棒材连轧之精轧后飞剪毕业设计

毕业设计（论文）任务书专业机械设计制造及其自动化班级姓名下发日期201136题目棒材连轧之精轧后飞剪专题倍尺飞剪系列主要内容及要求1计算飞剪力能参数，确定驱动功率，选择电动机。2对飞剪机进行设计，要求方案正确，结构合理，进行相关部件的强度计算。3根据计算结果绘制工程图，包括该设备总装图及零件图，应符合国家标准要求，应完成25张图纸。04按规定撰写设计说明书，要求设计方案合理，内容完整，语言流畅，计算正确，并在规定的时间内独立正确的完成设计任务。主要技术参数1最大剪切直径685MM（142M/S）。2剪切轧件温度800。3最大轧件速度13M/S243MM时。进度及完成日期137321设计准备及实习；（12周）232141查阅资料（含查译文）及计算；（34周）344527设计计算及图纸绘制（两项交替进行）；（512周）4530610撰写设计说明书，翻译；（1314周）5613617机动；（15周）6620624准备答辩；（16周）教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期指导教师评语指导教师年月日指定论文评阅人评语评阅人年月日答辩委员会评语指导教师给定成绩30评阅人给定成绩30答辩成绩（40）总评答辩委员会主席签字评定成绩摘要精轧飞剪机是轧钢生产工艺线上的关键设备，其功能是对轧件进行剪切定尺、切头、切尾、切取试样或事故处理，以保证轧制工艺的畅通，减少堵钢工艺事故，提高产品质量。本设计是一曲柄连杆式飞剪机，驱动方式采用单电机传动。设计中系统地阐述了飞剪机的发展概况、飞剪机的基本要求、飞剪机的类型及各种调长方式、飞剪机驱动方式的选择和飞剪机结构的设计等，对剪切机构进行了动力学分析，主要包括最大剪切力、剪切角、剪切功率的计算，为飞剪机电机的计算与选择提供依据；详细的阐述了齿轮的设计计算与校核、曲轴的设计及校核等。本设计的主导思想是来源于生产实际，希望也能应用于生产实际，为我国采用连续式飞剪作业的钢材生产厂家提供一种既能提高飞剪使用性能又能节省工程投资的新思路。关键词飞剪机定尺长度剪切连续工作制ABSTRACTFLYINGSHEAROFFINISHROLLINGMACHINEISTHEKEYTOSTEELROLLINGPRODUCTIONLINEEQUIPMENTITSFUNCTIONISTOCUTTHEHEADOFROLLEDPIECE,CUTTINGTHEENDORACCIDENTBROKEN,TOENSURETHESMOOTHROLLINGPROCESS,REDUCETHEBLOCKINGSTEELCRAFTACCIDENTSANDIMPROVETHEQUALITYOFPRODUCTSTHISDESIGNISACRANKTYPEFLYINGSHEARMACHINE,DRIVINGBYASINGLEMOTORTHEDESIGNSYSTEMATICALLYELABORATEDTHEDEVELOPMENTSITUATIONOFTHEFLYINGSHEAR,THEMODEOFALLKINDSOFADJUSTABLELONG,THESELECTIONOFDRIVENMODEANDTHEDESIGNOFTHEFLYINGSHEARSTRUCTURETHEDYNAMICSANALYSISOFSHEARSTRUCTUREMAINLYINCLUDESTHECALCULATIONOFTHEMAXIMUMSHEARFORCE,SHEARANGLEANDSHEARPOWER,WHICHPROVIDESTHEBISISFORCHOOSINGMOTORDISCUSSEDTHEDESIGNANDCALCULATIONOFTHEGEARANDCRANKINDETAILECTTHEMAINIDEAOFTHISDESIGNISDERIVEDFROMTHEACTUALPRODUCTIONIHOPETHATCANBEUSEDINACTUALPRODUCTIONTHISDESIGNPROVIDESANEWIDEAOFIMPROVINGSHEARSABILITYANDREDUCINGTHEINVESTMENTOFPROJECTKEYWORDSFLYINGSHEAR,SCALELENGTH,CUT,OPERATECONTINUOUSLY目录摘要VABSTRACTVI引言1第一章绪论211棒材生产线工艺流程212飞剪机的发展现状及趋势4121国外小型飞剪机的发展情况4122国内小型飞剪机的发展情况4123飞剪机的发展趋势513倍尺飞剪机的工艺特点6131倍尺飞剪机的技术要求6132倍尺飞剪的工作原理6133倍尺飞剪系统控制714飞剪机的类型815飞剪剪切长度的调整方式13151启动工作制飞剪的调长方式14152连续工作制飞剪的调节方式16第二章设计计算及力能分析2221设计方案的确定2222曲柄连杆式飞剪机驱动方式的选择2323曲柄连杆式飞剪机的机构设计2424剪切力、剪切力矩、剪切功及电动机功率的计算25241剪切力的计算25242剪切力矩和剪切功的计算28243电动机功率的计算及其选择2825主要零部件的设计计算及强度刚度的校荷29251飞剪内齿轮的设计29252曲轴的设计及校核34结论46致谢47参考文献48附件149附件256引言钢材市场的竞争日益激烈，为了战胜对手，赢得市场，钢材生产厂家必须在保证良好的产品质量的同时，降低生产成本。倍尺飞剪机构是用于钢材生产中截断的重要设备，是提高棒材收得率、定尺收得率的关键设备，同时也是热倍尺是否能上冷床的关键环节。飞剪机通常安装在钢坯连轧机、钢板连轧机、型钢和线材连轧机等轧制线上，用来剪切轧件头部、尾部或将轧件剪切成定尺长度。目前，国内大多数棒材生产线上的倍尺飞剪设备是全套引进国外的，但近几年国内几家设计单位在消化和吸收的基础上，已开发出自己的倍尺飞剪，且已成功运用到生产中且达到了比较好的效果。飞剪机的应用使轧钢生产迅速向高速化、连续化方向发展。飞剪机性能的优劣将直接影响轧制车间的产量、成材率和定尺率。为了适应当前技术发展的需要，在参考相关资料和汲取他人相关经验，并在张钢、石横特钢参观实习的基础上，我对曲柄连杆式飞剪机进行了设计。本设计共分为两章。第一章，对飞剪机的类型、工艺要求、调长方式以及发展趋势进行了概述；第二章，对曲柄连杆式飞剪机的结构进行设计，对剪切力及电动机功率进行计算，对飞剪内齿轮和曲轴的结构进行设计计算机校核。本设计所涉及的内容大部分取自国内外有关资料，由于本人水平所限，对设计中所出现的不妥和错误，恳切地希望各位老师提出批评和指正。第一章绪论11棒材生产线工艺流程钢坯验收加热轧制倍尺剪切冷却剪切检验包装计量入库1钢坯验收钢坯质量是关系到成品质量的关键，必须经过检查验收。钢坯验收程序包括物卡核对、外形尺寸测量、表面质量检查、记录等。钢坯验收依据钢坯技术标准和内控技术条件进行，不合格钢坯不得入炉。2钢坯加热钢坯加热是热轧生产工艺过程中的重要工序。钢坯加热的目的钢坯加热的目的是提高钢的塑性，降低变形抗力，以便于轧制；正确的加热工艺，还可以消除或减轻钢坯内部组织缺陷。钢的加热工艺与钢材质量、轧机产量、能量消耗、轧机寿命等各项技术经济指标有直接关系。三段连续式加热炉所谓的三段即预热段、加热段和均热段。预热段的作用利用加热烟气余热对钢坯进行预加热，以节约燃料。（一般预加热到300450）加热段的作用对预加热钢坯再加温至11501250，它是加热炉的主要供热段，决定炉子的加热生产能力。均热段的作用减少钢坯内外温差及消除水冷滑道黑印，稳定均匀加热质量。3轧制轧制工序是整个轧钢生产工艺过程的核心。通过坯料轧制完成变形过程成为用户需要的产品。轧制工序对产品质量起着决定性作用。轧制产品质量包括产品的几何形状、尺寸精确度、内部组织、工艺力学性能及表面光洁度等几个方面。因此，轧制工序必须根据产品技术标准或技术要求，生产产品特点和生产技术装备能力，以及生产成本和工人劳动条件等方面的要求，制定相应的轧制工艺技术规程和工艺管理制度。以确保轧制产品质量和技术经济指标达到最优化。轧制工序一般由一列（组）或二列（组）粗轧机、中轧机和精轧机组成。分别承担钢坯断面压缩、半成品轧制变形和成品轧制功能。成品轧机孔型或称精轧孔型为K1孔，成品前轧机孔型为K2孔，成品前前轧机孔型为K3孔，以下如此类推。连续式轧机和连轧常数连续式轧机是指几个轧机机座按轧制方向顺序排成一行，轧件同时在几个轧机内轧制变形，各架轧制速度随着轧件长度的增加而增加，并保持金属在每架轧机中的秒流量相等或有轻微的堆拉钢关系的轧制方式称连续式轧机。连续式轧机具有很高的机械化、自动化、轧制速度和轧制精度，因而劳动生产率高且产品品质优良，是棒、线材轧机改造和新建的方向。保持在单位时间内轧件通过各轧机体积相等的轧制称连轧。NNDFNDF321连轧常数式中F轧件断面面积MD轧辊工作直径N轧辊转数IN/1（4）精整钢材冷却冷床是轧制棒材产品的主要冷却设备。散冷辊道是线材产品的主要冷却设备。冷床和散冷辊道的作用是将800以上的高温轧件冷却到150100以下，以恢复钢材固有的物理性能和便于保证剪切质量和后步工序操作。冷却方式根据钢材的化学成分、组织状态、使用用途、以及冷却后可能产生的缺陷等方面，确定以下冷却方式自然空气冷却自然空气冷却是碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、以及奥氏体类不锈钢等钢种较为普遍采用的一种冷却方式，这种冷却方式一般不会影响钢材的物理性能。强迫快速冷却强迫快速冷却一般采用吹风、喷雾、喷水等方式，其工艺特点是使钢材在一定时间内速冷到某一温度后再进行自然冷却。这种冷却方式一般能改变钢材的内部组织结构，会影响到钢材的物理性能。如提高普通线材的机械性能；消除钢材网状碳化物等。控制缓冷对冷却后产生应力敏感性较强的钢种一般均采用控制缓冷进行冷却，如高速工具钢、马氏体不锈钢、高合金工具钢以及高合金结构钢等。这种冷却方式能够防止钢材组织发生变化和应力集中产生裂纹缺陷。钢材剪切钢材剪切的目的剪掉影响钢材使用（缺陷）的部位如钢材头和尾；切成用户需要的长度。钢材剪切设备分冷剪和热剪。热剪常用于半成品切头、切尾或倍尺剪切；冷剪常用于成品钢材切头、切尾或定（通）尺剪切。钢材检验钢材检验是确保产品质量符合产品技术标准和技术条件的关键工序。产品检验通常包括钢材外形尺寸、表面质量、定尺长度、重量偏差、工艺性能、机械性能等。不符合产品质量标准的钢材必须挑出并分类处置。12飞剪机的发展现状及趋势用飞剪机来剪切运动着的轧件开始于十九世纪末期，人们在实践的基础上不断改进与提高，是飞剪机的性能不断完善。近年来随着轧钢机的速度不断提高，提高飞剪机的剪切速度已成为人们普遍关注与研究的问题。121国外小型飞剪机的发展情况目前国外多采用两种比较先进的飞剪机型，一种是采用离合器制动器，我们称作“连续启停”制飞剪,另一种是电动机直接启停制飞剪，两种飞剪各有其优点亦有其不足之处。随着科学技术的不断发展，启停式飞剪将逐步代表着飞剪机的发展趋势。连续启停制飞剪与启停制飞剪相比较，前者适合高速频繁启动，后者结构简单，剪切精度高，并且在电控技术过关的情况下，速度亦可达到或超过前者，因而更有发展前途。122国内小型飞剪机的发展情况从建国初期50年代至70年代，国内小型飞剪大都受东欧、苏联等国家影响，飞剪机大致可分为连续制和启停制两大类，例如鞍钢一初轧100100MM连续制飞剪机；首钢300小型5050MM启停制飞剪机；2525MM连续制飞剪机；济钢小型厂捷克产11吨连续制飞剪机等。连续制飞剪机大多采用空切机构和匀速机构，实现定尺剪切工作时电机拖动传动系统连续运转，剪切机构做连续地空切动作，当需要剪切时，调整空切机构的位置，令剪切机构完成剪切动作，而后再恢复空切动作，因此这种飞剪设置了空切机构、倍尺机构等装置。不可避免的地带来设备庞大、结构复杂等问题，而且定尺长度是确定的，不可任意调整，限制了定尺规格的变化范围。由于空切机构庞大复杂，转动惯量也大，影响了剪切速度的提高。许多钢厂在后来的设备改造中都将其简化改成摆槽式的飞剪，如首钢2525MM连续式飞剪即是如此，但这样改动后，剪切误差很大，常常定尺误差达12M，这是非常不利的。启停制飞剪机其原理与第一节中所述相同，目前这种飞剪机在国外应用广泛，在国内的一些大型轧钢车间也得到一定程度的应用。典型代表为原首钢小厂1992年以同样的工艺要求委托意大利飞剪机名牌厂家“达利涅公司”研制的一台启停式飞剪机，投资63444万美元与1993年底投入使用。90年代初原首钢小型厂、安阳钢厂分别引进了意大利达利涅公司的CV300飞剪机。随后首钢机电设计研究院分析了德国SKET公司、苏联及美国等国外飞剪机专业厂家生产的飞剪机特点，设计出以离合器控制为主体，采用双臂回转式飞剪机。该飞剪机利用传动系统的惯性能量进行剪切，其优点是电机功率小、能耗低、电控简单、造价低（约150万人民币）；缺点是该飞剪机定位精度低、剪切速度较低、目前最高仅达到17M/S。典型代表为首钢型材厂二、三车间3飞剪机，其成品飞剪机的稳定剪切速度已达14M/S。该飞剪机于1994年5月进行组装和现场剪切试验，并在生产中获得成功的应用。该飞剪机代表国产高速棒材飞剪机的最高水平，获冶金部科技进步二等奖。随着国内各项技术的不断发展，经过我国专家和科研人员的不懈努力，飞剪技术和装备一定能够达到国外先进技术水平，实现替代进口满足国内需要之目的。123飞剪机的发展趋势1剪机的剪切断面质量要求提高，这要求剪切机刀刃在剪切区域内沿水平方向的速度应与轧件最大速度保持一致。为达到这个目的，在棒材飞剪中往往设置了匀速机构，另外有些剪切机还装有间隙调节机构，这些设备的改进导致了剪切机结构越来越复杂。所以可以看出，飞剪的最大一个发展趋势就是机构复杂，但剪切质量相应的提高，剪切机的性能也越来越好，功能越来越多。2剪的另一个发展趋势是自动化程度越来越高。随着机电一体化进程的发展和提高，随着轧制速度越来越快，自动化趋势已经成为必然的发展方向。首先，轧制流水线生产越来越先进，轧制速度也越来越快，仅仅靠人工操作已不能适应轧制工艺的发展，为了使手工操作不阻碍轧制工艺的改进，必然要求轧制工艺中自动化程度越来越高，这才能适应现代工业发展的要求。而控制工业发展和机电一体化进程的提高为实现自动化的发展提供了必要的条件13倍尺飞剪机的工艺特点131倍尺飞剪机的技术要求1）能把运动着的轧件切去不规则的头、尾和剪成规定的长度，并且长度尺寸公差与剪切断面质量符合国家有关规定。2）根据产品品种规格的不同和用户的要求，在同一台飞剪机上能剪切多种定尺长度。3）能满足轧机和机组生产率的要求。4）剪切定尺长度时，剪刃在轧件运动方向的瞬时分速度与轧件运动速度相等V0V或大23，（1103）；切头时，应略大于轧件速度，即11；切尾时，V0V应略小于轧件速度，即090，以促使悲切掉的部分离开轧件本体。5）便于上冷床的制动和冷却。6）控制准确，调整方便，可靠性高。132倍尺飞剪的工作原理近年来倍尺飞剪在国外已广泛采用，随着控制水平的不断提高，倍尺飞剪对高速棒、型材和低速大规格材都较合适。其工作原理剪机在得到上游方向热金属检测器的轧件头尾信号时，按预定剪切长度要求，经一定计算并延时启动剪刀，起始位置由轴向定位系统确定，并可调节。剪切是在升速过程中实现，根据前面机架测得的轧件速度，应使剪刃启动到剪切位置时其线速度水平分量略大于轧件速度，即0V001VV剪机启动加速度A和轧件速度保持固定的2次关系020KVA式中，K为比例系数。为实现剪切速度的同步（达不到该速度时，叠加给定投入），剪刃起始位置定在距离剪切位90（回转剪）、270（曲柄剪）上。相应地，剪机的升速角为90和270（为考虑轧件厚度的角度）。剪切完成后由再生制动减速，定位脉冲编码器控制剪刃回复至初始位置，一次剪切过程结束。回转剪适于小规格（32MM）、高速（65MS）的棒材剪切；曲柄剪适于大规格（32MM）、低速的棒材剪切。133倍尺飞剪系统控制倍尺飞剪系统控制见图11图11倍尺飞剪系统控图光电管F1检测棒材尾部，确定棒材长度，决定优化剪切；光电管F2通过F1控制实际测量长度；光电管F3用来检测棒材的端部，开始切头，倍尺剪切；光电管F4和F5检测实际轧制速度，通过两者的固定距离，检测棒材端部从F4到F5的时间，系统计算速度。14飞剪机的类型根据飞剪机的用途，飞剪机可以分为切头式飞剪机和切定尺式飞剪机两大类。如果按飞剪机剪切机构的类型来分，目前应用较为广泛的飞剪机有，滚筒式飞剪机、曲柄回转杠杆式飞剪机、曲柄偏心式飞剪机、摆式飞剪机、和曲柄摇杆式飞剪机等。近几十年来，采用计算机可编程空隙控制等新技术的飞剪机得到一定发展1滚筒式飞剪机滚筒式飞剪机是一种应用很广的飞剪机。它装设在连轧机组或横切机组上，用来剪切厚度小于12MM的钢板或者小型型钢。这种飞剪机作为切头飞剪机时，其剪切厚度可达45MM。滚筒式飞剪机的刀片可以作简单的圆周运动。故可剪切速度高达15M/S以上的轧件。图12滚筒式飞剪机图12是滚筒式飞剪机构示意图。刀片1装在滚筒2上。滚筒2旋转时，刀片1作圆周运动。用于切头切尾的滚筒式飞剪机，在滚筒上往往装有两把刀片，分别用来切头和切尾。飞剪机采用启动模式。用于切定尺的滚筒式飞剪机一般采用连续工作制。小型车间的滚筒式飞剪机，由于轧件宽度不大，往往将刀片装在作圆周运动的杠杆上（图12）。图13所示的飞剪机，也称为回转式飞剪机。图13回转式飞剪1刀片；2杠杆；3传动齿轮滚筒式或回转式飞剪机的刀片作圆周运动，上下刀片切入轧件时，在垂直方向不平行，剪后轧件轧件不平整，故应以剪切直径小于30MM的圆钢或相应的方坯，以及薄板带为宜。2曲柄回转杠杆式飞剪机图14曲柄连杆式飞剪机1刀架；2曲柄轴；3摆杆；4传动齿轮用飞剪机剪切厚度较大的板带或钢坯时，为了保证剪切后轧件剪切断面的平整，往往采用刀片作平移运动的飞剪机。曲柄回转杠杆式（也称为曲柄连杆式）飞剪机就是此类飞剪机的一种。图14是曲柄连杆式飞剪机结构图，刀架1作为杠杆形状，其一端固定在曲柄轴2端部，另一端与摆杆3相连。当曲柄轴2（即曲柄）转动时，刀架1作平移运动，固定在刀架上的刀片能垂直或近似垂直轧件。由于这类飞剪机在剪切轧件时刀片垂直于轧件，剪切断面较为平整。在剪切板带时，可以采用斜刀刃，以便减少剪切力。这种飞剪机的缺点是结构复杂，剪切机构动力特性不好，轧件的运动速度不能太快，用于小型型钢厂的曲柄连杆式飞剪机，轧件速度小于5M/S，剪切的轧件厚度为3070MM。在现代化的连续式小型型钢厂中，由于产品范围为1050MM，轧机速度变化范围也达220M/S。因此，单独使用上述的回转式或曲柄连杆式飞剪机都不能满足生产要求，而同时设置两台飞剪机的投资也较大。为此，出现了一种去曲柄回转联合式飞剪机（图15）。当剪切断面较大而剪切速度较低时，飞剪机的曲柄连杆式（15A）。当剪切断面较小而速度较高时，将连杆5从刀架1上卸下后，与摆杆4一起固定在飞剪机箱体3上（图15B），此时，就是一台回转式飞剪机。这种飞剪机转换形式迅速方便，能适应轧件速度范围和剪切范围有较大变化的场合。图15曲柄回转式联合飞剪A曲柄连杆式飞剪B回转式飞剪3曲柄偏心式飞剪机这类飞剪机的刀片作平移运动，其结构简图如图16所示。双臂曲柄9（）BCD铰接在偏心轴12的镗孔中，并有一定的偏心距。双臂曲柄还通过连杆6（）与导EAB架10相铰接。当导架旋转时双臂曲轴以相同的角速度随之一起旋转。刀片15固定在刀架8上，刀架的另一端与摆杆7铰接，摆杆则铰接在机架上。通过双臂曲柄轴、刀架和摆杆可使刀片在剪切区附近作金近似于平移的运动，以获得较平整的剪切断面。图16曲柄偏心式飞剪机构简图1小齿轮；2、11传动导架的齿轮；3、4铰链；5双臂曲柄轴的曲柄轴；6连杆；7摆杆；8刀架；9双臂曲柄轴；10导架；12偏心轴；13、14传动偏心轴的齿轮；15刀片；16滚动轴承通过改变双曲柄轴（也可以说是刀架）的角速度比值，可改变刀片轨迹半径，以调整轧件的定尺长度。这类飞剪机装设在连续钢坯轧机后面，用来剪切方钢坯。4摆式飞剪机图17是IHI（日本石川岛播磨重工业公司）摆式飞剪机结构简图，用来剪切厚度小于64MM的板带。刀片在剪切区作近似于平移的运动，剪切质量较好。上刀架1在“点2”与主曲柄8相铰接。下刀架2通过套式连杆4、外偏心套6、内偏心套5与主曲柄轴8相连接。下刀架2可在上刀架1的滑槽中滑动。上下刀架与主曲柄连接处的偏心距为，偏心位置相差180度。当主曲柄8滑动时，上下刀架作相对运动，完成1E剪切动作。主曲柄轴8上，还有一个偏心距。此偏心距通过连杆12和摇杆10的轴2E头11相连，而摇杆9则通过连杆3在“点1”与刀架相连。因此当主曲柄轴8转动时，通过连杆12、摇杆10、9和连杆3使上下刀架作往复摆动。由于上下刀架除能上下运动外还能进行摆动，故能剪切运动中的轧件。图17IHI摆式飞剪机结构简图1上刀架；2下刀架；3连杆；4套式连杆；5内偏心套；6外偏心套；7销轴；8主曲柄轴；9、10摇杆；11摇杆轴头；12连杆5曲柄摇杆式飞剪机（施罗曼飞剪机）这种飞剪机也称为施罗曼（SCHLOEMANN）飞剪机，用于剪切冷轧板带。由于飞剪机工作时总能量波动较小，故可在大于5M/S的速度下工作。图18为曲柄摇杆式飞剪机的结构简图。上刀架1（连杆）通过偏心枢轴6与下刀架2（摇杆）相铰接。下刀架2在曲柄3与上刀架1的带动下，以偏心轴4（机械偏心）偏心套5（液压偏心）为中心作往复摆动。当改变偏心轴4与偏心轴套5的位置时，可得到不同的空切系数。图18曲柄摇杆式飞剪机结构简图1刀架（连杆）；2下刀架（摇杆）；3曲柄；4偏心轴（机械偏心）5偏心套（液压偏心）；6偏心枢轴；7剪刃间隙调整装置15飞剪剪切长度的调整方式根据工艺要求，飞剪要将轧件剪成飞剪要将轧件剪切成规定长度；对于定尺飞剪，还能将全额多种定尺长度，因此，要求飞剪长度能够调整。图19送料辊与飞剪机布置简图1送料辊，2飞剪将轧件送往飞剪2进行剪切（见图19），通常是用专门的送料辊1或者利用轧机最后一架的轧辊进行。如果轧件运动速度为常数，而飞剪每隔秒剪切一次轧件，则0VT被剪下的轧件长度为L（11）0TFV则被剪下轧件长度等于在相邻的两次剪切间隔内轧件所走过的距离。当为常数T0V时，剪切长度与相邻两次剪切间隔成函数关系，上式就是飞剪调长的基本方程式。LT由公式（11）可知，只要改变相邻两次剪切时间就能够得到不同的剪切长度。对于T不同工作制度的飞剪，改变时间的方法亦不同。151启动工作制飞剪的调长方式启动工作制的飞剪用于剪切轧件的头、尾和剪切长度较长而速度较小的轧件。飞剪的启动和自动式自动进行的，当轧件头部作用于装设在飞剪后的光电和机械开关（图110A）时，飞剪便自动启动，这时轧件的定尺长度按下式确定（12）JGTVL0式中光电管与飞剪之间的距离GL飞剪由启动到剪切的时间JT图110光电管布置简图A光电管在剪后，B光电在剪前在调节定尺长度的时候，通常不是采用移动光电管位置的方法，即改变值，而GL采用特殊继电器来改变时间。为了使轧件被剪切的部分的末端不妨碍光电管或机械JT开关在下次剪切时再次发生作用，必须使轧件切下的部分之间保证有一定的间隙，一般用增加剪切后辊道的速度来保证间隙此间隙逐渐增大而达到的。当轧件定尺寸长度较短时，可能出现小于，此时，光电管或机械开关就LJGTV0需要放在飞剪的前面（图110B）则13GJTVL0当两次剪切的间隔时间能保证完成飞剪的启动和制动，才能实现在上述工作制下进行切头和切定尺。而速度高和转动惯量大的飞剪通常在一转内来不及完成上述工作制的要求，即在剪切位置时，刀片速度能加速到轧件速度而在剪切后停止到原始位置上，在这种情况下，就需要能保证较长的启动和制动持续时间的运动线路图（图111A）来代替普通飞剪的运动线路图（图111B。图111启动工作制飞剪刀片运动线路图A复杂工作制B简单工作制图111A代表飞剪开始运动后刀片由原始位置1开始起动，达到稳定转速以后，刀片的位置2开始剪切，剪切完了进行制动，刀片停在位置3，然后反向起动，刀片进入位置4，转入爬行速度，在制动器的配合下，刀片准确地制动于位置1，以准备下一次剪切。为减少高温轧件对剪股轴承的热辐射，角（刀片原始位置1）一般在左右；。90开始剪切角在同一台飞剪中，是随轧件厚度而改变的，最大可达；位置3。3。4在刀片不碰轧件的条件下是按制动条件选择。轧件速度较低和转动惯量较小的飞剪，开采用图111B所示的简单工作制线路运动。刀片在位置1起动，到位置2开始剪切，剪切完了进行制动，刀片在位置3转入爬行速度，使刀片准确的停于位置1，从而完成一个剪切周期。简单起动工作制中的原始位置1很重要，它既能满足起动条件，又要满足制动要求。152连续工作制飞剪的调节方式在轧件运动速度较高的情况下，用于剪切定尺飞剪一般都采用连续工作制。若以表示每剪切一次刀片的转数，则此时剪切轧件定尺长度可表示为K（14）,1600KNFVTL式中刀片每分钟转数（或飞剪转速）；N在相邻两次剪切时间内刀片的转数，即空切系数。K由公式可知连续工作制飞剪剪切定尺长度取决于刀片的转速和相邻两次剪切时LN间内刀片的转数（通常是常数）。换言之，此时的剪切长度可采用两种方法来调节，0V改变刀片的转速与改变每剪切一次刀片的转数。N当刀片的圆周速度与轧件运动速度相等，且空切系数1时，此时飞剪剪下的轧K件长度称为基本长度，对应的刀片转速称为基本转速，则公式（14）可改写为JLJN15JJJNDV106式中送料辊直径；送料辊转速。1D11改变刀片的转速来调节剪切长度改变刀片转速的方法有两种NN其一是直接改变刀片的转速，使刀片转速在或范围内变J21JN501化，由式（14）和式（15）可知，轧件剪切长度的调节范围为16KNLJJ则相应的定尺长度的可能调节范围为17J051或（18）KLJ21图112轧件剪切长度的调整范围公式（17）的范围可用图112的与线表示。OAC通常采用直流电动机或通过装设在飞剪传动装置中的变速箱来达到改变刀片转速的目的。N其二是采用匀速机构（亦称同步机构）。飞剪机匀速机构类型很多，但从飞剪机主轴或刀片运动特点来看，基本上可分成两大类1）飞剪机主轴作不等速运动的匀速机构，如双曲柄匀速机构，椭圆齿轮匀速机构等；2）飞剪机主轴作等速运动的匀速机构，如径向匀速机构。（1）飞剪机主轴作不等速运动的匀速机构采用这种匀速机构时，轧件剪切长度的调节是通过飞剪机主轴的平均速度来LPN实现的。如图113所示，当飞剪机主轴等速运动时，设其转速等于基本转速，如果不考J虑空切（即1），则轧件的剪切长度等于基本长度。当飞剪机主轴作不等速运动时，KJL设其平均转速小于基本转速，则根据式（16），当1时，轧件剪切长度将大PNJNKL于基本长度，由图113可见，飞剪机主轴平均转速虽然小于基本转速，但在剪切轧JL件瞬时，飞剪机主轴瞬时转速仍等于基本转速，此时，既实现了调节轧件长度的要JN求，又能满足剪切瞬时飞剪机刀片水平方向的分速度与轧件运动速度相一致的要求。图113飞剪机主轴转速与其转角的关系1当时；2、3当时；虚线剪切在最小瞬时速度下进行0ENJP0ENJP采用这种匀速机构时，飞剪机主轴平均转速的调节范围一般为P19JP5而轧件剪切长度L的调节范围可用式18表示110）KLJ21如前所述，式（18）剪切长度调节范围可用图112中直线OA和OB表示。装设这类匀速机构的飞剪机，通常不剪切小于基本长度的轧件。因为剪切长度JL小于基本长度时，剪切是在飞剪机主轴转速为最小瞬时转速下进行（如图113虚线所示），这就不能利用飞剪机飞轮力矩的能量。飞剪机主轴作等速运动的匀速机构双曲柄和椭圆齿轮匀速机构，由于飞剪机主轴速度不均匀，在飞剪机中会产生较大的动力矩，需增加飞剪机电动机功率和飞轮力矩。而且，在剪切较短的定尺时，由于要求飞剪机剧烈地加速和减速，也显得较为困难。由于存在上述问题，目前有以径向匀速机构取代双曲柄匀速机构的趋向。径向匀速机构可使飞剪机主轴作等速运动，来满足剪切时刀片水平方向的分速度与轧件运动速度相一致的要求。用改变飞剪机主轴转速来调长时，径向匀速机构是使刀片的轨迹半径相应的在和范围内变化（图114），来保证剪切时刀片水平方MAXRIN向的分速度与轧件运动速度相一致。图114径向匀速机构刀片轨迹变化示意图如果近似地以刀片圆周速度作为刀片水平分速度，则剪切时刀片与轧件运动速度的关系式客用下式表示（111）062VNRV或（112）0式中刀片的轨迹半径；R刀片的转速；N轧件运动速度0V此时剪切轧件的定尺长度为（113）RKL2假设，当时轧件的剪切定尺长度为基本长度，此时刀片的转速为1KMAXJL基本转速。有公式112和113得JN（114）MAX026RVNJ（115）LJ为了减少定尺长度，就要增大飞剪机主轴转速，而要相应地减小刀片轨迹半径N。如上所述，飞剪机主轴转速的变化范围为，此时，相应的刀片轨迹半RJ21径。由公式（113和式115得出剪切轧件的定尺长度在调节范围为MAX051（116）KL051或（117）L0公式（117）表示的定尺长度变化范围可用图（112）中的直线来表示。OCA与采用径向匀速机构克服了双曲柄匀速机构的刀片速度不均匀的缺点及其所引起的不良后果，飞剪机的动力特性较好。但是，径向匀速机构的结构较复杂。2改变空切系数调节剪切长度K用于改变空切系数的空切机构，形式很多，应用较广泛的两种方法其一是改变上下两刀片角速度的比值，即在刀片运动轨迹不变的情况下，改变上下两刀片相遇的次数，以此实现空切达到调节长度的目的。在滚筒式飞剪上可以改变上下两滚筒直径的比值如分别为21D1、时，则小滚筒每转一次剪切一次，每转两次剪切一次。由此可23以得到一系列的值1、2、3。但是由于这些比值使上下滚筒的直径差别很大，K在使用上很不方便。实际上是按下列较适合的比例关系变化的1/1、1/2、2/3；同样可以得到一系列的值1、2、3。21DK另外，通过改变滚筒上刀片的数目也同样可以得到不同的值。其二，通过改变刀片的运动轨迹，使上下两刀片不是每转都相遇，以此来实现空切达到调节长度的目的。显然，改变空切系数调节剪切长度的公式是K（118）LJ在设计飞剪时，为了得到广泛的调长范围，在一台飞剪上一般都是同时改变。KN和上面所述的各种调节方法的调长公式，实际上是两个长度方程式（119）KLJ2150上面两个方程在图（112）上则表示由三条射线所包括的区域。OCBA、连续工作制的飞剪调长方式表11直接改变刀片转速变012V012N径向匀速，同时改变MAX501R2NKL015改变刀片转速N匀速机构031VV双曲柄匀速，剪切瞬时速度相等051NP改变比值2D刀片运动轨迹不变改变刀片数量剪切长度L改变空切系数K采用空切机构改变刀片运动轨迹KL021综上所述，连续工作制的飞剪调长方式及其长度调整范围，可以综合成表11所示的调长方式表。第二章设计计算及力能分析21设计方案的确定根据设计参数知，飞剪机最大剪切直径为685MM142M/S时，剪切直径较大，为了保证剪后轧件剪切断面的平整，应采用刀片作平移运动的飞剪机；经查2301知，曲柄连杆式飞剪机适用于轧件速度小于5M/S，剪切轧件厚度为3070MM的场合，因此方案选为曲柄连杆式飞剪机的设计。曲柄连杆式飞剪机的刀架做成杠杆形式，其一端固定在曲柄轴的端部，另一端与摆杆相连。当曲柄轴（即曲柄）转动时，刀架作平移运动，固定在刀架上的刀片能垂直或近似地垂直轧件。实物图如图21。22曲柄连杆式飞剪机驱动方式的选择曲柄连杆式棒材飞剪总体上有两种驱动方式一是单电机驱动主轴，而另一对剪切轴由齿轮啮合来传递力矩进行驱动；另一个方式是，由两台电机分别驱动两根主轴。下面将两种方式的特点进行比较，以便选出更加合适的设计方式，来满足此次的设计要求。1单电机传动方式由于其由一个电动机做动力源，其中输入轴是由电机直接进行驱动，而另一对剪切轴式通过安装在输入轴与剪切轴之间的齿轮啮合来进行传动的。这样可以明显的看出输入轴上的齿轮所受的载荷将远大于从动轴上的载荷，输入轴上的载荷也远大于从动轴上的；这样输入轴及其上的齿轮势必有更大的损坏的可能性，所以输入轴及传动齿轮的强度要求高些，尺寸更大些，所以其主要特点是输入轴上的零部件易损坏而发生事故；单电机工作，其承受了较大的载荷，只能采用气动工作制，而不能采用连续工作制。但是这种方案的优点也很明显第一，上下两轴的转速近乎相同，也就是说上下剪刃的同步性高；第二，结构简单。成本低且功率也低；第三，通过齿轮传动可以设计一套简易的剪切间隙调整机构。2双电机传动方式它克服了单电机传动的两个缺点，首先它的两套传动系统平行传动，分别驱动各自的主轴，每套系统上的零部件受力情况基本相同，不存在个别零部件因受载过大而首先破坏的问题。安全性较高；其次它分别有两个电机传动，因而每个电机所受的载荷相对于上一个人方案减少了不少，所以其更适合连续工作制，但此方案的缺点是一则，其设备结构复杂，且其成本较高，功效较大；二则，其维护与维修教第一方案复杂，其设备体积大；三则，其同步性较好，需特别设备对其转速进行同步。此次设计只是用棒材飞剪进行切头剪尾，所以不要求连续工作。由于启动工作制已能满足要求，且剪切力较小，所以由此可以看出，第一个由单电机驱动的方式更适合些；二者，这种棒材飞剪同步性好，满足剪切要求且成本低，结构简单。综合以上因素，最后选定单电机一级减速传动方式。23曲柄连杆式飞剪机的机构设计曲柄连杆式飞剪机主要由主传动装置、剪切装置、机架等组成。（1）主传动装置主传动装置主要由联轴器、电机、传动轴、传动齿轮、传动侧减速箱等组成，本设计只对传动轴、传动齿轮进行设计以及对电机进行选择。（2）剪切机构下剪刃通过螺钉固定在下刀座上，下刀座通过螺钉连接固定在下刀架上，下刀座在水平方向上可以调节，松开螺钉，调节可调螺栓来调节下剪座位置，从而达到调节上、下剪刃的侧间隙的目的，当调整到所要求的间隙时，锁紧螺钉即可。飞剪在剪切轧件时刀片垂直与轧件，剪切断面较为平整。不工作是，刀片停在水平位置上，当有轧件通过时，刀片在竖直位置刀片以大约相同的速度，完成对轧件的剪切此后刀架旋转使刀片又停到原来位置。当需要对轧件进行碎断时，刀架不停旋转完成碎断任务。上下剪刃相遇切割棒材时，瞬时剪切力是比较大的，为了减小剪切力，上剪刃在轴向以剪刃的中心为原点向两端做成一倾角，在剪切时瞬间接触面积减小，达到减小剪切力的目的。（3）机架的设计三个箱体内分别装有吊钩，方便拆装。上箱上部设有注油孔及压力油输入孔，下箱底部设有油底壳及泄油孔，以便沉积杂质便于从泄油孔排除。24剪切力、剪切力矩、剪切功及电动机功率的计算241剪切力的计算棒材飞剪在剪切过程中，当飞剪直接装在轧机后面而又没有匀速机构时，刀片速度在剪切时，可能超过轧件运动速度则在轧件中产生作用在飞剪刀片上的拉应力V0V，因此剪切力由刀片克服剪切过程产生的剪切力和拉应力组成。P（1）首先根据所剪轧件最大断面尺寸来确定剪切机公称能力，它是根据计算的最大剪切力并参照有关标准和资料确定的。最大剪切力可按下式计算MAX（21）MAXMAX60FKPBT式中被剪轧件最大的原始段面面积，MAXF2被剪轧件材料在相应剪切温度下的强度极限，MPA；考虑由于刀刃磨钝、BTK刀片间隙增大而使剪切力提高的系数，其数值根据剪切机能力选取小型剪切机61MNP31K中型剪切机08522大型剪切机式22中的系数06是考虑单位剪切阻力与强度极限的比例系数。根据所剪材料为合金钢，由2266表84查得160MPA取13BTK62MAXMAX53906061301421BTPKFN（）（2）计算刀片上的拉应力根据虎克定律，轧件中的拉应力为22EL式中E弹性模量，对轧件在终轧温度为800时，近似地等于45000550002M/N剪切终了时，飞剪与最后一架轧机间的轧件长度；L剪切终了时，在轧件长度段内由拉应力产生的伸长量。L根据资料可得，L初步取3米。伸长量可由剪切过程中刀片与轧件的水平位移量的差值来确定L（23）01LL式中剪切时间内刀片在水平方向的移动量；1L剪切时间内轧件的移动量。0轧件的移动量（24）TVL0当刀片轨迹半径为R的整圆时，剪切时间为（25）VT2361角相当于剪切轧件厚度为H时的开始剪切角度，由下式确定126RSA21COS1式中S刀片的重叠量；H剪切厚度；R刀片旋转半径。由已知H658MM,取S8MM,R240MM,代入式（26）得84625026512COS1RSHA则1AR0846539角为剪切终了的角度，考虑到剪切终了时的相对切入深度，由2268得2027RSH21COS022820K式中断裂时的相对切入深度；0一般取1216；2材料的延伸率。由材料为轴承钢查得08，取13，带入式（28）得2K401830将H658MM，S8MM，R240MM，带入式（27）得982406521COS02RSH则2AR09857取主轴转速，则刀片的圆周速度MIN/6R，剪切开始时的刀片水平速度为SRNV/104601COS579COS32761/将，带入式（25）得3258SMV90VRT21561743660所以112SINSIN3SI87906LM）MT105720LL5978691查资料取飞剪与最后一架轧机间的轧件长度，则轧件在剪切过程中的拉伸L3量为12801305981L综上所述，由于，故可不考虑拉应力对刀片的附加载荷。2L242剪切力矩和剪切功的计算最大剪切力发生在刀片相对切入深度时，这时刀片的角度位置为MAXP309042486515150COS0RH则有ARCOS9031剪切力矩（29）43OSIN21021SIN2586975MPDNM2剪切功的计算知道剪切功后可以方便地算出剪切所需功率，剪切功与剪切力的大小及刀片行程有关剪切功客按下式计算（210）DFHDZFA令，称为单位剪切功。它等于单位剪切阻力曲线所包围的面积。AF查2267表85得轴承钢在800的，带入式（210）得348MNAFHA279652243电动机功率的计算及其选择按启动工作制工作的飞剪剪切功率几乎完全由飞剪运动质量的加速条件来决定。因为每次剪切要求的加速时间非常短，在个别情况下只有01S，在这种条件下，剪切力对电动机功率实际上没有影响。带飞轮连续工作的飞剪的电动机功率是按相邻两次剪切时间T秒内的平均剪切功率计算的千瓦（211）TAN102式中电动机的功率，KW总剪切功，；MMN2789相邻两次剪切间的时间间隔，；取TSST1修正系数，考虑在飞剪机构中消耗在轴承上的摩擦等附加功。对于传动装置简单的飞剪，系数可以取5，在飞剪中具有主电机带动复杂的减速机与一些辅助机械时，一般取1520，在此取1所以KWTAN82405027891由于已经按照最大值考虑，故上式中忽略不计传动效率。根据上面的计算，选择Z4系列直流电动机，可用直流电源供电，转动惯量小，有较好的动态性能，能承受高负载变化。广泛应用于机械、纺织造纸和冶金工业等调速要求高的自动化传动系统。选择飞剪的主电动机Z440042,额定功率为480KW，额定转速为600。MIN/R25主要零部件的设计计算及强度刚度的校荷251飞剪内齿轮的设计1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数。（1）根据工作条件需要选择斜齿圆柱齿轮。（2）飞剪机对精度要求较高选用7级精度等级（GB1009588）。（3）材料选择。选择小齿轮的材料为20CR（调质），齿面硬度300HBS，大1HB齿轮材料为40CR（调质），齿面硬度260HBS。两者硬度之差为3002HB226040HBS,在2050HBS范围内。（4）初选小齿轮齿数,大齿轮齿数。大齿轮转速，则135Z249ZMIN/602R。MIN/8601RN2按照齿面接触疲劳强度设计。按式（212）32D1T1TK2HETZU（1）确定设计公式中各参数1）初选载荷系数。61TK2）计算齿轮的转矩（213）MNNPT546928819051（214）IT312小齿轮的转矩，大齿轮的转矩。2T3）选取区域系数，查5217图1030得。42HZ4）由5215图1026查得，则3809721，。2638097215）由5205表107选取齿宽系数。D6）由5201表106查得材料的弹性影响系数。7）由5209图1021D齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，MPAH6501LIM大齿轮的接触疲劳强度极限。MPAH602LIM8）取工作寿命为20年，（设每年工作300天），两班制，每班10小时。由5206式1013计算应力循环次数。（215）81105623018460HJLNN（216）23I9）由5207图1019查取接触疲劳寿命系数。190321HNHNK10）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1，安全系数S1，由5205式1012得（217）MPASKHNH5604193011LIM（218）2LI2则许用应力为（219）MPAHH5272465021（2）计算1）试计算小齿轮分度圆直径由式（212）得TD1MZUDHET89645274819426307549821TK3DT12）计算圆周速度（220）SMNDVT/5031608491603）计算齿宽及模数BNT（221）1COS948COS61908735TNTDMZ25072NTHM08496B4）计算纵向重合度（222）1038TAN0385TAN160957DZ5计算载荷系数K由5193表102，已知使用系数，根据速度，7级精度，由A30/VMS5194图108可以查得动载系数；齿向载荷分布系数表可由5196表1041/VMS查得（223）223111708604725HTTBKBD取偏于安全。25FH由5195表103查得齿间载荷分配系数故载荷系数12HFK1218543AVHK6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得31TTKD（224）3312546988196TTKDM计算模数NM2251COS819COS2735NDZ3按齿根弯曲强度设计由5216式1017226213COSFASNDKTYMZ（1）确定计算参数1）计算载荷系数。152