萬噸級拉伸機活動夾頭斷帶沖擊的研究

范晶君，張 亢，何 潛

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

0 前言

高性能鋁合金材料是現代航天、航空、船舶工業、武器裝備等行業發展必不可少的關鍵材料，隨著我國經濟的快速發展及制造業水平的不斷提高，鋁合金材料特別是大斷面、高品質的鋁合金厚板材料市場需求快速增長。國家“大飛機”項目的實施對大斷面、高品質的鋁合金厚板的需求變得更加迫切。對于高強度鋁合金板材來講，在其前端制造工序（熔鑄、軋制、擠壓或淬火、鋸切等工藝）中，會產生較大的殘余應力及彎曲變形，拉伸機主要用于消除鋁合金材料內部殘余應力、矯正材料的彎曲變形以及拉伸強化。

對于大型拉伸機來講，其核心技術要求就是“均勻夾緊、斷帶保護”，其中的“斷帶保護”，對于大型張力拉伸機，往往會因為板材內部缺陷而發生“斷帶”，如何保護設備在巨大沖擊下不受損壞是世界性的技術難題，本文主要針對斷帶工況下活動夾頭的沖擊運動進行理論研究和仿真計算，為大型拉伸機緩沖結構的設計提供理論支持。

1 拉伸機工作原理

張力拉伸機消除板材內部殘余應力的機理是對淬火后的鋁合金板材在拉伸機上給予1%～4%的塑性變形，實質就是使板材內部的殘余應力重新分布，趨向均勻。如圖1所示，張力拉伸機主要由帶有液壓緩沖功能的復位裝置（1為固定夾頭、2為壓梁、3為主拉伸缸、5為活動夾頭、6為工件）組成，采用全浮動結構設計，即固定夾頭、壓梁、主拉伸缸內部柱塞、活動夾頭與工件等一起在拉伸時形成整體受力封閉框架，整體具有相互自適應的柔性。

圖1 張力拉伸機結構簡圖

拉伸時固定夾頭和活動頭分別夾緊材料的一端，固定夾頭通過插銷與兩個壓梁固定連接在一起，主拉伸缸一端柱塞與活動夾頭連接，另一端柱塞與壓梁固定。活動夾頭由兩個主拉伸缸驅動，相對固定機頭產生位移以實現對材料的拉伸。

在結構設計中，主拉伸缸裝置基本方案為集主拉伸、快速移動及緩沖功能為一體的組合式液壓缸。主工作缸為柱塞缸，其柱塞浮動于缸體之中；快速移動缸為雙作用活塞式油缸，快速移動缸缸體與活動夾頭相連。當“斷帶”發生時，由于巨大的沖擊力，活動夾頭將帶著斷裂的鋁板頭向拉伸方向沖擊運動，這時快速移動缸的緩沖腔將起到緩沖保護作用，起到限制活動夾頭運動的作用。

2 斷帶時沖擊力理論計算

式中：TH為回彈力，等于拉伸時工件斷裂時的拉伸力；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：

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

工件斷裂瞬間，產生回彈加速度，回彈力為：

把式（1）代入式（2）得到：

式中δW為變形彈性伸長量。

由于變形鋁合金應力、應變圖比較復雜，彈性變形與塑性變形分界點不明顯，多數合金沒有屈服段。通常用σ0.2代表σs，當材料拉伸時，發生硬化，σ0.2提高了。通常在板材拉伸時工藝會給出名義的屈服強度，介于σ0.2和σb之間，標記為σc。可通過σc來簡化計算δW。

工件因回彈而產生的動能作用于活動夾頭裝置，按能量守恒原理，可得：

式中：G為活動夾頭重量；QW為鋁板斷裂頭部重量；QH為液壓緩沖器重量。

活動夾頭沖擊能量Εe（忽略鋁板斷裂頭部重量QW，相對于活動夾頭而言，QW重量很小）按下式確定：

活動夾頭與液壓緩沖器發生碰撞關系時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剩余的能量轉換為緩沖器的能量，Εe1的表達式為：

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

剩余能量ΔΕ表達式為：

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特性。另外，從式（9）也可以看出，緩沖器的質量QH越大越好，QH大，ΔE小，彈性元件就可以設計得緊湊。而實際上QH的設計不僅要考慮結構上的限制，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

在液壓緩沖系統中，液壓工作缸和液壓緩沖缸的橫截面積不變，因此，當橫截面積不變時，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。

在實際的緩沖過程中，油液的體積彈性模量會不斷變化，但變化規律十分復雜。由于緩沖時間極短，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與液壓缸長度的關系式：Kln（l/l0）=-（P-P0），可得：

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

4 沖擊動力學仿真分析

由于拉伸機的模型比較復雜，采用了Solidworks進行了拉伸機的三維模型建模，然后轉換成ADAMS兼容的格式，導入到ADAMS工作環境中在進行仿真參數設置時，首先需要設置零部件的材料屬性，只有正確設置了零部件的屬性，才能對其進行動力學分析。

零部件之間的約束設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動關系，從而得到正確的動力學仿真結果。在拉伸機中，主要需要設置一些固定的約束，如設置壓梁底座、將工作液壓缸固定在地面上、將活動頭與緩沖缸固連在一起等。除此之外，對于有相對運動的零部件之間還需設置相應的運動約束，主要為液壓缸之間的相對滑動。

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。通過上述對液壓系統的分析，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。在實際仿真中，工作缸和緩沖缸上作用力隨時間的變化情況如圖2所示。圖中實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間變化曲線（單側）

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

圖3 活動夾頭緩沖運動位移曲線

活動頭緩沖運動速度曲線隨時間變化，如圖4所示。從圖中可以看出，活動頭在緩沖過程中達到的最大速度約為18m/s。

圖4 活動夾頭緩沖運動速度曲線

圖5 活動夾頭緩沖運動能量曲線

5 結論

在鋁板斷裂后，由于鋁合金板巨大拉伸力的釋放會導致斷裂的板頭和活動夾頭獲得了一個較快的沖擊速度。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算方法。對于沖擊力的計算，其沖擊力的大小往往取決于液壓緩沖機構的系統特性，也就是說，其與緩沖液壓缸的設計和液壓系統設計息息相關。

從緩沖結構的角度，利用ADAMS有限元仿真軟件模擬計算出了液壓系統壓力的變化曲線、活動夾頭的速度、加速度、位移及能量曲線，為活動夾頭及其緩沖機構的設計提供了充分的理論支持。