萬噸級拉伸機(jī)活動(dòng)夾頭斷帶沖擊的研究

范晶君，張 亢，何 潛

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安710032）

0 前言

高性能鋁合金材料是現(xiàn)代航天、航空、船舶工業(yè)、武器裝備等行業(yè)發(fā)展必不可少的關(guān)鍵材料，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及制造業(yè)水平的不斷提高，鋁合金材料特別是大斷面、高品質(zhì)的鋁合金厚板材料市場需求快速增長。國家“大飛機(jī)”項(xiàng)目的實(shí)施對大斷面、高品質(zhì)的鋁合金厚板的需求變得更加迫切。對于高強(qiáng)度鋁合金板材來講，在其前端制造工序（熔鑄、軋制、擠壓或淬火、鋸切等工藝）中，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及彎曲變形，拉伸機(jī)主要用于消除鋁合金材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、矯正材料的彎曲變形以及拉伸強(qiáng)化。

對于大型拉伸機(jī)來講，其核心技術(shù)要求就是“均勻夾緊、斷帶保護(hù)”，其中的“斷帶保護(hù)”，對于大型張力拉伸機(jī)，往往會(huì)因?yàn)榘宀膬?nèi)部缺陷而發(fā)生“斷帶”，如何保護(hù)設(shè)備在巨大沖擊下不受損壞是世界性的技術(shù)難題，本文主要針對斷帶工況下活動(dòng)夾頭的沖擊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論研究和仿真計(jì)算，為大型拉伸機(jī)緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 拉伸機(jī)工作原理

張力拉伸機(jī)消除板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的機(jī)理是對淬火后的鋁合金板材在拉伸機(jī)上給予1%～4%的塑性變形，實(shí)質(zhì)就是使板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力重新分布，趨向均勻。如圖1所示，張力拉伸機(jī)主要由帶有液壓緩沖功能的復(fù)位裝置（1為固定夾頭、2為壓梁、3為主拉伸缸、5為活動(dòng)夾頭、6為工件）組成，采用全浮動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即固定夾頭、壓梁、主拉伸缸內(nèi)部柱塞、活動(dòng)夾頭與工件等一起在拉伸時(shí)形成整體受力封閉框架，整體具有相互自適應(yīng)的柔性。

圖1 張力拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

拉伸時(shí)固定夾頭和活動(dòng)頭分別夾緊材料的一端，固定夾頭通過插銷與兩個(gè)壓梁固定連接在一起，主拉伸缸一端柱塞與活動(dòng)夾頭連接，另一端柱塞與壓梁固定?；顒?dòng)夾頭由兩個(gè)主拉伸缸驅(qū)動(dòng)，相對固定機(jī)頭產(chǎn)生位移以實(shí)現(xiàn)對材料的拉伸。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主拉伸缸裝置基本方案為集主拉伸、快速移動(dòng)及緩沖功能為一體的組合式液壓缸。主工作缸為柱塞缸，其柱塞浮動(dòng)于缸體之中；快速移動(dòng)缸為雙作用活塞式油缸，快速移動(dòng)缸缸體與活動(dòng)夾頭相連。當(dāng)“斷帶”發(fā)生時(shí)，由于巨大的沖擊力，活動(dòng)夾頭將帶著斷裂的鋁板頭向拉伸方向沖擊運(yùn)動(dòng)，這時(shí)快速移動(dòng)缸的緩沖腔將起到緩沖保護(hù)作用，起到限制活動(dòng)夾頭運(yùn)動(dòng)的作用。

2 斷帶時(shí)沖擊力理論計(jì)算

式中：TH為回彈力，等于拉伸時(shí)工件斷裂時(shí)的拉伸力；QW為工件重量；α為回彈加速度，m／s2。

工件回彈速度用下式求出：

板材拉伸時(shí)鋁板承受巨大的拉伸力，鋁板內(nèi)部缺陷導(dǎo)致鋁板在拉伸力作用下發(fā)生斷裂變，其斷裂導(dǎo)致前述的“力平衡封閉框架”失去平衡，沖擊首先發(fā)生在鋁板頭部，鋁板頭部的沖擊引起活動(dòng)夾頭及固定夾頭整體的沖擊。從這個(gè)角度看，首先分析鋁合金頭部的沖擊力。

工件斷裂瞬間，產(chǎn)生回彈加速度，回彈力為：

把式（1）代入式（2）得到：

式中δW為變形彈性伸長量。

由于變形鋁合金應(yīng)力、應(yīng)變圖比較復(fù)雜，彈性變形與塑性變形分界點(diǎn)不明顯，多數(shù)合金沒有屈服段。通常用σ0.2代表σs，當(dāng)材料拉伸時(shí)，發(fā)生硬化，σ0.2提高了。通常在板材拉伸時(shí)工藝會(huì)給出名義的屈服強(qiáng)度，介于σ0.2和σb之間，標(biāo)記為σc?？赏ㄟ^σc來簡化計(jì)算δW。

工件因回彈而產(chǎn)生的動(dòng)能作用于活動(dòng)夾頭裝置，按能量守恒原理，可得：

式中：G為活動(dòng)夾頭重量；QW為鋁板斷裂頭部重量；QH為液壓緩沖器重量。

活動(dòng)夾頭沖擊能量Εe（忽略鋁板斷裂頭部重量QW，相對于活動(dòng)夾頭而言，QW重量很?。┌聪率酱_定：

活動(dòng)夾頭與液壓緩沖器發(fā)生碰撞關(guān)系時(shí)不屬于完全剛性碰撞，介于剛性與塑性之間，所以有能量損失，把總能量Εe減去能量損失Εe1剩余的能量轉(zhuǎn)換為緩沖器的能量，Εe1的表達(dá)式為：

式中：k為能量損失系數(shù)，完全剛性碰撞時(shí)取1，完全塑性碰撞時(shí)取值0，此處取值0.5。

剩余能量ΔΕ表達(dá)式為：

令式（9）和式（10）相等，并假定液壓緩沖器彈簧剛度為C，就可以求出沖擊力：

δC為彈簧靜變形量。由式（11）可以看出，沖擊力的大小除了取決于作用緩沖器上的能量大小，也取決于緩，沖器上彈性體的力學(xué)特性。另外，從式（9）也可以看出，緩沖器的質(zhì)量QH越大越好，QH大，ΔE小，彈性元件就可以設(shè)計(jì)得緊湊。而實(shí)際上QH的設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)上的限制，還要考慮成本因素。液壓緩沖器彈簧剛度C取決于液壓緩沖缸的系統(tǒng)特性，很難像普通彈簧剛度那樣確定。

3 緩沖缸沖擊分析

在液壓緩沖系統(tǒng)中，液壓工作缸和液壓緩沖缸的橫截面積不變，因此，當(dāng)橫截面積不變時(shí)，體積彈性模量可以表示為：

式中：l為液壓缸工作腔長度變化值；P為液壓缸工作腔壓力。

在實(shí)際的緩沖過程中，油液的體積彈性模量會(huì)不斷變化，但變化規(guī)律十分復(fù)雜。由于緩沖時(shí)間極短，可取體積彈性模量為常值。

由彈性模量定義可以得到：

對上式兩邊分別積分，可以得到液壓缸中壓強(qiáng)與液壓缸長度的關(guān)系式：Kln（l/l0）=-（P-P0），可得：

式中：P0為液壓缸中的初始壓強(qiáng)；l0為油腔的初始長度。通常在一個(gè)斷帶緩沖過程中，主工作缸壓力在斷帶時(shí)工作壓力降到0，而緩沖作用腔的壓力從0升到設(shè)定的系統(tǒng)保護(hù)壓力，這樣就能從式（14）中計(jì)算出工作腔的變化值。

4 沖擊動(dòng)力學(xué)仿真分析

由于拉伸機(jī)的模型比較復(fù)雜，采用了Solidworks進(jìn)行了拉伸機(jī)的三維模型建模，然后轉(zhuǎn)換成ADAMS兼容的格式，導(dǎo)入到ADAMS工作環(huán)境中在進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置時(shí)，首先需要設(shè)置零部件的材料屬性，只有正確設(shè)置了零部件的屬性，才能對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

零部件之間的約束設(shè)置主要是為了保證在仿真過程中，零部件之間能夠維持正常的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而得到正確的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果。在拉伸機(jī)中，主要需要設(shè)置一些固定的約束，如設(shè)置壓梁底座、將工作液壓缸固定在地面上、將活動(dòng)頭與緩沖缸固連在一起等。除此之外，對于有相對運(yùn)動(dòng)的零部件之間還需設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束，主要為液壓缸之間的相對滑動(dòng)。

在斷帶過程中，拉伸機(jī)的受力主要是工作缸和緩沖缸中的液壓作用。通過上述對液壓系統(tǒng)的分析，得到了工作缸和液壓缸中壓力隨位移的變化情況。因此，在受力設(shè)置中，以變化的作用力模擬了液壓缸的液壓作用。其中工作缸的液壓作用等效為作用在工作缸活動(dòng)部分上的變力作用，緩沖缸的液壓作用等效為作用在緩沖缸活動(dòng)部分上的變力作用。在實(shí)際仿真中，工作缸和緩沖缸上作用力隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。圖中實(shí)線為工作缸壓力變化曲線，虛線為緩沖缸壓力變化曲線。

圖2 液壓緩沖缸壓力隨時(shí)間變化曲線（單側(cè)）

在斷帶之后，活動(dòng)頭的緩沖運(yùn)動(dòng)位移曲線隨時(shí)間變化，如圖3所示。從圖中可以看出，緩沖過程時(shí)間極短，約為0.2s，在這段時(shí)間內(nèi)，活動(dòng)頭向前緩沖的距離約為250mm。

圖3 活動(dòng)夾頭緩沖運(yùn)動(dòng)位移曲線

活動(dòng)頭緩沖運(yùn)動(dòng)速度曲線隨時(shí)間變化，如圖4所示。從圖中可以看出，活動(dòng)頭在緩沖過程中達(dá)到的最大速度約為18m/s。

圖4 活動(dòng)夾頭緩沖運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖5 活動(dòng)夾頭緩沖運(yùn)動(dòng)能量曲線

5 結(jié)論

在鋁板斷裂后，由于鋁合金板巨大拉伸力的釋放會(huì)導(dǎo)致斷裂的板頭和活動(dòng)夾頭獲得了一個(gè)較快的沖擊速度。本文通過鋁板回彈的角度確定了沖擊能量和速度的理論計(jì)算方法。對于沖擊力的計(jì)算，其沖擊力的大小往往取決于液壓緩沖機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)特性，也就是說，其與緩沖液壓缸的設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。

從緩沖結(jié)構(gòu)的角度，利用ADAMS有限元仿真軟件模擬計(jì)算出了液壓系統(tǒng)壓力的變化曲線、活動(dòng)夾頭的速度、加速度、位移及能量曲線，為活動(dòng)夾頭及其緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了充分的理論支持。