(jié)構(gòu)均勻［1］。

采用雙牽引裝備技術(shù)，可以實現(xiàn)連續(xù)擠壓，提高擠壓效率;而且能夠在焊接環(huán)和停車環(huán)之間鋸切分離鋁型材，提高成材率。

近二三十年以來，中國的鋁型材擠壓裝備技術(shù)發(fā)展迅速，中國成為全球鋁擠壓生產(chǎn)線最多的國家，已裝備超過3 000條擠壓生產(chǎn)線，年擠壓鋁型材產(chǎn)量超過1 000萬噸，成為了全球鋁型材擠壓生產(chǎn)大國［2］。但中國裝備雙牽引裝置的鋁型材擠壓生產(chǎn)線僅300條左右，不到十分之一。

目前，隨著軌道交通、高速鐵路、航空航天、新能源汽車、電力和軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對特種高性能工業(yè)鋁型材的需求持續(xù)增加。對于特種高性能工業(yè)鋁型材擠壓來講，雙牽引裝置尤為重要，不僅可以提高大型鋁型材的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能，而且可以提高大型鋁型材的成品率。因此，作為工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，雙牽引裝置技術(shù)的研究迫在眉睫。

1 雙牽引裝置結(jié)構(gòu)形式

雙牽引裝置包括交替式雙牽引裝置和接力式雙牽引裝置，交替式雙牽引裝置主要應(yīng)用于中小型擠壓生產(chǎn)線，接力式雙牽引裝置主要應(yīng)用于大型擠壓生產(chǎn)線。

交替式的雙牽引裝置如圖1所示，每個牽引機設(shè)有單獨的導(dǎo)軌，電機驅(qū)動的傳動裝置帶動牽引機在各自的導(dǎo)軌上來回滑動。每個牽引機可以單獨對鋁型材進行牽引，通過交替式的運動，實現(xiàn)鋁型材的連續(xù)擠壓。鋁型材的鋸切分離由移動熱鋸?fù)瓿?，移動熱鋸和牽引機一起移動，當(dāng)和牽引機同步時，對鋁型材進行鋸切分離。此種結(jié)構(gòu)形式可以適應(yīng)鋁型材高的出口速度，滿足鋁型材的連續(xù)擠壓，同時提高鋁型材的成材率。

圖1 交替式雙牽引示意圖Fig.1 Schematic view of alternating-type double-puller unit

交替式雙牽引的具體工藝過程:1#牽引機路軌裝置4和設(shè)備基礎(chǔ)固定連接，1#牽引機車體6和牽引機路軌裝置4滑動連接，1#牽引機鉗口裝置9和1#牽引機車體6活動連接;2#牽引機路軌裝置3和2#牽引機路軌裝置支架5固定連接，2#牽引機路軌裝置支架5和基礎(chǔ)固定連接，2#牽引機車體7和2#牽引機路軌裝置3滑動連接，2#牽引機鉗口裝置8和2#牽引機車體7活動連接;牽引機行程檢測裝置10、11采用絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器與路軌裝置中的同步帶輪固定連接，1#、2#牽引機車體上執(zhí)行元件所需動力由牽引機滑輸供電裝置12、13供給。兩個牽引機分別可以單獨完成牽引過程，通過上下鉗口夾持鋁型材，驅(qū)動裝置驅(qū)動牽引機機架在路軌裝置上來回滑動。當(dāng)1#牽引機牽引鋁型材時，1#牽引機機頭下降到中間的牽引位置，對鋁型材進行牽引，2#牽引機可以在其導(dǎo)軌上來回滑動，兩者不干涉;當(dāng)2#牽引機牽引鋁型材時，2#牽引機機頭上升到中間的牽引位置，對鋁型材進行牽引，1#牽引機可以在其導(dǎo)軌上來回滑動，如此交替，可以實現(xiàn)鋁型材的連續(xù)生產(chǎn)。

接力式的雙牽引裝置如圖2所示，兩個牽引機共用一個導(dǎo)軌，電機驅(qū)動的傳輸裝置帶動牽引機在導(dǎo)軌上來回移動，由于共用一個導(dǎo)軌，兩個牽引機前后位置確定，通過接力式的方式交接鋁型材，實現(xiàn)連續(xù)擠壓［3］。

圖2 接力式雙牽引示意圖Fig.2 Schematic view of relay-type double-puller unit

接力式雙牽引的具體工藝過程:鋁型材開始擠壓時，首先由人工輔助牽引鋁型材至牽引機Ⅰ上，進入后鉗口夾緊，牽引機Ⅰ沿著導(dǎo)軌開始牽引。當(dāng)鋁型材長度(即兩個牽引機間的距離)到達所要求的長度后，牽引機Ⅱ開始啟動，鉗口夾持鋁型材，鉗口夾緊后，飛鋸開始鋸切分離鋁型材。分離完成后，牽引機Ⅱ牽引鋁型材，牽引機Ⅰ快速將鋁型材牽引至冷床位置后放下鋁型材并快速返回，返回至牽引機Ⅱ附近停止，待牽引機Ⅱ接近時開始前進。二者進行鋁型材的交接，交接完成后，牽引機Ⅱ返回至初始位置，牽引機Ⅰ又開始牽引鋁型材。如此反復(fù)，實現(xiàn)連續(xù)擠壓，提高了設(shè)備自動化程度。雙牽引工藝要求在鋁型材的焊接環(huán)和停車環(huán)之間鋸切，為了實現(xiàn)兩個牽引機準(zhǔn)確定位、順利交接，牽引機采用由直流調(diào)速裝置驅(qū)動的直流電機驅(qū)動，采用同步齒形帶/鏈條鋼絲繩傳動，并采用絕對值光電編碼器檢測位置。

2 上夾式雙牽引技術(shù)

接力式雙牽引裝置在發(fā)展初期采用的是上夾式雙牽引裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。上夾式牽引機鉗口的驅(qū)動裝置布置在鋁型材的上面。下鉗口1由油缸和齒輪旋轉(zhuǎn)裝置3驅(qū)動從鋁型材的兩邊擺入，在下面支撐鋁型材;上鉗口2由上鉗口升降油缸3驅(qū)動擺下，從上面壓緊鋁型材，之后牽引機在電機傳動裝置驅(qū)動下沿牽引機路軌7牽引鋁型材?？紤]到交接鋁型材，主牽引機可以由機架升降裝置5驅(qū)動升降，以便于鋁型材的順利交接。

圖3 上夾式牽引機示意圖Fig.3 Schematic view of upper-clamp puller

上夾式雙牽引裝置作為中國雙牽引機的第一代技術(shù)于2005～2010年間被大量推廣應(yīng)用，成為16～125 MN鋁擠壓生產(chǎn)線完成連續(xù)擠壓的關(guān)鍵設(shè)備，圖4為使用在90 MN鋁擠壓生產(chǎn)線上的上夾式雙牽引機。但是，上夾式牽引機在生產(chǎn)中存在不足之處。

(1)由于牽引機的重心較高，在牽引過程或快速回程過程中，牽引機出現(xiàn)晃動或擺動現(xiàn)象，影響了擠壓出鋁型材的平直度。

(2)牽引機重心較高，為了增加牽引機的穩(wěn)定性，要求導(dǎo)軌的剛度比較大，因此導(dǎo)軌重量重，制造成本高。

(3)下鉗口采用擺動夾料的形式，由于要求下鉗口能適應(yīng)最大高度的鋁型材，因此要求擺動范圍較大，增加了牽引機的高度和行走的不穩(wěn)定性。

圖4 上夾式雙牽引裝置Fig.4 Upper-clamp double-puller unit

3 新型側(cè)夾式雙牽引技術(shù)

針對上夾式牽引機存在的問題，研發(fā)出了側(cè)夾式雙牽引裝置，如圖5所示。側(cè)夾式雙牽引裝置包括牽引機機架1、鉗口伸縮油缸9和下鉗口裝置2，其中下鉗口裝置2通過下鉗口伸縮直線導(dǎo)軌8安裝于牽引機機架1上。下鉗口裝置2下部安裝有下鉗口5，上部安裝有上鉗口升降直線導(dǎo)軌7，上鉗口臂3固定于上鉗口升降直線導(dǎo)軌7上。在上鉗口臂3的末端安裝有上鉗口4。在下鉗口裝置2上部安裝有與上鉗口臂3相連的上鉗口升降油缸6。設(shè)備工作時，鉗口伸縮油缸9驅(qū)動下鉗口裝置2沿下鉗口伸縮直線導(dǎo)軌8移動，到達擠壓制品所在位置，當(dāng)擠壓制品到達下鉗口5上后，上鉗口升降直線導(dǎo)軌7控制上鉗口臂3向下移動，帶動上鉗口臂3末端的上鉗口4，與下鉗口5一起夾緊工件，完成側(cè)向夾持。

該側(cè)夾式牽引裝置工作過程主要為側(cè)向夾持擠壓制品，使?fàn)恳龣C設(shè)計時不用考慮上方夾持造成的空間限制，從而降低了牽引機的高度和重心，使設(shè)備運行更加平穩(wěn)。同時還減少了設(shè)備的使用材料，降低了設(shè)備的制造成本。由于采用側(cè)向夾持的新方法，牽引機之間的交接也更加順利，并且便于控制。

此種結(jié)構(gòu)形式的牽引機為第二代技術(shù)，在2009年已開始推廣使用，從使用情況來看，側(cè)夾式牽引機結(jié)構(gòu)不僅增加了設(shè)備牽引過程的穩(wěn)定性，提高了牽引返回速度，而且降低了牽引機的制造成本，提高了設(shè)備的可靠性。

圖5 側(cè)夾式雙牽引裝置示意圖Fig.5 Schematic view of lateral-clamp double-puller unit

4 雙牽引裝置的通信技術(shù)

雙牽引裝置動作比較復(fù)雜，每個牽引機上控制動作的電氣信號較多。牽引機為往復(fù)運動的裝置，其信號連接通過線纜連接比較困難，因此雙牽引裝置的通信技術(shù)成為其技術(shù)水平先進的主要標(biāo)志之一。

從牽引機開始使用至今，通信技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)四代，分別是移動拖鏈線纜連接、滑觸線連接、光通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

早期的牽引機電氣信號是通過安裝在拖鏈中的線纜連接，線纜為軟線，以便于來回彎曲。由于受到拖鏈移動速度和長度的影響，牽引機返回速度受限制，而且牽引機的行程也受到限制。

第二代牽引機通信技術(shù)為滑觸線，兩個牽引機共用一套滑觸線，滑觸線的下部為動力電纜，上部為通信線纜。此種通信技術(shù)用于上夾式雙牽引裝置，最多用45根滑觸線，如圖6所示為55 MN鋁擠壓機后部精整設(shè)備牽引機用的滑觸線通信技術(shù)。由于滑觸線數(shù)量多，不能完全封閉，導(dǎo)致在鋸切鋁屑或淬火水珠噴濺在滑觸線上時易于打火造成設(shè)備停機，故障率高;45根滑觸線占據(jù)了整個側(cè)面，使?fàn)恳龣C操作維修困難;以及滑觸線數(shù)量多，增加了設(shè)備成本等原因，滑觸線通信技術(shù)使用的不多。

圖6 55 MN擠壓機牽引機用滑觸線Fig.6 Sliding-outline of the puller in 55 MN extrusion press

第三代通信技術(shù)為紅外光通信技術(shù)，采用數(shù)據(jù)傳輸光傳感器傳輸數(shù)據(jù)信號，動力電纜采用安全滑觸線供電，如圖7所示為75 MN鋁擠壓機后部精整設(shè)備牽引機用的紅外光通信技術(shù)，左上部為傳感器本身，右下部為安全滑觸線。此種傳感器用于牽引機信號傳遞可靠性很高，大大降低了設(shè)備故障率。傳感器的探測范圍為250 m，適用于目前所有牽引機的行程。由于裝置小巧，所占空間不大，雖然進口元件價格較高，但成本比滑觸線裝置略有降低。對于雙牽引裝置，采用一對光通信傳感器。傳感器要求采用線纜依次串行連接，因此，對于整個后部精整設(shè)備，要將牽引機和拉伸矯直機的尾架全部連接到整個網(wǎng)絡(luò)中，就需要四對左右的傳感器。

第四代為無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，無線通信技術(shù)能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，向三維空間傳輸數(shù)據(jù)，中間并不需要傳輸介質(zhì)，只要在組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)安裝接入點設(shè)備，就可以建立局域網(wǎng)，為各種各樣的現(xiàn)場智能設(shè)備、移動機器人以及自動化設(shè)備之間的通信提供靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路。移動終端安裝了無線網(wǎng)卡就可以在接收范圍內(nèi)自由接入網(wǎng)絡(luò)。因此，無線通信技術(shù)在一些特殊的環(huán)境之下有效地彌補了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進一步完善了工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能［3］。采用Siemens或AB等公司的無線交換機配備無線LAN接口，將雙牽引裝置作為接入點進行控制，同時可以將拉伸矯直機移動頭、尾架和成品鋸等作為接入點，實現(xiàn)后部精整設(shè)備控制的全覆蓋。

5 雙牽引裝置的驅(qū)動技術(shù)

牽引機一般采用電機驅(qū)動，電機形式包括直線電機、直流電機和交流變頻電機。

直線電機驅(qū)動形式如圖8所示，直線電機在軌道上來回滑動，牽引機機架直接固定在直線電機的支撐架上，軌道不僅起導(dǎo)向作用，同時安裝直線電機的磁極。直線電機作為牽引機的驅(qū)動方式，降低了設(shè)備的成本，提高了牽引的工作效率。

圖8 直線電機驅(qū)動的牽引機Fig.8 Linear motor-driven puller

直線電機驅(qū)動形式的兩個電極之間的間隙要求嚴格，導(dǎo)致設(shè)備故障率較高，在國內(nèi)推廣應(yīng)用數(shù)量不多。

雙牽引裝置開始采用的是直流電機驅(qū)動，通過電機的電流環(huán)和電壓環(huán)分別控制牽引速度和牽引力，實現(xiàn)恒定牽引力情況下的牽引速度調(diào)節(jié)，如圖9所示為直流電機和同步齒形帶組成的雙牽引機驅(qū)動裝置，用于55 MN鋁擠壓機牽引機上，牽引力為6 000 N。

圖9 牽引機的直流電機驅(qū)動裝置Fig.9 DC motor drive unit of puller

直流電機優(yōu)點是調(diào)速容易和轉(zhuǎn)矩比較大，缺點是制造成本高，碳刷易造成明顯火花，不易維護。而交流電機制造成本低，易于維護。

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是矢量變頻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以用變頻電機模擬成直流電機。從而使變頻電機有取代傳統(tǒng)直流電機的趨勢。

矢量變頻器技術(shù)是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的，把電機的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得交流電機具有和直流電機相似的控制特性，實現(xiàn)牽引機速度環(huán)和力量環(huán)的分別控制［4］。

目前最新一代牽引機采用的是交流變頻電機驅(qū)動的側(cè)夾式雙牽引裝置。

6 結(jié)束語

新開發(fā)的側(cè)夾式雙牽引裝置采用了交流電機和鏈條鋼絲繩的驅(qū)動裝置，無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)了雙牽引機的升級換代。運行結(jié)果證明:

(1)側(cè)夾式牽引機牽引過程平穩(wěn)，返回速度快，設(shè)備可靠性高。

(2)無線通信技術(shù)用于雙牽引裝置，不僅降低了設(shè)備成本，減少了故障率，而且擴大了后部精整設(shè)備的自動控制范圍，實現(xiàn)了全自動化。

(3)采用矢量變頻器控制的交流電機驅(qū)動牽引機，使設(shè)備易于維護，并降低了成本。

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