双动液压横切剪强度分析以及结构设计

双动液压横切剪强度分析以及结构设计摘 要双动液压横切剪是某热轧带钢厂精整线上剪切钢板的重要设备。现如今该厂想要开发生产 b=1000Mpa 高强度系列厚度规格的钢板，为了确定该横切剪机床是否能承受剪切这类高强度钢板时产生的应力，这篇论文针对它的承载能力进行了理论分析计算。首先，在进行测试之后，根据数据验证了计算横切剪得平均剪应力可以运用B.B.诺沙里公式，考虑到冲击力放大系数的影响，经过计算，得出了该横切剪机在剪切 b=1000Mpa 高强度钢板的最大厚度是 21mm。接下来，根据这台剪切机床的机构运动特点，对这台机器进行机构分析，并用 CAD 软件画出该机床的装配图，关键零件图，其中手画零号图一张，两张 cad零号图，这样，能对这台剪板机的机构以及运行特点的理解有很大的帮助，并且为后面的理论分析计算打下了良好的基础。最后，通过有限元软件 ANSYS13.0 对关键部位的零件进行分析，确保此零件的受力变形在允许的范围之内，从而确保机床能平稳运行，并且能为设备的检修提供帮助。关键词：横切剪，剪切应力，有限元ABSTRACTDouble acting hydraulic crosscut-cut is a hot-rolled steel online shear vital equipment of the factory. Nowadays, the factory want to develop and product 1000Mpa high strength series of steel.To determine whether the crosscut shear machine can afford this kind of high strength steel shear stress, when producting the steel. Its bearing capacity calculation were analyzed in theory in this paper. First, the tests verified according to the data, the average cuting force can be calculated by B.B. ruoshaly. considering the influence of impact amplification coefficient.Through the calculation, we obtain the date of crosscut shear machine in Shearing 1000Mpa high strength steel plate is at most 21mm. Next, according to the motion characteristics of this shear machine,analyse the machine mechanism , and draw the key parts of the machine by CAD software, , including size zero figure by hand, two size zero pictures by CAD. So it is of great help for understanding of the characteristics of the operation, and lays a good foundation for the theoretic analytical calculation. Finally, through the analysis of the key mechanism by ANSYS13.0, we can make the force in permitted range, thus ensure the machines can smooth operation and provide help for equipment maintenance. Key words： Crosscut scissors, shear stress, finite element 目 录中文摘要 .ABSTRACT.1绪论 .11.1 国内外发展概况以及发展趋势 .11.1.1 飞剪的基本要求和工作类型 .11.1.2 飞剪技术的发展 .11.2 课题研究背景意义 .21.3课题研究方法的概述 .31.3.1 运动学与动力学的分析方法简介 .31.3.2 强度分析方法简介41.4课题研究内容和技术路线.52双动液压横切剪机的设计.72.1 机械结构.72.2确定驱动方式102.3确定剪板机的剪刃112.4剪板机的设定参数 132.4.1 剪刃行程的确定132.4.2 剪刃尺寸的确定132.4.3 剪刃斜角 142.4.4 剪切次数 142.4.5 剪切力的计算 142.5液压系统设计 162.5.1 液压系统原理 162.5.2 系统参数计算 163关键零件的有限元分析 194 总结 . 27参考文献 . 28宋体五号黑体五号1 绪论横切剪技术广泛被应用在连续的轧机的生产线、横切机组等，钢厂里面可少的关键设备。在别的行业，横切剪机床也受到相当多欢迎，并且应用很广，比如说冶金行业，横切剪机就很受追捧。1.1国内外研究概况以及发展趋势1.1.1飞剪的基本要求和工作类型横切剪机多年来一直是冶金工业的重要生产设备之一。平时说的剪切机，是指横向运动剪切的扎件，并且满足用户定尺要求的设备。所以，横切剪机必须具有三个必要的条件：1、剪切运动扎件时刀刃的水平分速度跟扎件同步；2、剪切机要能满足不同用户的定尺要求；3、剪切速度同时必须跟生产线上其它的设备相匹配，这样可以提高生产率，同时提高经济效益。现代剪切机根据原动机的类型可以划分为连续式还有启停式两个大类。连续式剪切机采用的一般是异步电动机驱动，配置有飞轮高速运转，通过快速响应的离合器及制动器实现小惯量下启动、制动，而在大惯量下剪切，可以充分提高动力距，提高速度。启停式剪切采用低惯量大扭距直流电机，每剪切一次，电机启动、制动一次。不同工作制的剪切各有优缺点，连续式适合高速频繁启动，但电机连续运行浪费电能资源，启停制结构简单，但电器控制方面要求比较高。1.1.2飞剪技术的发展传统剪切机结构通常都十分复杂。例如自上世纪七十年代我国引进的施罗曼飞剪为第一代引进的飞剪机，是双曲柄摇杆式飞剪机。这类剪切机都有一个复杂的匀速系统和倍尺机构。随着电机技术的快速发展，特别是交流变频技术、大型伺服电机制造及控制技术的发展，使复杂的剪切机构设计变得十分简洁。如第二代引进的是所谓的翁格尔飞剪机及第三代引进的桥式剪切，完全取消了以往飞剪机的匀速机构及倍尺机构：利用先进的电气控制技术，简单明快地满足了生产工艺对飞剪机的要求。横切剪机床的类别比较多,包括带钢精整生产线的定尺横切剪在内，还有很多结构独特、用途新奇的横切剪，例如板坯剪切，型钢横切剪，切头横切剪，滚筒式横切剪，碎边剪切等等。模式飞剪又称滑座式飞剪，是中厚钢板定尺剪切中不同于卷筒式或曲柄式飞剪的定尺剪切装置，最大差别是其刀架作纵向直线运动来和钢板同步，是精整生产线中关键的组成部分，其任务是对作业线上的带钢按照用户的要求进行各种尺寸的剪切。横切剪定尺精度要求高，控制系统复杂、其 APC 优化算法呈现出多样性。飞剪机的机构分析和动力学分析一直在横切剪机研究史上占据重要地位，很多学校的科技工作者都对此进行过研究分析。例如燕山大学王海儒等人将双偏心摆式飞剪机 简化为二自由度平面六杆机构，运用复数向量法建立了剪切的运动学与动力学数学模型；同时，在此基础上，针对剪切的同步剪切以及定尺精度要求，研究了两主动曲柄的控制对策。武汉科技大学机械自动化学院刘海昌等人在大量实验测试、分析计算的理论基础上，指出了我们平时常用的诺沙里的剪切力公式存在不能使用的场合，即剪切时的冲击问题。对剪切机的力能参数的计算提出简洁实用的计算方法。刘海昌在进行摆式剪切刚体动力学计算中，考虑机构铰链间隙对机构动力学的影响，把间隙当作“间隙矢量构件”添加到原机构中，仍利用动态静力法进行计算：不同的是原结构增加一个“间隙矢量构件”就增加了一个自由度。武汉科技大学姜惠军在其硕士论文中针对武钢热轧厂三号精整线上剪切摇床和滑道之间、摇床和下刀架钩轮之间存在间隙因此在运动过程中产生冲击的问题进行了动力学方面的研究。1.2课题研究背景意义这台横切剪机床是某热轧带钢厂精整线上的由中冶赛迪公司设计的一种连续工作制剪切（如图 1.1 所示） ，是对 开卷后钢板定长剪切的重要设备。该横切剪机床设计的最大剪切力为 5145KN，用于剪切钢板强度 b=300Mpa 1000Mpa、厚度 h=525.4mm、最大宽度可达 2200mm 的钢板。这种类型的剪切利用液压机带动传动机构运转，剪切时通过离合器控制剪切机构进行剪切，剪切完毕后，又通过制动器将剪切机构固定于待切位置。该剪切是一种比较先进的横切剪机，它采用离合器和制动器取代了传统连续工作制飞剪的空切机构和匀速机构，具有结构紧凑、定尺调整方便，同样剪切能力下对原动机的选型要求比较低，所以目前应用较多。随着生产的发展，新型钢种的出现，能否剪切一些材料参数超过原设计参数的钥种(例如该厂拟开发生产 b=1000 MPa 的高强度系列厚度规格的钢板)，就需对剪切机进行实测以及动力学研究，才能清楚的了解该剪切机的承载能力挖掘设备潜力：同时在操作中应该注意哪些问题，并且探讨机构改造的方法。因此本论文具有实际应用的价值。图 1.1 双动液压横切剪布置图1.3课题研究方法的概述1.3.1运动学与动力学分析方法简介机构运动学不考虑机构中力的作用，仅从几何的观点来研究机构各构件和构件上的点的运动参数一位移、轨迹、速度、加速度等的求解一运动学分析(kinematic analysis)，以及仅从运动角度设计新机构的方法一运动学综合(kinematic synthesis)；机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学，即动力学分析和动力学综合。动力学分析是动力学综合的基础。机械动力学的分析过程，按其功能不同，可分为两类问题：1) 动力学反问题(inverse dynamics)：已知机构的运动状态和阻力(力矩)，求解应施加于原动件上的平衡力(力矩)，以及各运动副中的反力(即已知运动求力)。2) 动力学正问题(forward dynamics)：给定机器的输入力(力矩)和阻力(力矩)的变化规律，求解机器的实际运动规律(即已知力求解运动)。在机械动力学发展历史上，先后提出了四种不同水平的分析方法：静力分析、动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。1) 静力分析(static analysis)：对低速机械，运动中的惯性力可以忽略不计。对机械的运动过程中的各个位置，可用静力学方法求出平衡机械的载荷而需在原动构件上施加的力(力矩)，以及各运动副中的反作用力。动力学反问题(inversedynamics)：已知机构的运动状态和阻力(力矩)，求解应施加于原动件上的平衡力(力矩)，以及各运动副中的反力(即已知运动求力)。2) 动态静力分析(kinetostatic analysis)：根据达朗贝尔原理，将惯性力和惯性力矩计入静力平衡方程来求出为平衡静载荷和动载荷而需在原动构件上施加的力(力矩)，以及各运动副中的反作用力。由于采用了“原动件等速回转“这一假定，在动态静力分析中便不涉及原动机的特性。动态静力分析应用于动力学反问题中。对许多速度高的机械，多用动态静力分析代替静力分析。3) 动力分析(dynamic analysis)：在力的作用下，机械并不能维持“原动构件等速回转”这种理想化的假定。尽管这种假定在许多情况下是允许的，但在工程实践中也常常要求知道原动构件和机械系统的真实运动。动力分析抛弃了对原动构件运动规律的理想假定，因而要把原动机包括在机械系统内来进行分析，它应用于动力学正问题中。4) 弹性动力分析(elsatodynamic analysis)：在上述三种分析方法中，构件均被认为是刚性的。弹性动力分析是计入构件弹性的动力分析方法。这些研究工作主要集中于机构参数的确定、运动参数的分析、刚体动力学计算等。1.3.2强度分析方法简介近几年，高碳、高合金钢种逐渐增多，些钢种已超出原设计的产品大纲，为了保证正常生产，很多大专院校和科研院所对钢厂投入使用的各类飞剪机的承载能力进行了研究，采用的技术路线是采用现场在线测试与有限元仿真相结合的方式。上海宝钢研究院的姚利松等人通过对热轧精整厚板生产线模式飞剪剪切力在线测试，结合理论计算分析了横切剪的剪切能力，同时采用有限元对刀片和刀架强度、变形进行计算分析，指出现有剪切机存在的问题，为下一步改造提供依据。华东冶全金学院的潘紫微等人在分析研究剪切机机架应力分布和强度时，采用模型实验应力分析和实测机架动应力相结合的方法。在模型实验应力分析中采用脆性涂料法确定模型机架最大主应力部位和主应力方向，采用电阻应变测量法确定模型机架的主应力水平。据此选定最大主应力的测点进行实际剪切过程中动态应力和相应剪切力的测定，确定并分析机架强度。有限元仿真是进行机架强度校核的一个重要技术手段，许多学者在在运用有限元理论和有限元分析软件 ANSYS 方面做了不少工作。有限单元法基本理论、研究现状及发展趋势：随着现代科学技术的发展，人们对机械设备的安全性和精密度的要求也越来越高。这就要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径 n 引。有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析。国际上早在 20世纪 60 年代初就投入了大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在 1966 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 NASTRAN 有限元分析系统。70 到 80 年代是有限元分析软件蓬勃发展的时期，美国的 ANSYS、ABAQUS、ADINA、I-DEAS、LSDY、MARC、SAP，德国的 ASK 焱、英国的 PAFEC、法国的 SYSTUS 等软件不断推出强大的新版本。有限元法数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握。能够灵活处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩形形式表达基本公式，便于计算机编程运算，这些优点赋予有限单元法强大的生命力。它发展至今，不断开拓新的应用领域，其范围由杆件结构问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定问题，由固体力学问题扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几个场的耦合发展吖矧。90 年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元类型、非线性分析、场分析、优化设计和数值方法等方面有很大改进和增强外，前后置处理功能更加强大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还提供与 CAD 软件(如 ProE、UG