拉伸機復(fù)合式主拉伸缸裝置

常 瑜，張 超，汪恩輝，陳 峰，左雁冰

(中國重型機械研究院股份公司,陜西 西安 710032)

0 前言

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鋁合金厚板材料市場需求快速增長，尤其是國家“大飛機”項目的實施，對高品質(zhì)鋁合金厚板的需求變得更加迫切，萬噸級張力拉伸機是生產(chǎn)高性能航空級鋁合金厚板產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)過預(yù)拉伸的航空級鋁合金厚板具有強度高、韌性好、內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)良性能，其開發(fā)研制對我國航空、軍事、民用工業(yè)以至國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重大的意義。而主拉伸缸是拉伸機機組中最重要的部件之一,負(fù)責(zé)給整個機組提供拉伸驅(qū)動力。傳統(tǒng)的普通油缸一般僅為柱塞缸或活塞缸，實現(xiàn)的功能比較單一，產(chǎn)生的壓力與行程調(diào)整范圍有限，且不具有緩沖能力，本文中的復(fù)合式主拉伸缸裝置克服了傳統(tǒng)普通油缸的一系列不足，有效地將拉伸與快速移動功能集成為一體，可以同時實現(xiàn)小負(fù)載、大行程與大負(fù)載、小行程的完美切換。當(dāng)板材發(fā)生斷帶的瞬間，由于主拉伸缸裝置仍處于工作狀態(tài)，會瞬間給拉伸機活動部分(主要是活動頭)一個巨大的沖擊，如果不加限制，將會導(dǎo)致拉伸機的重大損壞。為了防止斷帶過程帶來的巨大沖擊對設(shè)備造成損壞，主拉伸缸裝置采用液壓緩沖的方式，通過合理設(shè)置緩沖液壓系統(tǒng)的參數(shù)，能夠使得主拉伸缸等運動部件在短時間內(nèi)緩沖掉斷帶過程帶來的沖擊。

1 120 MN拉伸機主拉伸缸的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

120 MN拉伸機機組主要由主拉伸缸、活動夾頭、固定夾頭、壓梁總成、緩沖復(fù)位裝置等組成，如圖1所示。

圖1 120 MN拉伸機的結(jié)構(gòu)組成

主拉伸缸共兩套，對稱分布在拉伸機的兩側(cè)，其一端與壓梁連接，另一端與活動夾頭連接。如圖2所示為主拉伸缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

由圖2可見，主柱塞缸缸體2與主柱塞3構(gòu)成一個柱塞缸，活塞缸缸體4與活塞桿7構(gòu)成一個活塞缸，主柱塞3內(nèi)部為空腔體，活塞缸缸體4套在主柱塞3的空腔體內(nèi)?；钊麠U7其中一端穿過活塞缸缸體4、主柱塞3和主柱塞缸體2，與壓梁1的壓縮柱固定，在活塞缸缸體4內(nèi)由密封套密封，另一端則與外部連接，活塞缸缸體4與承受外負(fù)載的活動機頭5相連。

圖2 主拉伸缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備拉伸前根據(jù)來料的長度，需要將活動機頭移至合適的位置。在小負(fù)載、大行程的情況下，活塞缸A腔進(jìn)油，活塞缸缸體伸出主柱塞，并帶動活動機頭向右快速運動；活塞缸B腔進(jìn)油，活塞缸缸體縮回主柱塞，并帶動活動機頭向左快速運動。在大負(fù)載、小行程的情況下，柱塞缸C腔進(jìn)油，主柱塞推動活塞缸缸體帶動活動機頭向右運動，完成拉伸；當(dāng)需要返程時，活塞缸B腔進(jìn)油，活塞缸缸體帶動活動機頭推動主柱塞返回。

當(dāng)活動機頭沿著拉伸方向拉伸板材時，板材也會給活動機頭一個與拉伸方向相反的外負(fù)載F。當(dāng)板材發(fā)生斷帶時，外負(fù)載F會突然消失，活動機頭會帶動活塞缸缸體由于瞬間釋放的彈性能作用，沿拉伸方向產(chǎn)生巨大沖擊，此時活塞缸B腔產(chǎn)生瞬時高壓，并通過安全閥泄荷，對承受外負(fù)載的活動機頭及主拉伸缸起到了液壓緩沖的作用。

2 斷帶后主拉伸缸的緩沖距離

板材發(fā)生斷帶時，活動機頭的運動及緩沖缸中壓強都會發(fā)生變化。而機械結(jié)構(gòu)零部件的具體受力情況也在變化。將C腔當(dāng)作工作腔，將B腔當(dāng)作緩沖腔，則工作腔和緩沖腔的橫截面積分別為

S工=2 m2
S緩=0.258 m2

板材斷帶前，工作腔初始壓強為p工=30 MPa，緩沖腔初始壓強為0 MPa，斷帶發(fā)生后，在極短時間內(nèi)，工作腔壓強降為0 MPa，緩沖腔壓強升至溢出壓強p緩=40 MPa。假設(shè)板材發(fā)生斷帶時，工作腔初始長度為l工=2 m，則可以計算得到緩沖腔初始長度為l緩=3.58 m。

液壓缸中壓強與長度的關(guān)系式為

p=p0+Kln(l0/l)

(1)

式中，p0為液壓缸中的初始壓強；l0為油腔的初始長度；取K=1×103MPa。

由式(1)可得到工作腔和緩沖腔的長度分別為

由此可以看出長度變化相對于初始長度來說變化較小，因此可以認(rèn)為在緩沖過程中油腔的長度不變，利用體積彈性模量，可以計算斷帶后瞬間工作缸和緩沖缸的長度變化為

因此，工作腔在緩沖過程中做正功，緩沖腔在緩沖過程中做負(fù)功。在斷帶發(fā)生到活動機頭停止運動的過程中，由能量守恒定律，工作腔做功應(yīng)等于緩沖腔做功，即

W工=W緩

工作腔做功可以表示為

而緩沖腔做功可以表示為

式中，Δl為主拉伸缸緩沖的距離。

4 斷帶后主拉伸缸緩沖動力學(xué)仿真分析

采用了Solidworks對拉伸機機組進(jìn)行三維建模，其模型如圖3所示。然后轉(zhuǎn)換成ADAMS兼容的格式，導(dǎo)入到ADAMS工作環(huán)境中進(jìn)行零部件材料屬性設(shè)置，約束設(shè)置及受力設(shè)置等。對于材料屬性設(shè)置，在Material Type中選擇零部件的材料，如活動頭的材料設(shè)置為鋼鐵，則ADAMS就能根據(jù)零部件的形狀，自動計算出零部件的質(zhì)量以及質(zhì)心的位置。對于約束設(shè)置，在拉伸機機組中，主要需要設(shè)置一些固定的約束，如壓梁底座、工作液壓缸固定在地面上，活動頭與主拉伸缸固連在一起等。除此之外，主要利用ADAMS中的Connectors模塊中的相應(yīng)約束來對零部件之間的約束進(jìn)行定義，如液壓缸之間的相對滑動。對于受力設(shè)置，利用ADAMS中的Forces模塊進(jìn)行力的定義，在斷帶過程中，拉伸機的受力主要是工作缸和緩沖缸中的液壓作用，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部分上的變力作用。

圖3 拉伸機機組的三維模型

在不考慮缸體之間的摩擦及油液的熱膨脹的情況下，通過ADAMS中的Simulation模塊進(jìn)行仿真，得到板材斷帶后活動機頭帶動活塞缸缸體的緩沖運動的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 主拉伸缸緩沖運動曲線

圖4中可以看出，主拉伸缸緩沖過程中，緩沖時間極短，約為0.2 s，主拉伸缸向前緩沖的距離約為250 mm，與數(shù)值計算結(jié)果246 mm基本吻合。緩沖過程中達(dá)到的最大速度約為18 m/s，初始加速度很大，可以達(dá)到約70 m/s2，能量達(dá)到3.5×109N·mm，但持續(xù)的時間很短，在0.05 s左右開始減速直到速度降為0。

5 結(jié)語

本文根據(jù)中國重型機械研究院股份公司為某廠成套供貨的120MN張力拉伸機，分析了主拉伸缸的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，并分別對主拉伸缸采用數(shù)值計算和動力學(xué)仿真相結(jié)合的方式，通過對比不僅驗證了仿真分析計算的可靠性和合理性，而且為今后探討主拉伸缸在拉伸過程中的斷帶緩沖實時監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。