常 瑜，張 超，汪恩輝，陳 峰，左雁冰

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國(guó)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(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，尤其是國(guó)家“大飛機(jī)”項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)高品質(zhì)鋁合金厚板的需求變得更加迫切，萬(wàn)噸級(jí)張力拉伸機(jī)是生產(chǎn)高性能航空級(jí)鋁合金厚板產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的航空級(jí)鋁合金厚板具有強(qiáng)度高、韌性好、內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)良性能，其開(kāi)發(fā)研制對(duì)我國(guó)航空、軍事、民用工業(yè)以至國(guó)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(jī)機(jī)組中最重要的部件之一,負(fù)責(zé)給整個(gè)機(jī)組提供拉伸驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)的普通油缸一般僅為柱塞缸或活塞缸，實(shí)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(dòng)功能集成為一體，可以同時(shí)實(shí)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(huì)瞬間給拉伸機(jī)活動(dòng)部分(主要是活動(dòng)頭)一個(gè)巨大的沖擊，如果不加限制，將會(huì)導(dǎo)致拉伸機(jī)的重大損壞。為了防止斷帶過(guò)程帶來(lái)的巨大沖擊對(duì)設(shè)備造成損壞，主拉伸缸裝置采用液壓緩沖的方式，通過(guò)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(yùn)動(dòng)部件在短時(shí)間內(nèi)緩沖掉斷帶過(guò)程帶來(lái)的沖擊。

1 120 MN拉伸機(jī)主拉伸缸的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

120 MN拉伸機(jī)機(jī)組主要由主拉伸缸、活動(dòng)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(jī)的結(jié)構(gòu)組成

主拉伸缸共兩套，對(duì)稱(chēng)分布在拉伸機(jī)的兩側(cè)，其一端與壓梁連接，另一端與活動(dòng)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(jiàn)，主柱塞缸缸體2與主柱塞3構(gòu)成一個(gè)柱塞缸，活塞缸缸體4與活塞桿7構(gòu)成一個(gè)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(guò)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(dòng)機(jī)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(lái)料的長(zhǎng)度，需要將活動(dòng)機(jī)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(dòng)活動(dòng)機(jī)頭向右快速運(yùn)動(dòng)；活塞缸B腔進(jìn)油，活塞缸缸體縮回主柱塞，并帶動(dòng)活動(dòng)機(jī)頭向左快速運(yùn)動(dòng)。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(dòng)活塞缸缸體帶動(dòng)活動(dòng)機(jī)頭向右運(yùn)動(dòng)，完成拉伸；當(dāng)需要返程時(shí)，活塞缸B腔進(jìn)油，活塞缸缸體帶動(dòng)活動(dòng)機(jī)頭推動(dòng)主柱塞返回。

當(dāng)活動(dòng)機(jī)頭沿著拉伸方向拉伸板材時(shí)，板材也會(huì)給活動(dòng)機(jī)頭一個(gè)與拉伸方向相反的外負(fù)載F。當(dāng)板材發(fā)生斷帶時(shí)，外負(fù)載F會(huì)突然消失，活動(dòng)機(jī)頭會(huì)帶動(dòng)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(shí)活塞缸B腔產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，并通過(guò)安全閥泄荷，對(duì)承受外負(fù)載的活動(dòng)機(jī)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(shí)，活動(dòng)機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)及緩沖缸中壓強(qiáng)都會(huì)發(fā)生變化。而機(jī)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?jí)簭?qiáng)為p工=30 MPa，緩沖腔初始?jí)簭?qiáng)為0 MPa，斷帶發(fā)生后，在極短時(shí)間內(nèi)，工作腔壓強(qiáng)降為0 MPa，緩沖腔壓強(qiáng)升至溢出壓強(qiáng)p緩=40 MPa。假設(shè)板材發(fā)生斷帶時(shí)，工作腔初始長(zhǎng)度為l工=2 m，則可以計(jì)算得到緩沖腔初始長(zhǎng)度為l緩=3.58 m。

液壓缸中壓強(qiáng)與長(zhǎng)度的關(guān)系式為

p=p0+Kln(l0/l)

(1)

式中，p0為液壓缸中的初始?jí)簭?qiáng)；l0為油腔的初始長(zhǎng)度；取K=1×103MPa。

由式(1)可得到工作腔和緩沖腔的長(zhǎng)度分別為

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

因此，工作腔在緩沖過(guò)程中做正功，緩沖腔在緩沖過(guò)程中做負(fù)功。在斷帶發(fā)生到活動(dòng)機(jī)頭停止運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(dòng)力學(xué)仿真分析

采用了Solidworks對(duì)拉伸機(jī)機(jī)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(duì)于材料屬性設(shè)置，在Material Type中選擇零部件的材料，如活動(dòng)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(dòng)計(jì)算出零部件的質(zhì)量以及質(zhì)心的位置。對(duì)于約束設(shè)置，在拉伸機(jī)機(jī)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(dòng)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(lái)對(duì)零部件之間的約束進(jìn)行定義，如液壓缸之間的相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)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(guò)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，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。

圖3 拉伸機(jī)機(jī)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(guò)ADAMS中的Simulation模塊進(jìn)行仿真，得到板材斷帶后活動(dòng)機(jī)頭帶動(dòng)活塞缸缸體的緩沖運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 主拉伸缸緩沖運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

圖4中可以看出，主拉伸缸緩沖過(guò)程中，緩沖時(shí)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(jì)算結(jié)果246 mm基本吻合。緩沖過(guò)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(shí)間很短，在0.05 s左右開(kāi)始減速直到速度降為0。

5 結(jié)語(yǔ)

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