雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)拉拔小車改進(jìn)設(shè)計(jì)

李劍軍，史麗晨，贠志達(dá)

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

拉拔機(jī)常用于無(wú)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(jiàn)的拉拔機(jī)為鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)，可分為單鏈?zhǔn)胶碗p鏈?zhǔn)剑?-2］。拉拔機(jī)主要由主傳動(dòng)系統(tǒng)、主鏈條、拉拔小車、小車返回機(jī)構(gòu)、床身、坯料臺(tái)架、拉拔模、成品收集槽等幾部分組成。

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

1 雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)

拉拔加工是繼熱軋、擠壓或焊接之后對(duì)鋼管進(jìn)行的二次加工，是生產(chǎn)無(wú)縫鋼管的主要方式。由于金屬具有塑性變形的性質(zhì)，當(dāng)金屬管材通過(guò)面積較小的拉拔模的?？讜r(shí)，直徑將減小，從而加工出所需直徑的管材［3-4］。拉拔機(jī)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(dòng)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(jī)械性能和表面質(zhì)量，減小管徑。拉拔的過(guò)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(jī)的后座上，拉拔時(shí)借芯桿之力，短芯頭的工作面保持在與模子定徑帶相對(duì)應(yīng)的位置，管材在受到拉力后，其斷面必須經(jīng)過(guò)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(jī)工作原理示意

在雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)中，拉拔小車通過(guò)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?zhǔn)嚼螜C(jī)的受力均衡，對(duì)中性好，拉拔出的成品管材質(zhì)量較高。通常，雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)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(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)鏈條拖動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)；小車返回時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，通過(guò)鏈條帶動(dòng)小車反向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)拉拔小車返回拉模座時(shí)，由于慣性作用，拉拔小車在接近拉模座時(shí)并不能立刻停止，因而會(huì)撞擊拉模座，拉拔鏈?zhǔn)艿胶艽蟮臎_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(jī)驅(qū)動(dòng)，因此這種拉拔機(jī)的電機(jī)能耗高、生產(chǎn)效率低。

2 拉拔小車改進(jìn)

為了克服上述鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)的缺點(diǎn)，采用雙掛鉤設(shè)計(jì)，將拉拔小車與鏈條脫開(kāi)。在拔制生產(chǎn)加工過(guò)程中，小車通過(guò)掛鉤與運(yùn)動(dòng)鏈條相連來(lái)拖曳管坯通過(guò)模具。當(dāng)?shù)谝淮伟沃平Y(jié)束后，掛鉤自動(dòng)與鏈條脫開(kāi)，小車在快速返回機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)下返回至拉模座，再進(jìn)行第二次拉拔作業(yè)。小車的快速返回機(jī)構(gòu)與主傳動(dòng)系統(tǒng)是兩套系統(tǒng)，小車快速返回時(shí)不需要主傳動(dòng)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，較好地解決了雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)鏈條容易疲勞斷裂的問(wèn)題，同時(shí)避免了主電機(jī)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(jìn)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(jìn)后拉拔小車結(jié)構(gòu)原理示意

為了保證雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)拉拔小車能可靠的工作，就必須要求兩掛鉤同時(shí)動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)掛鉤、脫鉤功能。本次改進(jìn)設(shè)計(jì)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(shí)，拉拔小車在快速返回機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)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(gè)）同時(shí)下落鉤住鏈條，掛鉤壓縮掛鉤回位彈簧。當(dāng)一個(gè)拉拔工作循環(huán)結(jié)束時(shí)，拉拔阻力消失，小車由于慣性的作用，掛鉤與鏈條瞬間脫開(kāi)，掛鉤（兩個(gè)）在回位彈簧（兩個(gè)）的作用下同時(shí)抬起。

2.2 掛鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛鉤是拉拔小車的零部件，拉拔小車通過(guò)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(dòng)，實(shí)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(jì)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(dòng)已夾住管材的拉拔小車進(jìn)行拉拔生產(chǎn)加工。

2.3 平衡塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算

2.3.1 平衡塊截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決兩掛鉤之間的受力平衡問(wèn)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(wèn)題。當(dāng)兩掛鉤受力不平衡時(shí)，平衡塊將繞其與車體的連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩掛鉤受力達(dá)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(duì)其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)［9-10］。平衡塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖4所示。

圖4 平衡塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)要求掛鉤、小車與平衡塊的連接結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(gè)掛鉤受力F=200（kN）。

考慮鏈及掛鉤的沖擊和安全問(wèn)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(qiáng)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(xiǎn)截面。其應(yīng)力σ為：

式中M——危險(xiǎn)截面的彎矩（圖4中危險(xiǎn)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(xiǎn)截面長(zhǎng)度la：

平衡塊上的軸銷孔削弱了平衡塊的強(qiáng)度，為了保證平衡塊有足夠的強(qiáng)度，取A-A截面長(zhǎng)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(xiǎn)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(jì)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(duì)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(dòng)作解決方案

夾管及掛鉤的協(xié)調(diào)動(dòng)作將會(huì)直接影響拉拔機(jī)的整機(jī)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(yùn)行，工作開(kāi)始時(shí)，必須先實(shí)現(xiàn)夾管，再掛鉤，最后實(shí)現(xiàn)拉拔生產(chǎn)作業(yè)。在設(shè)計(jì)中，采用氣缸推動(dòng)板牙來(lái)實(shí)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(jì)時(shí)，必須考慮氣缸的動(dòng)作與撞桿撞擊的時(shí)序問(wèn)題。

圖5所示為夾管—掛鉤—拉拔工作過(guò)程。在圖5（a）中，氣缸的導(dǎo)氣管與拉模座接觸，氣缸的無(wú)活塞端無(wú)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?yán)^續(xù)靠近拉模座，壓縮空氣通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入氣缸無(wú)活塞桿一側(cè)，從而使活塞桿向前移動(dòng)，使板牙完成夾緊管材動(dòng)作；同時(shí)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(shí)現(xiàn)掛鉤下落并鉤住鏈條，此時(shí)，在氣缸的推動(dòng)下，板牙已經(jīng)完成夾緊管材動(dòng)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(guò)程示意

拉拔生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單概括為：夾管—掛鉤—拉拔。為了保證拉拔過(guò)程的順利進(jìn)行，在導(dǎo)氣管上設(shè)計(jì)安裝了壓縮彈簧，其作用是用來(lái)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(shí)現(xiàn)掛鉤下落并鉤住鏈條，隨即帶動(dòng)已夾住管頭的拉拔小車進(jìn)行拉拔生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

改進(jìn)后的雙鏈?zhǔn)嚼螜C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）拉拔加工的成品管精度高。在設(shè)計(jì)雙鏈拉拔機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)，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?zhǔn)嚼喂軝C(jī)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(jī)其拉拔鏈?zhǔn)情]路的環(huán)鏈，工作時(shí)沿同一個(gè)方向連續(xù)運(yùn)行，避免了主電機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)，因而拉拔加工的生產(chǎn)效率高。

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

（4）采用氣缸推動(dòng)板牙來(lái)實(shí)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(jī)械化、自動(dòng)化完成這一系列動(dòng)作，是一種較為先進(jìn)的管材加工設(shè)備。

拉拔小車作為雙鏈拉拔機(jī)的主要組成部分，對(duì)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。

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