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东北大学硕士学位论文 基于m i c r o m a t i c 剪切机定尺精度控制优化研究与改进设计 摘要 随着钢铁产量的增加，钢铁品种需求的多样化和钢铁产品出口的增加，现 代钢铁制造要求获得更高的产量和质量，因而需要提高生产效率并采用连续生 产方式，飞剪机是钢板连续生产线上不可缺少的重要的设备。一方面对飞剪机 的功能需求也在不断的扩展：另一方面对飞剪机的生产效率和加工精度的要求 也在提高。 本课题结合本钢m i c r o m a t i c 剪切机生产系统存在的一些问题作了技术 上的分析和改进。由于原剪切机在实际生产中由于剪刃间隙调整困难、耗时较 长，造成机组降速( 仅4 0 7 0 m m i n ) 或停机，影响连线生产；由于动态换规格时 调整时间长、误差大，造成废品量增加，甚至停产。现在对板材的需求量越来越 大，因此本文采用先进技术措旌对剪切机定尺精度、剪刃间隙调整所需的软硬 件进行研究，并进行修改、完善、优化，实现剪切机在线自动换规格，减少误 差，提高控制精度，提高产品质量，减少废品量，增加企业效益是当前迫切需 要解决的问题。 本文对剪切机国内外的应用和技术发展情况进行了综合论述，并对剪切机 结构及原理进行了分析研究，提出了剪切机定尺精度控制和剪刃间隙调整优化 研究和改进设计的技术措施，同时，还对剪切机电气控制改进进行了技术分析， 论证了其可行性。因而，在对上述问题作了分析研究的基础上，本文所做工作 分为以下几个部分： 第一部分对飞剪机作了结构分析，从理论上对飞剪机多种力学参数进行了 分析，计算求解了机构的多种力学参数，并对输入参数进行了优化分析，确定 了不同规格的带钢剪切条件下的最优输入参数。 第二部分对飞剪机作了运动学分析 数，并对输入运动参数进行了优化分析， 从理论上计算了飞剪机多种运动学参 确定了不同规格的带钢剪切条件下的 东北大学硕士学位论文 摘要 最优运动输入参数，并对剪刃间隙误差作一定的分析，为较好的控制带钢剪切 的运动状态提供了理论基础。 第三部分对飞剪机的电气控制原理作了分析研究，在对现有的电气控制原 理分析的基础上，对原飞剪剪刃间隙调整程序作相应的修改、调整，重新设计部 分程序并进行装载，对软硬件进行多次离在线及防干扰测试，经反复次试验证 明获得较理想的效果。 通过对m i c r o m a t i c 剪切机定尺精度控制和剪刃间隙调整优化研究和改 进设计的技术，得出具有一定参考价值的结论，可为热镀锌板生产线中剪切机 的设计、应用和调整提供综合经验和基础实验数据。 关键词：飞剪机定尺精度间隙调整镀锌板剪刃 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e o p t i m u m r e s e a r c ha n d i m p r o v e dd e s i g n o fd e f i n i t e - s i z e p r e c i s i o nc o n t r o lb a s e do nt h em i c r o 噙t i cs h e a r s a b s t r a c t t h ef 1 y i n gs h e a ri so n eo ft h em o s ti n d i s p e n s a b i l i t ya n dp i v o t a le q u i p m e n ti nt h e c o n t i n u o u sp r o d u c tl i n eo fs t e e lo f s t e e lr o l l i n g s p e c i a l l y , a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e t u r n o u ta n dv a r i e t yi nt h em o d e ms t e e lp r o d u c t i o ni ti sr e q u e s t e dt h es t e e lp r o d u c t i o n m u s tb ed e v e l o p e dd i r e c t i o nt ot h eh i 幽s p e e da n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i v em a n n e r o n o n es i d e 也en e e dt ot h es h e a rm a c h i n ei si n c r e a s i n g o nt h eo t h e rs i d et h er e q u e s to f t h e q u a l i t yo f t h em a c h i n ei si n s t i n c t t h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m ep r o b l e m sw i t ht h em i c r o m a t i cs h e a rs y s t e mo ft h e b e n x ig a n g t i eg r o u p b e c a u s et h ea d j u s t m e n tt i m eo ft h eg a do ft h es h e a rb l a d ei st o o l o n ga n di t s d i f f i c u l tf o ri t t h ep r o d u c tl i n ei sd i s t u r b e db yt h es t o po ft h em a c h i n e w o r k s h o p t h er a t eo f f a l s ei sr i s i n ga n de v e nt h ep r o d u c ti ss t o p p e d w i t ht h en e e dt o t h er o l l i n gi sl a r g e ra n d l a r g e r ；t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ym u s t b ea d o p t e dw i t ht h es t u d y t ot h eh a r da n ds o f tw a r eo f g a po f t h ed e f i n i t es i z ea n dt h es h e a rb l a d ef i n i s h e d i nt h e e n d t 1 1 ep r o d u c t q u a l i t yc o u l db ei n c r e a s e da n dt h er a t i oo f f a l s ep r o d u c tc a r lg od o w n a l o n gw i t h 也ed e v i a t i o nc o n t r o l l e d t h i ss u b j e c ta n a l y s e sg e n e r a l l yt h ea p p l i a n c ea n dt h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n to ft h e s h e a rm a c h i n ei no ro u tt h ec o u n t r ya n dt h ef r a m e w o r ka n dt h et h e o r ya r ea l s os t u d i e d t h em e a s u r e so ft h ec o n t r o l l i n go ft h e p r e c i s i o no ft h e d e f i n i t es i z ea n dt h eg a p a d j u s t m e n t a r ep r o v i d e d ，a tt h es a m et i m et h e a n a l y s i s o ft h e i m p r o v e m e n to ft h e e l e c t r i cc o n t r o “sa l s od o n ea n di ti sf e a s i b l e s ot h ep a p e rd i s c u s s e st h e s ep r o b l e m s ，t h ew o r ki s c o m p o s e do ft h el i s t e ds e v e r a l p a r t s ： t h ef i r s tp a r ti st h ea n a l y s i so ft h ef r a m e w o r ko ft h ef l y i n gs h e a rm a c h i n e s o m e m e c h a n i c sp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n dt h es o l u t i o n sa r ew o r k e do u t t h e i n p u tc o u l db ea n a l y z e d ，s ot h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rc a l lb ef o u n du n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n so f t h e t r o l l i n gi nd i f f e r e n ts p e c s 1 jes e c o n dp a r ti st h ca n a l y s i so ft h ek i ：e m a t i c s t h ek i n e m a t i c sp a r a m e t e r sa r c c o m p u t e di nt h et h e o r ya n da r eo p t i m i z e d ，t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sc o u l db ef o u n d u n d e rt h eu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h et r o l l i n gi nd i f f e r e n ts p e c s ，w h i c hi st h e b a s i co f t h em o v e m e n t o f t r o l l i n g 一i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ct h i r dp a r ti st h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i cc o n t r 0 1 o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n g e l e c t r i c c o n t r o l l i n gt h e o r y , t h eo r i g i n a lc o n t r o l l i n gp r o c e s sc o u l db em o d i f i e da n d a d j u s t e d s o m ep a r to f t h e p r o c e s ss h o u l db em a d ea n dl o a d e d t h e t e s to ft h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ei nl i n eo ro u tl i n em u s tb ed o n e s ot h e p e r f e c t e f f e c te a r lb eo b t a i n e da f t e r m a n y t i m e st e s t ， s o m er e f e r e n t i a lc o n c l u s i o nc a nb ec a u g h tt h o u g ht h es t u d yo ft h ep r e c i s i o nc o n t r o l o ft h ed e f i n i t es i z ea n dt h eg a pa d j u s t m e n to ft h es h e a rb l a d ea n dt h ei m p r o v e m e n to f t h et e c h n o l o g y , w h i c hc o u l d p r o v e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ed e s i g n a t i o n 、a p p l i a n c e a n d a d j u s t m e n to f t h e s h e a rm a c h i n ei nt h e h o t g a l v a n i z e dp r o d u c t l i n e k e yw o r d s ：f l y i n gs h e a r s d e f m i t e - s i z ep r e c i s i o n g a pa d j u s t m e n tg a l v a n i z e db a n s h e a r i n g b l a d e v 一 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中所 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 当今世界，科技进步突飞猛进，特别是机电一体化技术日臻完善，深刻影响 着制造领域。与此同时，全球经济一体化和市场竞争国际化的趋势又对制造业提 出了全球化和国际化的新挑战。曾一度被视为“夕阳产业”的传统制造业，其发 展方向和出路重新又引起了人们的思考和探索。 近几年来，制造业的全球化为我们带来了新的契机，并且在国内外呈现出了 良好的市场前景。这必须引起我们的高度关注。为了加快我国改造传统制造业的 步伐，参与制造业国际竞争，我们有必要深入研究我国的制造技术，大力推动制 造业的高技术化。 1 1 课题概述 对金属材料进行剪切的剪机随所剪材料的不同有各种不同形式。有类似剪刀 的插口剪，有剪刃为水平放置的平口剪，还有剪刃有一定斜度专门用来剪切较宽 板带材的斜刃剪。以上几种剪机有一共同的特点：都是往复式的，也就是说它们 工作方式不是连续的，当剪刃向某一方向移动剪断了被剪物后，它们还需要有一 个返回不工作的空行程，让剪刃回到原来的位置，准备着再从事另一次的剪切。 但是圆盘剪则不然，当被剪材料进入两盘形重叠的刀刃间后，两刀盘不断旋转， 被剪材料就会连续地被剪下去。直至被剪的材料剪完为止。这是一种连续作业的 剪机。常用于成卷带材的剪边用。 本钢冷轧薄板厂热镀锌机组是由入口段、工艺段( 连续退火炉) 、锌锅冷却塔 控制段、镀后处理段、出口段及剪切线六部分组成。年产成品热镀锌卷3 0 万吨， 其中成品热镀锌板2 0 0 0 吨。从德国m i c r o m a t i c 公司进1 ：3 的“剪切机”位于剪切线 的中部，是投资约1 8 0 0 万人民币的重点设备。它承担着热镀锌机组剪切成品板和 待判卷的主要任务，所以说它的性能优劣直接影响热镀锌机组产品的质量和产量。 热镀锌线与剪切线联合生产这种生产方式又对剪切机的性能提出了更高的要求。 该剪切机的机械部分由德国m d s 公司提供，电气部分由德国西门子公司提供， m i c r o m a t i c 公司负责现场软硬件的安装与调试并于1 9 9 6 年7 月正式投入使用。它 结构简单、设备布置合理，不同于以往的施罗曼、哈尔登、温格尔等剪切机，它 东北大学硕士学位论文第一章绪论 充分利用计算机的功能，使剪切机具备了控制准确、剪切精度高等优点，是近期 国内先进的电控剪切机“。2 1 。 1 1 1 国外剪切机的发展概况 目前国外多采用两种比较先进的剪切机型，一是采用离合器制动器，我们称 作“连续起停”制剪切机，另一种是电机直接起停制剪切机，两种剪切机各 有其优点亦有其不足之处。随着科学技术的不断发展，电控元器件水平的提高。 起停制剪切机将逐步代表着剪切机的发展趋势。连续起停制剪切机，整机分 为传动装置和剪切装置两大部分。传动装置部分是由直流电机带动，配置有飞轮 连续高速运转；而剪切装置一般情况下是静止不转的。两部分之间由一对快速响 应的离合器制动器相连接和控制。当需要剪切时，则制动器打开，离合器合上， 传动装置通过离合器带动剪切装置运动并剪切；剪切完后离合器脱开制动器合上， 将剪切装置制动停止到某一确定的待切位置上。传动装置仍连续运转。这种机型 传动部分的转动惯量很大，剪切部分的转动惯量很小。因此可以通过离合器制动 器控制实现在小惯量下起动、制动，而在大惯量下进行剪切。可以充分利用动力 矩，提高速度，降低能耗。 起停制机，采用低惯量大扭矩直流电机整机直接起动、剪切、制动，完成 剪机的三个基本动作过程。剪切机的传动部分和剪切部分做成一体，整个传动系 统的转动惯量都很低，以便于实现整个传动系统频繁的起动制动。这种剪切机一 般处于静止状态，剪切时，电机直接拖动传动装置和剪切装置迅速起动剪切，而 后立即制动，而且有些要求电机可反向爬行转动，将剪头准确地复位于某一待切 位置。因此，这种剪切机结构简单，维护保养方便，控制环节少，剪切精度较高。 连续起停制剪切机与起停制剪切机相比较，前者适合高速频繁起动，后 者结构简单，剪切精度高，并且在电控技术及元件过关的情况下，速度亦可达到 或超过前者，因而更有发展前途。 1 1 2 国内剪切机的发展概况 从建国初期5 0 年代至7 0 年代，国内小型剪切机大都受东欧、苏联等社会主 义国家影响，剪切机大致可分为连续制和起停制两大类，例如：鞍钢一初轧i o o x 1 0 0 方连续制剪切机，首钢3 0 0 小型5 0 x 5 0 方起停制剪切机；2 5x2 5 连续制剪切 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机。济制小型厂捷克产11 吨连续制剪切机等等。 连续制剪切机，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，因此这种剪切机设 置了空切机构、倍尺机构等装置。不可避免地带来设备庞大、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。由于剪切 机构复杂庞大，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剪切机如首纲2 5x2 5 连续制剪切机即是如 此，但这样改动后剪切误差很大，常常定尺误差达1 - 2 m ，这是非常不利的。 起停制剪切机其原理同前面第一节中所述是一样的，但是当时的设备结构和 电气元器件、控制水平远远不及今日，故这种剪切机的速度是根低的。8 0 年代中 期，我国在开放政策影响下，集中引进了一批国外先进技术与设备，包括一些国 外7 0 年代水平的二手设备。其中较具代表性的先进剪切机技术是安阳2 6 0 小型 厂从意大利d a n i e l i 公司引进的c v 3 0 剪切机，它是采用离台器制动器控制的连续 起停制剪切机。最大剪切速度达2 0 m s ，剪切精度士8 0 m m ( v = l t m s ) 。“。 1 1 3m i c r o m a t i c 剪切机系统概述 热镀锌板剪切线由穿带磁力皮带、剪切线夹送辊、过桥导板、活套坑设备、 弧形辊道、边部导向装置、焊缝检测、测厚仪、十辊矫直机、剪切机测量辊和传 送辊、剪切机、静电涂油机、传送皮带和堆垛装置等设备组成。其中剪切机处在 整条线的中间位簧，它把剪切线的速度控制分为两部分，剪切机前一部分，剪切 机后一部分，在剪切线主控室内对这两部分速度进行分别控制，如图1 1 所示。 剪切线的穿带和脱尾速度为3 0 m r a i n ，剪切i 6 m 板长时，无余弦修正的最大生产 速度为1 5 4 m m i n ，带有余弦修正的最大生产速度为1 3 8 m m i n ，剪切机出口端最大 传送速度t 8 0 m m i n ，单板堆垛时，下搭架和基础堆垛磁力皮带的最大速度 1 0 0 m m i n ，搭接堆垛时的最大速度9 0 m m i n 。 剪切线基本技术数据： 原料厚度：0 5 2 5 m m 原料宽度：7 0 0 1 5 0 0 m m 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 式。 剪切k 艘： 1 0 0 06 0 0 0 m m 最大垛重： 1 0 t 最大堆垛高度：6 0 0 m m 幽1 i 热镀锌扳生产线 f i g1 1t h ef l y i n gs h e a rp r o d u c tl i n e 剪切线的生产模式分为在线模式、离线模式、穿带模式、甩尾模式和清空模 剪切机的结构与剪切原理将在后面的叙述中详细说明。 1 1 4 薄板堆垛装置概述 剪切好的薄板被皮带运输机从剪切机运送到相应的堆垛箱，部分皮带运输机 带有磁性。最大尺寸达8 0 0 m m 的头部和尾部废料部分以穿带和脱尾的速度被运送 到废料箱内。成品镀锌板被送到2 台成品堆垛机上，废品板或待判板被送到另外 一台堆垛机上。 为使剪切的薄板拉丌距离，剪切机出口传送皮带的速度应比剪切机入口皮带 速度高2 0 9 6 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 质量检查台安装在静电涂油机前，不合格的钢板在此处被挑出来。 剪切机前测厚装置挑 b 的废板被跟踪，剪切并送到废品堆垛箱中。焊缝被剪 掉送到废料箱中。 每一个堆垛装置由带磁性的上搭架、下搭架和基础堆垛机组成，上搭架用来 把板子送到下个堆垛台，在上搭架上的板不要落到下搭架上，而且输送到下一 个无磁运输机上。 由带钢跟踪装置决定钢板是通过还是堆垛。 上搭架依靠磁力吸起钢板，在根据钢板长度励磁，以便消磁的时候使钢板的 尾部下落时间比头部早。 下搭架的磁力部分按照钢板的长度激磁以接收下落的钢板，下搭架的运行速 度比上搭架慢5 0 ，因此下落的钢板一张接一张的叠加在一起。基础堆垛机皮带的 磁力部分按照钢板长度励磁。操作者可以调节磁力，以便每一张被接收的钢板能 落进堆垛台上。如果钢板是一张接一张被传送的，磁性部分按钢板长度消磁。 在高速单张堆垛的情况下，制动磁力被安装在基础堆垛机的入口磁力皮带上， 以便缓解钢板对垛板台头部缓冲装置的冲击。由操作者设定到该制动磁力的大小。 当基础堆垛机的磁力部分为下落的钢板消磁时，制动磁力被激磁。该制动磁力能 减少下落钢板的速度。单张堆垛时，不管怎样，皮带的速度应该一致，保持钢板 之间的恒定距离。 精确切好的钢板以规定的数量在堆垛装置内垛起来。垛板挡板装置取决于该 垛的长度与宽度，而它又是根据钢板的尺寸而定，该装置应在堆垛前设定好。钢 板垛在事先由人工放在垛板提升台上的木棒( 或铁管) 上。当垛板提升台没有达 到堆垛位置时，钢板可垛在临时支撑上，它能从前后及侧面伸出，垛板高度取决 于前、后挡板的高度，一旦提升台达到堆垛位置，可以缩回临时支撑，钢板落到 垛板台上，这样使生产能连续进行。 在堆垛升降台上安装了1 个光电管和1 个限位开关，用来控制它的最大堆垛 高度，同时计算所垛钢板的张数来控制最大堆垛重量。由测厚仪测出的废品、焊 缝及其带头、尾等短板被跟踪，由检查台操纵进入废品垛板台，它的堆垛状态不 受控制，不同长度及宽度的废板均接收，通过手工操作，把废品板或待判板进行 分类。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 堆垛模式必须是两个成品垛中的1 个和1 个废品垛处于操作准备状态。第二 个堆垛装置时刻准备着第一个堆垛装最垛满后继续工作，如果没准备好，剪切线 必须停车“3 。 1 2 课题的提出背景及意义 剪切机是在轧件运动中对轧件实施剪切工艺的一种设备，是连续式轧钢生产 线上不可缺少的、非常关键的设备之一。特别是，随着现代化钢材生产的产量和 品种不断增加，要求轧钢生产向高速、连续化生产方式发展的今天，剪切机的需 求量不断增加，自然而然地对的设计和制造质量提出了更高的要求。由于是在运 动中对轧件实施剪切，因此，对剪切机的运动特性、反应灵敏性、动作准确性， 以及工作稳定可靠件等各方面，都必须具有很高的要求。 1 2 1 剪切机系统存在的主要问题 本钢冷轧薄板厂镀锌剪切线用的剪切机是镀锌剪切线的关键设备，但在实际 生产中发现剪切机定尺精度、剪刃间隙调整不能满足当前的生产需要，存在一些 问题，本文要解决的主要问题如下： ( 1 ) 当带钢规格改变时，剪切机剪刃间隙却不发生变化。 ( 2 ) 定尺剪切精度误差大，2 m 长板达4 m m ，其他各种不同长度实际测量的剪 切精度如下： 6 0 0 2 0 0 0 咖4 m 2 0 0 0 3 0 0 0 m m， 5 m m 3 0 0 0 4 0 0 0 哪6 m m 4 0 0 0 5 0 0 0 唧7 r m 5 0 0 0 6 0 0 0 唧8 m m 剪切机剪刃间隙设定值与实际值误差太大。2 0 0 0 年1 0 月份测：设定值为 0 1 7 2 m m ，实际值为0 0 4 5 。误差高达0 1 2 7 r m n ，误差率7 8 。 ( 3 ) 由于飞剪剪刃间隙调整困难，耗时长，严重制约了剪切线的正常生产和 产品质量；另外，换规格时调整时问太长( 如2 分钟之内调整不完，将造成机组 停机) ，产生大量的废品。 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) ，由于剪刃间隙调整不当，不但切板时定尺精度误差增大，还将造成打刀 刃等，使关键设备损坏。 1 2 2 剪切机系统优化改进的意义 随着国内经济的进一步发展和市场的全球化，市场对于镀锌板的需求会进一 步加大，对于镀锌板尺寸精度的要求也会进一步提高。虽然目前市场对于镀锌卷 的需求大于镀锌板，但是通过剪切机的优化分析可以提高镀锌板的剪切精度，提 高镀锌板的生产效率，降低设备的故障率，减少成品的成本，降低废品率，提高 镀锌板在市场上的占有率。对于提高我国板材剪切技术，提升我国钢铁产品在国 际市场上的竞争力，为其他行业的进一步发展提高打下坚实的基础，以及振兴民 族经济具有较大的作用。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 剪切机结构及原理分析研究 对金属材料进行剪切的剪机随所剪材料的不同有各种形式。有类似剪刀的插 口剪，有剪刃为水平放置的平口剪，还有剪刃有一定斜度专门用来剪切较宽板带 材的斜刃剪。以上几种剪机有一共同的特点：都是往复式的，也就是说它们工作 方式不是连续的，当剪刃向某一方向移动剪断了被剪物后，它们还需要有一个返 回不工作的空行程，让剪刃回到原来的位置，准备着再从事另次的剪切。但是 魄圆盘剪则不然，当被剪材料进入两盘形重叠的刀刃间后，两刀盘不断旋转，被 剪材料就会连续地被剪下去。直至被剪的材料剪完为止。这是一种连续作业的剪 切机。常用于成卷带材的剪边用。 以上仅从剪切的基本原理来粗谈剪机的主要类型。实际使用的剪机，按不同 的用途，不同的剪切对象，山现了许多类型。如按所剪的材料类型可分为型棒材 剪切机。板带材剪切机和给成卷板带材剪切卷边的连续剪边机。从机架的固定型 式上看，又可分为视架固定不动的座架式剪机及机架可随被剪材一起运动，在运 动过程将材料剪断的剪机。而这种运动过程中剪断材料的剪机又被人们称之为剪 切机。 剪切机是在轧件运动中对轧件实施剪切工艺的- - e e 设备，是连续式轧钢生产 7 一 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 线上不可缺少的、非常关键的设备之。特别是，随着现代化钢材生产的产量和 品种不断增加，要求轧钢生产向高速、连续化生产方式发展的今天，剪切机的需 求量不断增加，自然而然地列剪切机的设计和制造质量提出了更高的要求。由于 是在运动中对轧件实施剪切，因此，对剪切机的运动特性、反应灵敏性、动作准 确性，以及工作稳定可靠件等各方面，都必须具有很高的要求。本论文主要针对 目前国内外小型轧钢车间主要采用的两种典型的起停工作制剪切机并结合本钢剪 切机系统( 气动离合器制动器连续一起停复合工作制剪切机和电动机直接起停工 作制剪切机) 的设计方法和控制过程进行论述 1 3 2 剪切机定尺精度及剪刃间隙调整的优化研究 影响剪切机机剪切定尺精度的因素主要有：剪切速度度的变化、剪切力的变化， 以及频繁剪切( 应大于最小剪切周期) 的程度。影响这些因素变化的原因来自剪切 机内外两个方面，剪切机内部原因：机械传动方面，离合器制动器的配合( 如采用 气动离合器制动器的剪切机) 、气源气压稳定、气动元件反应速度、轴承润滑情况 等是否工作正常等；电气传动方面，控制系统、励磁电压稳定、电动机转速、跟踪 测速精度、元器件响应时间等是否存在问题等。剪切机外部因素：剪切机前轧机速 度变化( 因剪切机直接跟踪剪前轧机或剪前夹送测速辊速度) 、剪前轧件尺寸、材质 均匀性、温度( 如穿水均匀性) 及速度的变化量等。 为保证起停工作制剪切机的剪切精度，在设计中应注意下列问题： ( 1 ) 选取的电动机应具有较硬的机械特性，以保证稳定的加速时间； ( 2 ) 选择适当的传动比，以保证最快的加速特性； ( 3 ) 定尺剪切控制的延时和记数必须准确且便于调整( 设置定尺误差补偿) ： ( 4 ) 剪切机的控制系统应当使每次剪切后，剪刃能严格地停止在起始位置上， 即剪刃的复位要准确。 ( 5 ) 机电配合严格调整好离合器制动器的动作顺序和时间间隔，绝对避免离 合器制动器的干涉。 - 8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 ，3 。3 剪切机电器控制分析研究 m i c r o m a t i c 剪切由。个特殊的微型计算机对其进行全部控制，经由一数据接 1 ：3 ，剪切薄板的长度能被计算机精确的测定出来，通过屏幕和键盘，薄板长度也 能在剪切终端直接记录下来。 由安装在测量轮( 安装在央送辊前部) 上的脉冲发生器，可计算出带钢的实 际速度和经过带钢的长度，借此计算机可计算出剪切薄板定长的起始点。剪切机 的剪切控制决定于预设带钢的长度和通过带钢的速度，于是通过测量轮的脉冲发 生器发出的脉冲数来计量带钢的运送距离，由脉冲变化率测量带钢的运行速度， 计算机从剪切机上部固定支撑点( 上死点) 计算剪刃起始的精确时间。每次剪切， 剪子都从上部固定支撑点开始，然后加速，使剪切与带钢的线速度保持一致，之 后减速回到上死点停止，等待下一次剪切。 整个剪切机由计算机控制。上下剪刃由两台直流电动机传动。两台电机采用 小惯量电机，整个传动系统的转动惯量小，启动和制动时间短，采用启动工作制 进行同步定尺剪切。电机控制装置g 1 3 2 为一模拟控制装置。 更换剪刃及剪刃间隙调整由一三相交流电动机来完成。由g 2 1 2 对电机进行变 频调速。在电机变速箱端头还安装一绝对值编码器，用于在校正时对剪刃进行精 确调整。 在曲柄上安装有一个参考开关，试验剪切第一张钢板时，由于计算机不知道 这时剪刃的位置，故不能判断第一张钢板的长度，但当剪切机转了一周，通过参 考开关后，计算机便能精确地计算出起始点。通过l i n v e l o c i t y 线速控制器将剪切 机的线速度实际值反馈给p l c ( 全线速度控制器) 。 计算机与显示器之问使用光纤通讯。通过r s 2 3 2 ，剪切机计算机与西门子p l c 进行通讯。剪切机使甩的计算机，是一特殊制作的工业用微型计算机，由一个基 架，一个c p u 模板，一个电源装置，一个存贮模板，一个扩展存贮。 目前控制系统存在着反应速度慢，一些操作指令不合理，不能实现在线动态 换规格，因而需要对目前的操作系统做一些技术改进。 9 东北大学硕士学位论文第二章剪切机结构及原理分析研究 第二章剪切机结构及原理分析研究 2 1 剪切机系统的结构分析 剪切机通常又称为飞剪机结构形式常见的主要有三种。曲柄连杆式飞剪，双 臂杆式飞剪，还有一种是结合了前两种形式的可变杆式结构( 即可以根据剪切工 艺要求交替变化采用曲柄连杆式或双臂杆式) ，以及圆盘式飞剪。 飞剪机是通过设置于剪切机构上对称布置的上下剪切曲柄旋转运动一周末实 现起动剪切与制动复位的。根据工作方式不同，起停式飞剪机是起动一次，剪切 一次，完成一个起动剪切与制动复位的工作周期；连续式飞剪机工作时剪切机构 是连续运转的，剪切动作是靠空切或其他辅助设备( 如，空切机构，摆槽装罱等) 来实现。连续一起停式飞剪机，其剪切机构与主传动系统( 如：变速箱，飞轮， 电动机等) 相分离，主传动系统为常转部分，剪切机构为非常转部分。剪切时靠 离合器制动器相互配合动作带动剪切机构实现起动剪切与制动复位。 在选型设计中，按照飞剪机设计的要求，首先依照现有资料分析比较，初步 选定飞剪机剪切机构的结构形式，譬如。曲柄连杆式飞剪机。剪切时上下刀片作 近似平移运动，剪切断面较为平整，适合作低速太断面或异型材剪切。双臂杆式 飞剪机的结构简单，转动惯量低，动作灵敏，适于作高速棒线材飞剪机。可变杆 式飞剪机则兼顾了前两种机型结构，可以根据剪切工艺要求交替变化采用曲柄连 杆式或是双臂杆式结构，因此，适合生产较多品种规格的轧材。用圆盘电控飞剪 适合于板材剪切，其结果如图2 1 所示”1 。 2 1 1 系统基本参数的分析 各种类型飞剪机虽然设备结构有所不同，然而其剪切机理基本一样。剪切过 程中的各部分参数可见图2 2 所示，曲柄连杆式飞剪机可参照图2 3 作类似的分析。 ( 1 ) 飞剪机剪切基本转数n 。 n 。- 6 0 v 。屈，) ( 2 1 ) 式中v 。一轧件运动速度( 叫s ) ； 一1 0 东北大学硕士学位论文 第= 章剪切机结构及原理分析研究 a - - 考虑热剪金属时，冷却后的金属收缩系数，热态2 = 1 0 1 5 冷态a = l ； l ，一剪切基本定尺长度( m m ) ，是在剪切基本转数下剪刃每循环一次所剪切 轧件的最短长度。 图2 1m i c r o m a t i ce 剪机结构剀 f i g2 1 t h ef r a m e w o r ko f f l y i n gs h e a rm a c h i n e 飞 、j 图2 2b 剪机的剪切过程分析 f i g2 2 t h es h e a rp r o f e s so ff l y i n gs h e a rm a c h i n e 东北大学硕士学位论文 第二章剪切机结构及原理分析研究 l 蝌2 3 曲柄连杆式e 剪机的剪切角 f i g2 3 s h e a ra f i g i eo f f l y i n gs h 咄m a c h i n ew i t hr o db r a c e ( 2 ) 飞剪机剪刃的圆周速度( 办称作剪切速度) v 为保证飞剪机剪切速度与轧件速度同步，在剪切过程中不致发生堆钢现象。剪 刃圆周速度v 在轧线上的剪切分速度v ，。( 参照图2 4 ) 等于或略大于轧制速度v 。， 符合下式。 v ，= ( 1 0 1 0 3 ) vo ( 2 - 2 ) 式中v x 一剪刃圆周速度v 在轧线上的剪切分速度( m s ) 。 所以，飞剪机剪刃的圆周速度v v = v o c o s6 p l ( 2 3 ) 式中v 一剪刃圆周速度( m ，s ) ； 纯一飞剪机剪切初始时的剪切角。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章剪切机结构及原理分析研究 图2 4 剪切速度与轧制速度之间的关系 f i g2 4 t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev e l o c i t i e so f s h e a ra n dr o l l i n g ( 3 ) 飞剪曲柄剪切角妒 由飞剪机剪切过程( 图2 2 ) 可知，飞剪机剪切初始时的剪切角纯为 他2a r c o s ( a h ) ( 2 r ) 】 = a r c o s 1 一( h + s ) 2 r 】( 2 4 ) 式中： a 一上下曲柄转动中心距( r a m ) ； r 一飞剪机剪切曲柄半径( r a m ) ； h 一被剪切轧件的厚度( m m ) ； s 一剪刃的重合量( m m ) 。 设乒h i 为相对剪切深度( a h 为绝对剪切深度) ，则根据式2 4 ，可将任意 位置的剪切角妒写成 p = a r c o s 1 - ( 1 一占) h + s t ( 2 r ) )( 2 5 ) 当c = 0 3 0 4 时，对一般金属而占，此点的剪切力为最大( 图2 5 ，则最大剪切力 所对应的剪切角( 通常也是接近剪切结束时的剪切角) 仍可写成( 此时令占= 0 4 ) 妒2 = a r c c o s ( 1 一( o 6 h + s ) ( 2 r ) ) ( 2 6 ) 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章剪切机结构及原理分析研究 ( 4 ) 剪刃基本角速度c o 。 图2 5 剪切力曲线f = f ( 6 ) r i 9 2 5s h e a r c u r s e l i n e f _ f ( 剪刃基本角速度可以用下式表示 脚o = v r = vo ( r c o s1 9 0 i )( 2 7 ) 式中代号同前所述。 ( 5 ) 飞剪机剪切曲柄半径r 飞剪机剪切曲柄半径r 是飞剪机设计中主要的参数之一，按照运动学原理 在匀速运动时，剪刃做j f 圆周运动，其速度为 v ：r ( o o - 2 t e 磊r n o ：2 t o 了r y o ( 2 - 8 ) 6 0比 将式( 2 4 ) ，式( 2 8 ) 代入式( 2 3 ) ，则飞剪机剪切曲柄半径r 为 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章剪切机结构及原理分析研究 q l jh + s r = 二 2 r e2 ( 2 9 ) 两种特殊情况： 若按上式计算，曲柄半径r 很大，为减小飞剪机结构尺寸，可将上述基本剪 切公式加入空切系数k ( k o ) ，来对曲柄r 值作相应的调整，则剪切基本转数式( 2 1 ) 和剪切曲柄半径式( 2 9 ) 改写成 。一6 0 k a , o 2 吾 。c lh + s r = 上+ 二二二一 2 赢2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中： k 空切系数，即为飞剪机曲枘剪切一次所转过的周数， 若经式2 9 计算得到的曲柄半径r 值太小，满足不了飞剪机结构的强度要求， 就需要加大曲柄半径r 值。例如在设计双臂杆式飞剪( 或滚筒式飞剪机) 时，可以调 整空切系数，取k = l 2 ，此时相当于在曲柄( 剪切圆周) 上均布二对刀刃，从而使 得曲柄半径r 值增大。| 。 从式( 2 1 1 ) 中可看出轧件厚度h 、重合量s 也都影响曲柄半径r 值的大小，因 此在设计和计算曲柄半径r 值时，务必要以轧件最大厚度及刀片最大重合量来考 虑。 剪切曲柄半径r 不仅与剪切基本定尺长度及飞剪各传动零部件刚强度有关， 而且对高速小型飞剪机来说，最重要的是在剪切速度一定的情况下，剪切曲柄半 径r 与飞剪机剪切机构的起动、制动等运动学特性有关。按照运动学公式 v = r o j o = r 警 ( 2 1 2 ) 即 r = v ( d o d t ) 式中v 剪切速度( m s ) ； d 曰曲柄转角微量( r a d ) ； 一1 5 东北大学硕士学位论文第二章剪切机结构及原理分析研究 d t 曲柄转角所对应的时问微量( s ) 。 ( 6 ) 起动制动时间，最短剪切周期t ：估算 按照在简单工作制下剪切曲柄转动一周( 2 厅转角) 为一个工作周期计算( 参见图 2 7 和图2 ，1 8 ) ，通常初步设计时取剪切时的起动和制动转角妒为2 r - 3 至5 石6 ， 且设起动和制动转角相等，于是剪切区域角为2 x 3 至1 疗3 ，则 1 ) 剪切时起动和制动时阳j ( 设起动和制动时间相等) t 按匀变速计算 2t 1 。4 ( , o l o ) 0 2 2 ( 1 3 3 1 6 7 ) 石m o ( 2 - 1 3 ) 2 ) 剪切区段时间t ，按匀速计算 t 22 妒c o o2 ( o 6 7 0 3 3 ) x c o o ( 2 - 1 4 ) 3 ) 最短蓟切周删t ： t ：= 2t l + t 2 。( 3 3 3 3 6 7 ) r c m o ( 2 1 5 ) 爿 | ，1n 、 i 夕守j 厂| 、 。 九 jl j 、 例2 6 双臂杆式飞剪机剪切轨迹 f i g2 6 t h et r a c ko f s h e a r i n go f s h e a rm a c h i n ew i t ht w i c er o d 一1 6 东北大学硕士学位论文 第二章剪切机结构及原理分析研究 2 1 2 系统基本力能参数的分析 ( 1 ) 飞剪剪切力可楸据刀片形状不同分别按照平行刀片或斜川片剪切机的剪 切力计算公式来进行计算。但是当飞剪机直接安装在轧机后工作而又没有匀速机 构时，在剪切中，刀片的水平速度v ，可能会超过轧件速度v 。，则在轧件中将产生 拉应力，此拉应力亦作用在飞剪机的刀片上。这个拉应力不允许超过轧件在剪切 温度下的屈服点盯，。根据虎克定律，轧件中的拉应力应为 盯= 竽e 叽( 2 1 6 ) 式中， b 一弹性模量，轧件在终轧温度为8 0 0 c 时，e = 4 5 0 0 0 5 50 0 0 m p a ( 4 5 5 5k n 哪2 ) ； l _ 由速度差造成的轧件绝对拉伸量( m m ) ： 卜飞剪机剪切点与剪前夹紧辊或轧机距离，及产生拉仲这段