大型全自动交替式双牵引机设计

代英男 赵亮 张大维 魏兵 高洪泽

[摘    要]随着工业铝型材挤压生产线吨位越来越大，中小型牵引机已无法满足大截面铝型材的在线牵引，急需发展一种大型自动化铝型材在线牵引设备来满足生产需求。主要介绍大型交替式双牵引机的结构组成，并通过ABAQUS软件对重点部位进行刚强度分析。该牵引机具有自动化水平高、操作简单、性能稳定等特点。

[关键词]牵引机;挤压;铝型材

[中图分类号]TH238 [文献标志码]A [文章编号]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

随着现代工业的进步，铝型材挤压生产线正向着大吨位、高能效、自动化的方向发展。挤压机在挤压铝型材过程中，需要对铝型材进行导向牵引，否则铝型材会大概率出现弯曲和扭曲现象，铝型材的废品率也会大幅增加。提高生产效率，得到表面质量更高的铝型材，牵引机是关键因素之一。牵引机目前主流形式可分为交接式和交替式两种，交接式牵引机的优点在于制作成本较低，占用场地相对较小，但缺点也较为明显，铝型材在牵引交接过程中容易出现交接印、抖动纹，对于表面质量要求较高的铝型材往往难以满足生产要求。交替式牵引机有效地解决了交接式牵引机的缺点，避免交接印、抖动纹，可以得到表面质量较高的铝型材，并且效率高，因此交替式牵引机逐渐成为大多数客户的首选对象。随着挤压机生产的铝型材截面越来越大，铝型材在线牵引所需要的牵引力越来越大，中小型牵引机牵引已经无法满足大吨位挤压生产线的生产需求。具有自动化水平高、性能稳定等特点的大型牵引机成为发展的新趋势，因此发展一种大型全自动铝型材牵引设备来满足大截面铝型材在线牵引刻不容缓。

1功能及结构组成

交替式双牵引机（如图1）由三部分组成：上牵引机、下牵引机、路轨装置。

上、下牵引机在其对应的路轨上行走，通过各自的升降或伸缩动作完成躲避交替，当一台牵引机牵引铝型材工作时，另一台牵引机在牵引完毕返程时可以实现安全避让，循环往复交替牵引铝型材。

2工作流程

交替式牵引机在工作过程中可实现全自动、半自动以及手动操作。上牵引机以挤压速度夹持铝型材行走，铝型材挤压完成，挤压机停机换棒，下牵引机处于铝型材接缝处附近，下牵引机将铝型材夹紧，自动锯切装置得到信号将铝型材接缝锯断，上牵引机快速牵引铝型材至指定位置卸料，然后返回至锯切装置附近等待;期间挤压机挤压下一根铝型材，下牵引机开始牵引铝型材以挤压速度向前行走，挤压机挤压完成停机换棒，料缝再次出现在锯切装置附近，上牵引机夹紧铝型材，自动锯切装置将型材接缝处锯断，下牵引机快速牵引铝型材至指定位置卸料，然后返回至锯切装置附近等待，期间上牵引机以挤压速度夹持铝型材行走，循环往复交替。

3电气控制

电气控制是实现牵引机全自动运行的关键因素，本系统采用滑触线供电，PLC通过以太网光通讯移动无线数据传输与分布式IO进行数据交换，从而控制伺服控制器驅动牵引机行走。通过张力限幅功能限制最大牵引力，达到牵引力恒定控制，从而保证牵引机速度与铝型材挤压速度保持一致。通过伺服电机编码器反馈计算出牵引机实时位置，实现精准定位。各个执行元件处安装有位置、压力等检测开关，通过PLC进行逻辑控制，实现整个系统的自动控制。并且牵引机可以读取挤压机的挤压、换棒信号，配合挤压机联动生产，更加高效稳定。

4重要部位刚强度分析

4.1载荷约束

采用ABAQUS有限元软件对上路轨及上牵引机进行整体刚强度分析。模型主要受到两部分载荷，自身重力及外部载荷，外部载荷主要包括牵引力。模型材质主要采用Q235B，密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011 N/m2，泊松比μ=0.3，屈服强度σs=235 MPa，立柱底面约束6个自由度。

4.2计算结果

计算结果见图2～图3。

Y轴方向最大位移ΔU2=7.8 mm。

最大应力值σmax=154.5 MPa。

4.3立柱强度优化

立柱是牵引机重要的承载部件，牵引机所受到的各种载荷最终都传递给立柱，立柱结构性能的好坏直接关系到整个机体的性能。以立柱的横纵梁截面尺寸为设计变量，以结构的总体强度及重量为目标进行优化。立柱的优化过程应力云图见图4。

优化过程中各立柱最大应力值如下：

（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;

优化过程如下，将（a）强度较大部位进行局部减弱，去掉右下斜拉柱，优化后如（b）所示;将（b）立柱中间连接板改为两段型材，优化后如（c）所示;将（c）立柱中间两段型材改成一段，并调整位置，斜支撑筋板改为型材，优化后如（d）;立柱经过多次优化，最终方案选择（d）所示，最大应力值σmax=154.5 MPa<σp=157 MPa（安全系数取1.5），满足强度要求。优化后材料成本降低，焊接量减小，焊接导致的内应力也相应减小，在制造成本和机械综合性能方面都有显著的提升。

5设备优点

可实现大牵引力、大截面铝型材在线牵引，弥补大型挤压生产线在线牵引的需求短缺。

可实现全自动、半自动及手动操作，性能稳定，操作简单，节省人力资源。

通过伺服驱动系统，实时修正牵引机所在位置，定位精准，长期运行同样可以保证精度要求。

可有效避免出现交接印、抖动纹，适合大截面铝型材表面质量要求更高的铝型材在线牵引。

6结论

传统的设计方法很难综合考虑牵引机复杂的受力和变形情况，随着设计要求的日益提高，有限元分析运用于结构设计已成为必然的发展趋势，运用有限元软件进行辅助分析将大幅提高产品开发、优化和制造的效率，对提高牵引机整体的结构综合性能，降低设计与制造成本，增强市场竟争力等都具有十分重要的意义。

此设备的研制开发，实现了大截面铝型材在线牵引自动化生产，有效减少资源投资，为本行业开发了新的设备产品，解决了大型挤压生产线在线牵引设备需求的问题。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2008.

[2] 陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].第4版.北京：机械工业出版社，2016.

[3] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5] 單辉祖.材料力学教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6] 孙志礼，冷兴聚，魏严刚，等.机械设计[M].沈阳：东北大学出版社，2000.