張 君，王 軍，付永濤，楊丹峰，李正利，陳永甲

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

0 前言

鋁型材擠壓生產(chǎn)線包括鋁棒加熱爐、鋁擠壓機(jī)和后部精整設(shè)備，牽引機(jī)為后部精整設(shè)備的關(guān)鍵裝置。鋁型材擠壓時(shí)，由于鋁錠坯與擠壓工模具(擠壓筒、模具、擠壓墊等)之間的摩擦，引起了鋁錠坯擠壓過(guò)程中沿截面方向流動(dòng)速度的不均勻。利用牽引機(jī)牽引鋁型材，可以消除5%流動(dòng)速度的不均勻，從而使制品沿截面的流動(dòng)比較均勻，有利于模具內(nèi)焊合室中金屬的成形。牽引機(jī)牽引擠壓制品沿其導(dǎo)軌直線行進(jìn)，保證制品的直線度，防止制品扭曲，減少制品表面的損傷。牽引機(jī)采用恒張力控制，即在制品截面產(chǎn)生一個(gè)恒定的張力;同時(shí)，在此張力作用下對(duì)型材進(jìn)行風(fēng)冷或水冷，不僅減少型材的冷卻變形，而且使微觀組織結(jié)構(gòu)均勻［1］。

采用雙牽引裝備技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓，提高擠壓效率;而且能夠在焊接環(huán)和停車(chē)環(huán)之間鋸切分離鋁型材，提高成材率。

近二三十年以來(lái)，中國(guó)的鋁型材擠壓裝備技術(shù)發(fā)展迅速，中國(guó)成為全球鋁擠壓生產(chǎn)線最多的國(guó)家，已裝備超過(guò)3 000條擠壓生產(chǎn)線，年擠壓鋁型材產(chǎn)量超過(guò)1 000萬(wàn)噸，成為了全球鋁型材擠壓生產(chǎn)大國(guó)［2］。但中國(guó)裝備雙牽引裝置的鋁型材擠壓生產(chǎn)線僅300條左右，不到十分之一。

目前，隨著軌道交通、高速鐵路、航空航天、新能源汽車(chē)、電力和軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)特種高性能工業(yè)鋁型材的需求持續(xù)增加。對(duì)于特種高性能工業(yè)鋁型材擠壓來(lái)講，雙牽引裝置尤為重要，不僅可以提高大型鋁型材的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能，而且可以提高大型鋁型材的成品率。因此，作為工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，雙牽引裝置技術(shù)的研究迫在眉睫。

1 雙牽引裝置結(jié)構(gòu)形式

雙牽引裝置包括交替式雙牽引裝置和接力式雙牽引裝置，交替式雙牽引裝置主要應(yīng)用于中小型擠壓生產(chǎn)線，接力式雙牽引裝置主要應(yīng)用于大型擠壓生產(chǎn)線。

交替式的雙牽引裝置如圖1所示，每個(gè)牽引機(jī)設(shè)有單獨(dú)的導(dǎo)軌，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置帶動(dòng)牽引機(jī)在各自的導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)。每個(gè)牽引機(jī)可以單獨(dú)對(duì)鋁型材進(jìn)行牽引，通過(guò)交替式的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋁型材的連續(xù)擠壓。鋁型材的鋸切分離由移動(dòng)熱鋸?fù)瓿?，移?dòng)熱鋸和牽引機(jī)一起移動(dòng)，當(dāng)和牽引機(jī)同步時(shí)，對(duì)鋁型材進(jìn)行鋸切分離。此種結(jié)構(gòu)形式可以適應(yīng)鋁型材高的出口速度，滿足鋁型材的連續(xù)擠壓，同時(shí)提高鋁型材的成材率。

圖1 交替式雙牽引示意圖Fig.1 Schematic view of alternating-type double-puller unit

交替式雙牽引的具體工藝過(guò)程:1#牽引機(jī)路軌裝置4和設(shè)備基礎(chǔ)固定連接，1#牽引機(jī)車(chē)體6和牽引機(jī)路軌裝置4滑動(dòng)連接，1#牽引機(jī)鉗口裝置9和1#牽引機(jī)車(chē)體6活動(dòng)連接;2#牽引機(jī)路軌裝置3和2#牽引機(jī)路軌裝置支架5固定連接，2#牽引機(jī)路軌裝置支架5和基礎(chǔ)固定連接，2#牽引機(jī)車(chē)體7和2#牽引機(jī)路軌裝置3滑動(dòng)連接，2#牽引機(jī)鉗口裝置8和2#牽引機(jī)車(chē)體7活動(dòng)連接;牽引機(jī)行程檢測(cè)裝置10、11采用絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器與路軌裝置中的同步帶輪固定連接，1#、2#牽引機(jī)車(chē)體上執(zhí)行元件所需動(dòng)力由牽引機(jī)滑輸供電裝置12、13供給。兩個(gè)牽引機(jī)分別可以單獨(dú)完成牽引過(guò)程，通過(guò)上下鉗口夾持鋁型材，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)牽引機(jī)機(jī)架在路軌裝置上來(lái)回滑動(dòng)。當(dāng)1#牽引機(jī)牽引鋁型材時(shí)，1#牽引機(jī)機(jī)頭下降到中間的牽引位置，對(duì)鋁型材進(jìn)行牽引，2#牽引機(jī)可以在其導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)，兩者不干涉;當(dāng)2#牽引機(jī)牽引鋁型材時(shí)，2#牽引機(jī)機(jī)頭上升到中間的牽引位置，對(duì)鋁型材進(jìn)行牽引，1#牽引機(jī)可以在其導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)，如此交替，可以實(shí)現(xiàn)鋁型材的連續(xù)生產(chǎn)。

接力式的雙牽引裝置如圖2所示，兩個(gè)牽引機(jī)共用一個(gè)導(dǎo)軌，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳輸裝置帶動(dòng)牽引機(jī)在導(dǎo)軌上來(lái)回移動(dòng)，由于共用一個(gè)導(dǎo)軌，兩個(gè)牽引機(jī)前后位置確定，通過(guò)接力式的方式交接鋁型材，實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓［3］。

圖2 接力式雙牽引示意圖Fig.2 Schematic view of relay-type double-puller unit

接力式雙牽引的具體工藝過(guò)程:鋁型材開(kāi)始擠壓時(shí)，首先由人工輔助牽引鋁型材至牽引機(jī)Ⅰ上，進(jìn)入后鉗口夾緊，牽引機(jī)Ⅰ沿著導(dǎo)軌開(kāi)始牽引。當(dāng)鋁型材長(zhǎng)度(即兩個(gè)牽引機(jī)間的距離)到達(dá)所要求的長(zhǎng)度后，牽引機(jī)Ⅱ開(kāi)始啟動(dòng)，鉗口夾持鋁型材，鉗口夾緊后，飛鋸開(kāi)始鋸切分離鋁型材。分離完成后，牽引機(jī)Ⅱ牽引鋁型材，牽引機(jī)Ⅰ快速將鋁型材牽引至冷床位置后放下鋁型材并快速返回，返回至牽引機(jī)Ⅱ附近停止，待牽引機(jī)Ⅱ接近時(shí)開(kāi)始前進(jìn)。二者進(jìn)行鋁型材的交接，交接完成后，牽引機(jī)Ⅱ返回至初始位置，牽引機(jī)Ⅰ又開(kāi)始牽引鋁型材。如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓，提高了設(shè)備自動(dòng)化程度。雙牽引工藝要求在鋁型材的焊接環(huán)和停車(chē)環(huán)之間鋸切，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)牽引機(jī)準(zhǔn)確定位、順利交接，牽引機(jī)采用由直流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用同步齒形帶/鏈條鋼絲繩傳動(dòng)，并采用絕對(duì)值光電編碼器檢測(cè)位置。

2 上夾式雙牽引技術(shù)

接力式雙牽引裝置在發(fā)展初期采用的是上夾式雙牽引裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。上夾式牽引機(jī)鉗口的驅(qū)動(dòng)裝置布置在鋁型材的上面。下鉗口1由油缸和齒輪旋轉(zhuǎn)裝置3驅(qū)動(dòng)從鋁型材的兩邊擺入，在下面支撐鋁型材;上鉗口2由上鉗口升降油缸3驅(qū)動(dòng)擺下，從上面壓緊鋁型材，之后牽引機(jī)在電機(jī)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下沿牽引機(jī)路軌7牽引鋁型材?？紤]到交接鋁型材，主牽引機(jī)可以由機(jī)架升降裝置5驅(qū)動(dòng)升降，以便于鋁型材的順利交接。

圖3 上夾式牽引機(jī)示意圖Fig.3 Schematic view of upper-clamp puller

上夾式雙牽引裝置作為中國(guó)雙牽引機(jī)的第一代技術(shù)于2005～2010年間被大量推廣應(yīng)用，成為16～125 MN鋁擠壓生產(chǎn)線完成連續(xù)擠壓的關(guān)鍵設(shè)備，圖4為使用在90 MN鋁擠壓生產(chǎn)線上的上夾式雙牽引機(jī)。但是，上夾式牽引機(jī)在生產(chǎn)中存在不足之處。

(1)由于牽引機(jī)的重心較高，在牽引過(guò)程或快速回程過(guò)程中，牽引機(jī)出現(xiàn)晃動(dòng)或擺動(dòng)現(xiàn)象，影響了擠壓出鋁型材的平直度。

(2)牽引機(jī)重心較高，為了增加牽引機(jī)的穩(wěn)定性，要求導(dǎo)軌的剛度比較大，因此導(dǎo)軌重量重，制造成本高。

(3)下鉗口采用擺動(dòng)夾料的形式，由于要求下鉗口能適應(yīng)最大高度的鋁型材，因此要求擺動(dòng)范圍較大，增加了牽引機(jī)的高度和行走的不穩(wěn)定性。

圖4 上夾式雙牽引裝置Fig.4 Upper-clamp double-puller unit

3 新型側(cè)夾式雙牽引技術(shù)

針對(duì)上夾式牽引機(jī)存在的問(wèn)題，研發(fā)出了側(cè)夾式雙牽引裝置，如圖5所示。側(cè)夾式雙牽引裝置包括牽引機(jī)機(jī)架1、鉗口伸縮油缸9和下鉗口裝置2，其中下鉗口裝置2通過(guò)下鉗口伸縮直線導(dǎo)軌8安裝于牽引機(jī)機(jī)架1上。下鉗口裝置2下部安裝有下鉗口5，上部安裝有上鉗口升降直線導(dǎo)軌7，上鉗口臂3固定于上鉗口升降直線導(dǎo)軌7上。在上鉗口臂3的末端安裝有上鉗口4。在下鉗口裝置2上部安裝有與上鉗口臂3相連的上鉗口升降油缸6。設(shè)備工作時(shí)，鉗口伸縮油缸9驅(qū)動(dòng)下鉗口裝置2沿下鉗口伸縮直線導(dǎo)軌8移動(dòng)，到達(dá)擠壓制品所在位置，當(dāng)擠壓制品到達(dá)下鉗口5上后，上鉗口升降直線導(dǎo)軌7控制上鉗口臂3向下移動(dòng)，帶動(dòng)上鉗口臂3末端的上鉗口4，與下鉗口5一起夾緊工件，完成側(cè)向夾持。

該側(cè)夾式牽引裝置工作過(guò)程主要為側(cè)向夾持?jǐn)D壓制品，使?fàn)恳龣C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮上方夾持造成的空間限制，從而降低了牽引機(jī)的高度和重心，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)。同時(shí)還減少了設(shè)備的使用材料，降低了設(shè)備的制造成本。由于采用側(cè)向夾持的新方法，牽引機(jī)之間的交接也更加順利，并且便于控制。

此種結(jié)構(gòu)形式的牽引機(jī)為第二代技術(shù)，在2009年已開(kāi)始推廣使用，從使用情況來(lái)看，側(cè)夾式牽引機(jī)結(jié)構(gòu)不僅增加了設(shè)備牽引過(guò)程的穩(wěn)定性，提高了牽引返回速度，而且降低了牽引機(jī)的制造成本，提高了設(shè)備的可靠性。

圖5 側(cè)夾式雙牽引裝置示意圖Fig.5 Schematic view of lateral-clamp double-puller unit

4 雙牽引裝置的通信技術(shù)

雙牽引裝置動(dòng)作比較復(fù)雜，每個(gè)牽引機(jī)上控制動(dòng)作的電氣信號(hào)較多。牽引機(jī)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置，其信號(hào)連接通過(guò)線纜連接比較困難，因此雙牽引裝置的通信技術(shù)成為其技術(shù)水平先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。

從牽引機(jī)開(kāi)始使用至今，通信技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)四代，分別是移動(dòng)拖鏈線纜連接、滑觸線連接、光通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

早期的牽引機(jī)電氣信號(hào)是通過(guò)安裝在拖鏈中的線纜連接，線纜為軟線，以便于來(lái)回彎曲。由于受到拖鏈移動(dòng)速度和長(zhǎng)度的影響，牽引機(jī)返回速度受限制，而且牽引機(jī)的行程也受到限制。

第二代牽引機(jī)通信技術(shù)為滑觸線，兩個(gè)牽引機(jī)共用一套滑觸線，滑觸線的下部為動(dòng)力電纜，上部為通信線纜。此種通信技術(shù)用于上夾式雙牽引裝置，最多用45根滑觸線，如圖6所示為55 MN鋁擠壓機(jī)后部精整設(shè)備牽引機(jī)用的滑觸線通信技術(shù)。由于滑觸線數(shù)量多，不能完全封閉，導(dǎo)致在鋸切鋁屑或淬火水珠噴濺在滑觸線上時(shí)易于打火造成設(shè)備停機(jī)，故障率高;45根滑觸線占據(jù)了整個(gè)側(cè)面，使?fàn)恳龣C(jī)操作維修困難;以及滑觸線數(shù)量多，增加了設(shè)備成本等原因，滑觸線通信技術(shù)使用的不多。

圖6 55 MN擠壓機(jī)牽引機(jī)用滑觸線Fig.6 Sliding-outline of the puller in 55 MN extrusion press

第三代通信技術(shù)為紅外光通信技術(shù)，采用數(shù)據(jù)傳輸光傳感器傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，動(dòng)力電纜采用安全滑觸線供電，如圖7所示為75 MN鋁擠壓機(jī)后部精整設(shè)備牽引機(jī)用的紅外光通信技術(shù)，左上部為傳感器本身，右下部為安全滑觸線。此種傳感器用于牽引機(jī)信號(hào)傳遞可靠性很高，大大降低了設(shè)備故障率。傳感器的探測(cè)范圍為250 m，適用于目前所有牽引機(jī)的行程。由于裝置小巧，所占空間不大，雖然進(jìn)口元件價(jià)格較高，但成本比滑觸線裝置略有降低。對(duì)于雙牽引裝置，采用一對(duì)光通信傳感器。傳感器要求采用線纜依次串行連接，因此，對(duì)于整個(gè)后部精整設(shè)備，要將牽引機(jī)和拉伸矯直機(jī)的尾架全部連接到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，就需要四對(duì)左右的傳感器。

第四代為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，向三維空間傳輸數(shù)據(jù)，中間并不需要傳輸介質(zhì)，只要在組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)安裝接入點(diǎn)設(shè)備，就可以建立局域網(wǎng)，為各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、移動(dòng)機(jī)器人以及自動(dòng)化設(shè)備之間的通信提供靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高帶寬的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路。移動(dòng)終端安裝了無(wú)線網(wǎng)卡就可以在接收范圍內(nèi)自由接入網(wǎng)絡(luò)。因此，無(wú)線通信技術(shù)在一些特殊的環(huán)境之下有效地彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進(jìn)一步完善了工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能［3］。采用Siemens或AB等公司的無(wú)線交換機(jī)配備無(wú)線LAN接口，將雙牽引裝置作為接入點(diǎn)進(jìn)行控制，同時(shí)可以將拉伸矯直機(jī)移動(dòng)頭、尾架和成品鋸等作為接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)后部精整設(shè)備控制的全覆蓋。

5 雙牽引裝置的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

牽引機(jī)一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)形式包括直線電機(jī)、直流電機(jī)和交流變頻電機(jī)。

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式如圖8所示，直線電機(jī)在軌道上來(lái)回滑動(dòng)，牽引機(jī)機(jī)架直接固定在直線電機(jī)的支撐架上，軌道不僅起導(dǎo)向作用，同時(shí)安裝直線電機(jī)的磁極。直線電機(jī)作為牽引機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，降低了設(shè)備的成本，提高了牽引的工作效率。

圖8 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的牽引機(jī)Fig.8 Linear motor-driven puller

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的兩個(gè)電極之間的間隙要求嚴(yán)格，導(dǎo)致設(shè)備故障率較高，在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用數(shù)量不多。

雙牽引裝置開(kāi)始采用的是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)的電流環(huán)和電壓環(huán)分別控制牽引速度和牽引力，實(shí)現(xiàn)恒定牽引力情況下的牽引速度調(diào)節(jié)，如圖9所示為直流電機(jī)和同步齒形帶組成的雙牽引機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，用于55 MN鋁擠壓機(jī)牽引機(jī)上，牽引力為6 000 N。

圖9 牽引機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置Fig.9 DC motor drive unit of puller

直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速容易和轉(zhuǎn)矩比較大，缺點(diǎn)是制造成本高，碳刷易造成明顯火花，不易維護(hù)。而交流電機(jī)制造成本低，易于維護(hù)。

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是矢量變頻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以用變頻電機(jī)模擬成直流電機(jī)。從而使變頻電機(jī)有取代傳統(tǒng)直流電機(jī)的趨勢(shì)。

矢量變頻器技術(shù)是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的，把電機(jī)的電流分解為D軸電流和Q軸電流，其中D軸電流是勵(lì)磁電流，Q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開(kāi)控制，使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的控制特性，實(shí)現(xiàn)牽引機(jī)速度環(huán)和力量環(huán)的分別控制［4］。

目前最新一代牽引機(jī)采用的是交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的側(cè)夾式雙牽引裝置。

6 結(jié)束語(yǔ)

新開(kāi)發(fā)的側(cè)夾式雙牽引裝置采用了交流電機(jī)和鏈條鋼絲繩的驅(qū)動(dòng)裝置，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙牽引機(jī)的升級(jí)換代。運(yùn)行結(jié)果證明:

(1)側(cè)夾式牽引機(jī)牽引過(guò)程平穩(wěn)，返回速度快，設(shè)備可靠性高。

(2)無(wú)線通信技術(shù)用于雙牽引裝置，不僅降低了設(shè)備成本，減少了故障率，而且擴(kuò)大了后部精整設(shè)備的自動(dòng)控制范圍，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。

(3)采用矢量變頻器控制的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引機(jī)，使設(shè)備易于維護(hù)，并降低了成本。

［1］魏軍.金屬擠壓機(jī)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］張君.基于有限元數(shù)值模擬的大型鋁型材牽引技術(shù)研究［J］.重型機(jī)械，2007，272(1):6－9.

［3］王祝堂.大型鋁型材生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向［A］.2002年交通運(yùn)輸用鋁市場(chǎng)及技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.北京:2002:1－24.

［4］張君，楊合，何養(yǎng)民，等.特大鋁合金型材生產(chǎn)技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2004(6):25－32.

［5］劉靜安.大型工業(yè)鋁合金型材的擠壓生產(chǎn)工藝與關(guān)鍵技術(shù)［J］.鋁加工，2001(2):4－7.

［6］楊光瑤.電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)［M］.北京:水利電力出版社，1979.

［7］張君，何養(yǎng)民，韓炳濤.100 MN油壓雙動(dòng)鋁型材擠壓生產(chǎn)線［J］.機(jī)械工人，2003(4):46－48.

［8］王啟超.無(wú)線局域網(wǎng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用和研究［D］.武漢:華中理工大學(xué)，2011.

［9］楊濤，周志遠(yuǎn)，楊建.無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)在鋁擠壓機(jī)后部處理生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］.重型機(jī)械，2012(3):168－170.

［10］矢量變頻器.http://baike.baidu.com/view/2066651.htm.