拉伸机复合式主拉伸缸装置

常 瑜，张 超，汪恩辉，陈 峰，左雁冰

(中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710032)

0 前言

随着我国经济的快速发展及制造业水平的不断提高，铝合金材料特别是大断面铝合金厚板材料市场需求快速增长，尤其是国家“大飞机”项目的实施，对高品质铝合金厚板的需求变得更加迫切，万吨级张力拉伸机是生产高性能航空级铝合金厚板产品的关键设备，经过预拉伸的航空级铝合金厚板具有强度高、韧性好、内应力小等优良性能，其开发研制对我国航空、军事、民用工业以至国民经济发展具有十分重大的意义。而主拉伸缸是拉伸机机组中最重要的部件之一,负责给整个机组提供拉伸驱动力。传统的普通油缸一般仅为柱塞缸或活塞缸，实现的功能比较单一，产生的压力与行程调整范围有限，且不具有缓冲能力，本文中的复合式主拉伸缸装置克服了传统普通油缸的一系列不足，有效地将拉伸与快速移动功能集成为一体，可以同时实现小负载、大行程与大负载、小行程的完美切换。当板材发生断带的瞬间，由于主拉伸缸装置仍处于工作状态，会瞬间给拉伸机活动部分(主要是活动头)一个巨大的冲击，如果不加限制，将会导致拉伸机的重大损坏。为了防止断带过程带来的巨大冲击对设备造成损坏，主拉伸缸装置采用液压缓冲的方式，通过合理设置缓冲液压系统的参数，能够使得主拉伸缸等运动部件在短时间内缓冲掉断带过程带来的冲击。

1 120 MN拉伸机主拉伸缸的结构组成及工作原理

120 MN拉伸机机组主要由主拉伸缸、活动夹头、固定夹头、压梁总成、缓冲复位装置等组成，如图1所示。

图1 120 MN拉伸机的结构组成

主拉伸缸共两套，对称分布在拉伸机的两侧，其一端与压梁连接，另一端与活动夹头连接。如图2所示为主拉伸缸的内部结构图。

由图2可见，主柱塞缸缸体2与主柱塞3构成一个柱塞缸，活塞缸缸体4与活塞杆7构成一个活塞缸，主柱塞3内部为空腔体，活塞缸缸体4套在主柱塞3的空腔体内。活塞杆7其中一端穿过活塞缸缸体4、主柱塞3和主柱塞缸体2，与压梁1的压缩柱固定，在活塞缸缸体4内由密封套密封，另一端则与外部连接，活塞缸缸体4与承受外负载的活动机头5相连。

图2 主拉伸缸内部结构图

设备拉伸前根据来料的长度，需要将活动机头移至合适的位置。在小负载、大行程的情况下，活塞缸A腔进油，活塞缸缸体伸出主柱塞，并带动活动机头向右快速运动；活塞缸B腔进油，活塞缸缸体缩回主柱塞，并带动活动机头向左快速运动。在大负载、小行程的情况下，柱塞缸C腔进油，主柱塞推动活塞缸缸体带动活动机头向右运动，完成拉伸；当需要返程时，活塞缸B腔进油，活塞缸缸体带动活动机头推动主柱塞返回。

当活动机头沿着拉伸方向拉伸板材时，板材也会给活动机头一个与拉伸方向相反的外负载F。当板材发生断带时，外负载F会突然消失，活动机头会带动活塞缸缸体由于瞬间释放的弹性能作用，沿拉伸方向产生巨大冲击，此时活塞缸B腔产生瞬时高压，并通过安全阀泄荷，对承受外负载的活动机头及主拉伸缸起到了液压缓冲的作用。

2 断带后主拉伸缸的缓冲距离

板材发生断带时，活动机头的运动及缓冲缸中压强都会发生变化。而机械结构零部件的具体受力情况也在变化。将C腔当作工作腔，将B腔当作缓冲腔，则工作腔和缓冲腔的横截面积分别为

S工=2 m2
S缓=0.258 m2

板材断带前，工作腔初始压强为p工=30 MPa，缓冲腔初始压强为0 MPa，断带发生后，在极短时间内，工作腔压强降为0 MPa，缓冲腔压强升至溢出压强p缓=40 MPa。假设板材发生断带时，工作腔初始长度为l工=2 m，则可以计算得到缓冲腔初始长度为l缓=3.58 m。

液压缸中压强与长度的关系式为

p=p0+Kln(l0/l)

(1)

式中，p0为液压缸中的初始压强；l0为油腔的初始长度；取K=1×103MPa。

由式(1)可得到工作腔和缓冲腔的长度分别为

由此可以看出长度变化相对于初始长度来说变化较小，因此可以认为在缓冲过程中油腔的长度不变，利用体积弹性模量，可以计算断带后瞬间工作缸和缓冲缸的长度变化为

因此，工作腔在缓冲过程中做正功，缓冲腔在缓冲过程中做负功。在断带发生到活动机头停止运动的过程中，由能量守恒定律，工作腔做功应等于缓冲腔做功，即

W工=W缓

工作腔做功可以表示为

而缓冲腔做功可以表示为

式中，Δl为主拉伸缸缓冲的距离。

4 断带后主拉伸缸缓冲动力学仿真分析

采用了Solidworks对拉伸机机组进行三维建模，其模型如图3所示。然后转换成ADAMS兼容的格式，导入到ADAMS工作环境中进行零部件材料属性设置，约束设置及受力设置等。对于材料属性设置，在Material Type中选择零部件的材料，如活动头的材料设置为钢铁，则ADAMS就能根据零部件的形状，自动计算出零部件的质量以及质心的位置。对于约束设置，在拉伸机机组中，主要需要设置一些固定的约束，如压梁底座、工作液压缸固定在地面上，活动头与主拉伸缸固连在一起等。除此之外，主要利用ADAMS中的Connectors模块中的相应约束来对零部件之间的约束进行定义，如液压缸之间的相对滑动。对于受力设置，利用ADAMS中的Forces模块进行力的定义，在断带过程中，拉伸机的受力主要是工作缸和缓冲缸中的液压作用，以变化的作用力模拟了液压缸的液压作用。其中工作缸的液压作用等效为作用在工作缸活动部分上的变力作用，缓冲缸的液压作用等效为作用在缓冲缸活动部分上的变力作用。

图3 拉伸机机组的三维模型

在不考虑缸体之间的摩擦及油液的热膨胀的情况下，通过ADAMS中的Simulation模块进行仿真，得到板材断带后活动机头带动活塞缸缸体的缓冲运动的仿真结果，如图4所示。

图4 主拉伸缸缓冲运动曲线

图4中可以看出，主拉伸缸缓冲过程中，缓冲时间极短，约为0.2 s，主拉伸缸向前缓冲的距离约为250 mm，与数值计算结果246 mm基本吻合。缓冲过程中达到的最大速度约为18 m/s，初始加速度很大，可以达到约70 m/s2，能量达到3.5×109N·mm，但持续的时间很短，在0.05 s左右开始减速直到速度降为0。

5 结语

本文根据中国重型机械研究院股份公司为某厂成套供货的120MN张力拉伸机，分析了主拉伸缸的结构组成及工作原理，并分别对主拉伸缸采用数值计算和动力学仿真相结合的方式，通过对比不仅验证了仿真分析计算的可靠性和合理性，而且为今后探讨主拉伸缸在拉伸过程中的断带缓冲实时监测提供科学依据。