代英男 趙亮 張大維 魏兵 高洪澤

[摘 ? ?要]隨著工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)線噸位越來越大，中小型牽引機(jī)已無法滿足大截面鋁型材的在線牽引，急需發(fā)展一種大型自動化鋁型材在線牽引設(shè)備來滿足生產(chǎn)需求。主要介紹大型交替式雙牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，并通過ABAQUS軟件對重點(diǎn)部位進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。該牽引機(jī)具有自動化水平高、操作簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]牽引機(jī);擠壓;鋁型材

[中圖分類號]TH238 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]With the increasing tonnage of industrial aluminum extrusion production line， small and medium-sized tractor can not meet the online traction of large section aluminum profile， so it is urgent to develop a large-scale automatic aluminum profile online traction equipment to meet the production demand. This paper focuses on the strength analysis of the alternate structure of ABAQUS. The tractor has the characteristics of high automation level， simple operation and stable performance.

[Keywords]tractor; aluminum profile; extrusion

隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，鋁型材擠壓生產(chǎn)線正向著大噸位、高能效、自動化的方向發(fā)展。擠壓機(jī)在擠壓鋁型材過程中，需要對鋁型材進(jìn)行導(dǎo)向牽引，否則鋁型材會大概率出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象，鋁型材的廢品率也會大幅增加。提高生產(chǎn)效率，得到表面質(zhì)量更高的鋁型材，牽引機(jī)是關(guān)鍵因素之一。牽引機(jī)目前主流形式可分為交接式和交替式兩種，交接式牽引機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于制作成本較低，占用場地相對較小，但缺點(diǎn)也較為明顯，鋁型材在牽引交接過程中容易出現(xiàn)交接印、抖動紋，對于表面質(zhì)量要求較高的鋁型材往往難以滿足生產(chǎn)要求。交替式牽引機(jī)有效地解決了交接式牽引機(jī)的缺點(diǎn)，避免交接印、抖動紋，可以得到表面質(zhì)量較高的鋁型材，并且效率高，因此交替式牽引機(jī)逐漸成為大多數(shù)客戶的首選對象。隨著擠壓機(jī)生產(chǎn)的鋁型材截面越來越大，鋁型材在線牽引所需要的牽引力越來越大，中小型牽引機(jī)牽引已經(jīng)無法滿足大噸位擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)需求。具有自動化水平高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)的大型牽引機(jī)成為發(fā)展的新趨勢，因此發(fā)展一種大型全自動鋁型材牽引設(shè)備來滿足大截面鋁型材在線牽引刻不容緩。

1功能及結(jié)構(gòu)組成

交替式雙牽引機(jī)（如圖1）由三部分組成：上牽引機(jī)、下牽引機(jī)、路軌裝置。

上、下牽引機(jī)在其對應(yīng)的路軌上行走，通過各自的升降或伸縮動作完成躲避交替，當(dāng)一臺牽引機(jī)牽引鋁型材工作時，另一臺牽引機(jī)在牽引完畢返程時可以實(shí)現(xiàn)安全避讓，循環(huán)往復(fù)交替牽引鋁型材。

2工作流程

交替式牽引機(jī)在工作過程中可實(shí)現(xiàn)全自動、半自動以及手動操作。上牽引機(jī)以擠壓速度夾持鋁型材行走，鋁型材擠壓完成，擠壓機(jī)停機(jī)換棒，下牽引機(jī)處于鋁型材接縫處附近，下牽引機(jī)將鋁型材夾緊，自動鋸切裝置得到信號將鋁型材接縫鋸斷，上牽引機(jī)快速牽引鋁型材至指定位置卸料，然后返回至鋸切裝置附近等待;期間擠壓機(jī)擠壓下一根鋁型材，下牽引機(jī)開始牽引鋁型材以擠壓速度向前行走，擠壓機(jī)擠壓完成停機(jī)換棒，料縫再次出現(xiàn)在鋸切裝置附近，上牽引機(jī)夾緊鋁型材，自動鋸切裝置將型材接縫處鋸斷，下牽引機(jī)快速牽引鋁型材至指定位置卸料，然后返回至鋸切裝置附近等待，期間上牽引機(jī)以擠壓速度夾持鋁型材行走，循環(huán)往復(fù)交替。

3電氣控制

電氣控制是實(shí)現(xiàn)牽引機(jī)全自動運(yùn)行的關(guān)鍵因素，本系統(tǒng)采用滑觸線供電，PLC通過以太網(wǎng)光通訊移動無線數(shù)據(jù)傳輸與分布式IO進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而控制伺服控制器驅(qū)動牽引機(jī)行走。通過張力限幅功能限制最大牽引力，達(dá)到牽引力恒定控制，從而保證牽引機(jī)速度與鋁型材擠壓速度保持一致。通過伺服電機(jī)編碼器反饋計算出牽引機(jī)實(shí)時位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。各個執(zhí)行元件處安裝有位置、壓力等檢測開關(guān)，通過PLC進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制。并且牽引機(jī)可以讀取擠壓機(jī)的擠壓、換棒信號，配合擠壓機(jī)聯(lián)動生產(chǎn)，更加高效穩(wěn)定。

4重要部位剛強(qiáng)度分析

4.1載荷約束

采用ABAQUS有限元軟件對上路軌及上牽引機(jī)進(jìn)行整體剛強(qiáng)度分析。模型主要受到兩部分載荷，自身重力及外部載荷，外部載荷主要包括牽引力。模型材質(zhì)主要采用Q235B，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011 N/m2，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，立柱底面約束6個自由度。

4.2計算結(jié)果

計算結(jié)果見圖2～圖3。

Y軸方向最大位移ΔU2=7.8 mm。

最大應(yīng)力值σmax=154.5 MPa。

4.3立柱強(qiáng)度優(yōu)化

立柱是牽引機(jī)重要的承載部件，牽引機(jī)所受到的各種載荷最終都傳遞給立柱，立柱結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整個機(jī)體的性能。以立柱的橫縱梁截面尺寸為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度及重量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。立柱的優(yōu)化過程應(yīng)力云圖見圖4。

優(yōu)化過程中各立柱最大應(yīng)力值如下：

（a）方案一：σmax=169.9 MPa;

（b）方案二：σmax=120.0 MPa;

（c）方案三：σmax=129.3 MPa;

（d）方案四：σmax=154.5 MPa;

優(yōu)化過程如下，將（a）強(qiáng)度較大部位進(jìn)行局部減弱，去掉右下斜拉柱，優(yōu)化后如（b）所示;將（b）立柱中間連接板改為兩段型材，優(yōu)化后如（c）所示;將（c）立柱中間兩段型材改成一段，并調(diào)整位置，斜支撐筋板改為型材，優(yōu)化后如（d）;立柱經(jīng)過多次優(yōu)化，最終方案選擇（d）所示，最大應(yīng)力值σmax=154.5 MPa<σp=157 MPa（安全系數(shù)取1.5），滿足強(qiáng)度要求。優(yōu)化后材料成本降低，焊接量減小，焊接導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)減小，在制造成本和機(jī)械綜合性能方面都有顯著的提升。

5設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

可實(shí)現(xiàn)大牽引力、大截面鋁型材在線牽引，彌補(bǔ)大型擠壓生產(chǎn)線在線牽引的需求短缺。

可實(shí)現(xiàn)全自動、半自動及手動操作，性能穩(wěn)定，操作簡單，節(jié)省人力資源。

通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)時修正牽引機(jī)所在位置，定位精準(zhǔn)，長期運(yùn)行同樣可以保證精度要求。

可有效避免出現(xiàn)交接印、抖動紋，適合大截面鋁型材表面質(zhì)量要求更高的鋁型材在線牽引。

6結(jié)論

傳統(tǒng)的設(shè)計方法很難綜合考慮牽引機(jī)復(fù)雜的受力和變形情況，隨著設(shè)計要求的日益提高，有限元分析運(yùn)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為必然的發(fā)展趨勢，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行輔助分析將大幅提高產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化和制造的效率，對提高牽引機(jī)整體的結(jié)構(gòu)綜合性能，降低設(shè)計與制造成本，增強(qiáng)市場竟?fàn)幜Φ榷季哂惺种匾囊饬x。

此設(shè)備的研制開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大截面鋁型材在線牽引自動化生產(chǎn)，有效減少資源投資，為本行業(yè)開發(fā)了新的設(shè)備產(chǎn)品，解決了大型擠壓生產(chǎn)線在線牽引設(shè)備需求的問題。

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