（机械电子工程专业论文）热轧精整线模式飞剪承载能力研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 模式飞剪是某热轧带钢厂精整线上对开卷粗矫后的钢板定长剪切的重要设备。现该厂 拟开发生产o r 。= 1 0 0 0m p a 的高强度系列厚度规格的钢板，为确定该模剪是否具有剪切这类 高强度钢板的能力，本论文对其承载能力进行了理论分析和实验研究。 首先，在测试的基础上验证了b b 诺沙里公式可用于模式飞剪平均剪切力的计算，在 考虑冲击放大系数的前提下，通过计算，得出该模剪剪切o r 。= 1 0 0 0 m p a 高强度钢板的最大 厚度为2 1 m m 。 然后，依据该剪机机构运动特点，将剪切机构简化为曲柄滑块机构，建立其运动学方 程，并用m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块进行运动学仿真，得出连杆角速度，下刀架的位移， 速度及加速度的仿真曲线，同时运用动态静力法建立合理的力学模型开展动力学分析，并 用能量守恒的观点对飞轮设计能力下的最低转速做了计算，从而为该剪机的强度理论分析 提供了基础。 最后，对该剪机机架和上下刀架主要承载部件用节点耦合技术将机架系统组成部件联 接起来，按最大设计载荷加载进行了整体有限元分析。在整体分析的基础上，利用子模型 技术，对应力集中部位建立子模型进行有限元分析；找到设备在极限状态下可能存在的结 构薄弱环节，为设备的检修生产提供参考意见。 关键词：模式飞剪；剪切力；动态静力分析；有限单元法；子模型； a b s t r a e t n em o d ef l y i n gs h e a ri sa l li m p o r t a n tf i x e d l e n g t hc u t t i n ge q u i p m e n ti nh s mt h i c k p l a t e l i n e n o wf o rm en e e do fd e v e l o p i n gas e r i e so fm e d i u mp l a t e so f1o o o m p ay i e l ds t r e n g t h t h e s h e a r sl o a d i n ga b i l i t y si sa n a l y s e da n dc a l c u l a t e db y u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c hm e t h o d st oe n s u r ew h e t h e rt h es h e a rh a v ee n o u g ha b i l i t yt oc u r i n gh i g hs t r e n g t hs t e e l p l a t e f i r s t ，i ti st e s t e da n dv e r i f i e dt h a tb b n o s a l i af o r m u l ac a nb ea p p l i e dt oc a l c u l a t em o d e f l y i n gs h e a ra v e r a g ec u r i n gf o r c eo nt h eb a s i so fe x p e r i e m e n t m e a n w h i l e ，c o n s i d e r i n gt h e i m p a c ta m p l i f i c a t i o nf a c t o r , i ti sp o i n t e do u tt h a tt h es h e a ri sc a p a b l eo f p r o c e s s i n gm e d i u mp l a t e o f10 0 0 m p a y i e l ds t r e n g t ha n dl e s st h a n21r a mt h i c k n e s s s e c o n d ，a c c o r d i n gt om e c h a n i s mm o v e m e n tf e a t u r e s ，s i m p l i f y i n gt h em e c h a n i s m st ob ea w r y - h a n d l e sl i d e r , m a k i n gk i n e m a t i c a le q u a t i o n ，a p p l y i n gs i m u l i n km o d u l eo fm a t l a bt od o k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n , t h u so b t a i n i n gt h e a n g u l a rv e l o c i t yo fc o n n e c t i n gr o d ，a n dt h e d i s p l a c e m e n t 、v e l o c i t y 、a c c e l e r a t i o no fc r o s ss l i d es i m u l a t i o nc u r v e m o r e o v e r , a p p l y i n g k i n e t o 。s t a t i ca n a l y s i st om a k eaf i tm e c h a n i c a lm o d e l ，a n dt h em i n i m u mo p e r a t i n gs p e e do f f l y w h e e li sc a c u l a t e di nv i e wo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y a b o v ew o r k sc a nb et h eb a s i so f t h e o r e t i c a ls t u d yo fs h e a rs t r e n g t h a tl a s t ，t h em a i nl o a db e a r i n gp a r ti n c l u d i n gu p p e rk n i f es l i d ea n dc r o s ss l i d ei sc o n n e c t e d b yu s i n gn o d ec o u p l i n gt e c h n i q u ea n di sa n a l y z e db yf e m o nt h eb a s i so fg l o b a la n a l y s i s b y u s i n gs u b m o d e lt e c h n i q u e ，m a x i m u md e s i g nl o a di se x e r t e dt ot h es h e a rf r a m ea n dm a i np a r t ss o a st od i s c o v e rs t r u c t u r eo fe q u i p m e n td e f e c ta n dp r o v i d ed e v i c e sf o re q u i p m e n to v e r h a u la n d m a i n t a n c e s k e yw o r d s ：m o d ef l y i n gs h e a r ；c u r i n gf o r c e ；k i n e t o s t a t i ca n a l y s i sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s u b m o d e l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：习筵童立 日期：型2 ：! ! ：堡 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：霾塞塑 言导教师签嘉i 一 日期： 2 p 哆口，谚 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章概述 飞剪广泛应用于连续式轧机的轧制作业线、横切机组、连续镀锌机组和连续镀锡机组， 是钢厂生产设备中不可缺少的关键设备。在冶金设备的研究方面，飞剪一直受到各国学者 及设计制造企业的关注。 1 1 国内外研究概况及发展趋势 1 1 1 飞剪的基本要求和工作类型 飞剪机是冶金工业的重要生产设备之一。所谓飞剪机，是指横向剪切运动轧件，并满 足用户定尺要求的设备。因而，飞剪机必需具备三个必要条件：l 、剪切运动轧件时刀刃的 水平分速度与轧件同步；2 、飞剪机应能满足不同用户的定尺要求；3 、剪切速度必须与生 产线上其它设备匹配，以提高生产率。【l j 现代飞剪机按照飞剪原动机的类型可分为连续式和启停式两大类，连续式飞剪一般采 用交流绕线型异步电机驱动，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。启停式飞剪 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。【5 3 】不同工作制的飞剪各 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， 但电控技术要求高。 1 1 2 飞剪技术的发展 传统飞剪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。这类飞剪机都有一个复杂的匀速系统和倍尺 机构。【1 3 】 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，使复杂的飞剪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 代引进的桥式飞剪，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。 飞剪机的种类很多，除板带钢精整生产线的定尺飞剪机外，还有很多结构独特、用途 各异的飞剪，如板坯飞剪，型钢飞剪，切头飞剪，滚筒式飞剪，碎边飞剪等等。 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。模式飞剪定尺精 度要求高，控制系统复杂、其a p c 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飞剪机研究史上占据重要地位。 例如燕山大学王海儒【1 5 l 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 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 复数向量法建立了飞剪的运动学与动力学数学模型：在此基础上，针对飞剪的同步剪切及 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f 1 2 等人在大量实测、分析计算的基础上，指出了 原来常用诺沙里的剪切力公式并未考虑的问题，即剪切时的冲击问题。对飞剪机的力能参 数的计算提出简洁实用的计算方法。刘海昌在进行摆式飞剪刚体动力学计算中，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模式飞剪摇床 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 某热轧带钢厂精整线模式飞剪是山德国s m s 设计生产的一种连续工作制e 剪( 如图 11 所示，有文献称其为连续一启停制) ，是对开卷后钢板定长剪切的重要设备。泼模式飞剪 是精整线上唯一一台整机进口的机械设备，设计最大剪切力为5 1 4 5 k n ，用于剪切钢板强 度o - - 3 0 0 8 0 0 m p a 、厚度h = 5 2 54 r a m 、最大宽度町达2 2 0 0 r a m 的钢板。这种类型飞剪 利用电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，义 通过制动器将剪切机构固定于待切位置。该飞剪是一种比较先进的飞剪，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， 几j 样剪切能力下电机容量小、电机选型容易等优点，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ob = 1 0 0 0m p a 的高强度系列厚度规格的钢板) ，就需对模式飞剪进行实 测以及动力学研究，爿能清楚的了解该模式飞剪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。 田1 1 模式飞剪布置图 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 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( k i n e m a t i ca n a l y s i s ) ，以 及仅从运动角度设计新机构的方法一运动学综合( k i n e m a t i cs y n t h e s i s ) ； 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。【4 2 j 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( i n v e r s ed y n a m i c s ) ：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( f o r w a r dd y n a m i c s ) ：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( s t a t i ca n a l y s i s ) ：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( i n v e r s e d y n a m i c s ) ：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( k i n e t o s t a t i ca n a l y s i s ) ：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( d y n a m i ca n a l y s i s ) ：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( e l s a t o d y n a m i ca n a l y s i s ) ：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。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 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【6 】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飞剪的剪切能力，同时采用有限元对刀片和刀架强度、变形进行计 算分析，指出现有飞剪存在的问题，为下一步改造提供依据。 华东冶全金学院的潘紫微【2 】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a n s y s 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( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 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2 0 世纪6 0 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( n a s a ) 在1 9 6 6 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统 公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。7 0 到8 0 年代是有限元分析软件蓬勃发展的时期， 美国的a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 、i - d e a s 、l s d y 、m a r c 、s a p ，德国的a s k 焱、英国的p a f e c 、 法国的s y s t u s 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 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 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。9 0 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c a d 软件( 如p r o e 、u g 等) 的接口，将c a d 模型自动转换为适于有限元分析的模型，成为科技工作者的有力工具，解决了大量的实际 问题乜7 | 。 整体分析步骤为：首先按照一定的集成规则，将各单元刚度矩阵集合成结构整体刚度 矩阵，并将单元等效节点载荷集合成整体等效节点载荷矩阵；然后引入结构的位移边界条 件，求解整体平衡方程组，得出基本未知量节点位移列阵；最后计算出各单元的内力 和变形。 从以上论述可看出，有限单元实质就是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化 为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此， 只要研究并确定有限元大小的单元力学特征，就可以根据结构分析的方法求解，使问题得 到简化。 实践证明有限元分析方法是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也已经证 明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。 东南大学吴军【2 3 1 等人运用有限元理论和有限元分析软件a n s y s 的a p d l 参数化程序 设计技术，对某型机车电源机架进行优化分析，得到了合理的结构形式和尺寸，在满足工 程要求的情况下，节省了大量的工程材料。 安徽工业大学包家汉【2 0 】等人利用a p d l 语言，建立了辊压机机架有限元模型与优化设 计模型，采用耦合节点自由度的方式处理机架各部件间的螺栓和销轴联接，同时对螺栓联 接的预应力，采用温降法加以考虑。优化设计结果表明，机架中各钢板的厚度分布趋于合 理，第一主应力降幅显著，机架强度能够满足工程应用要求。 1 4 课题研究内容和技术路线 主要研究内容有： ( 1 ) 飞剪简化为机构的运动学和动力学分析； ( 2 ) 建立飞剪刀架、机架等主要受力部件的有限元模型； ( 3 ) 模式飞剪剪切能力的评估。 ( 4 ) 在找出模式飞剪的强度薄弱部位的基础上提出改进措施。 纂6 页武汉辩技大学硬学建论文 1 5 本章小结 本章分褥了飞翦技沭煞发曩殿零课题簧磁巍豹飞蒡飙熬搜零特焘和研究意义，荠瓣鬻 嚏飞剪逶麓学及动力学熬研究，强震分褥方法教有限元蠡真徽了赍绥，挺爨了本课题鲮主 要研究内容及技术路线。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章模式飞剪机力能参数测试及剪切力分析 本章在对该剪机剪切两种典型强度、规格钢板时的剪切力现场实测的基础上，采用有 限元分析与理论分析相结合的方法，对该模剪的剪切能力及拟开发生产0b = 1 0 0 0m p a 的系 列高强度钢板的可能性进行了分析。 2 1 模式飞剪的力能参数测试 采用试验工况下对模式飞剪力能参数进行测试，测试的主要目的是确定剪切两种典型 钢种模式飞剪承受的剪切力，并将剪切力实测值与理论计算值进行对比，对剪切不能进行 现场实测的钢种该剪机承受的剪切力做出合理准确的预测。 2 1 - 1 实验研究内容 ( 1 ) 测试下刀架两侧连杆应力 ( 2 ) 测试万向接轴扭矩 2 1 2 测点布置与测试方法 模式飞剪的测点布置如图2 1 所示。 连杆压应力测点半桥( 2 个) 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 贴片位置 a a 连杆横断面及贴片位置 图2 1 模式飞剪测点布置图 下刀架连杆应力测点( 1 。测点在工作侧连杆上，2 。测点在传动侧连杆上) 位于连杆侧面， 贴片位置如图2 1 所示，测试方法采用电阻应变片半桥接法，测试电路如图2 2 所示。 k i r 2 ( 工作片) r 一7 l ，。，- r 1 ( 补偿片) 图2 2 半桥测试电路 扭矩测点( 3 。测点) 位于图2 1 中万向接轴上，采用电阻应变片全桥接法，沿与轴线 成4 5 。方向粘贴4 片电阻应变片，并按图2 3 组成全桥测试电路。通过扭矩遥测仪接入测 试系统。 图2 3 扭矩全桥测试电路 2 1 3 测试系统框图 本次测试扭矩信号采用了遥测仪进行测试，信号经遥测仪输入采集卡，再经a d 变换 后由计算机记录。1 4 、2 。应力信号通过应力测试模块用电缆传输至a d 数据采集卡。整个 测试系统框图见图2 4 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 扭矩遥测 万向接轴扭 - 矩接收器 鸳 计 算 据机 。耍 分 l 再 - 、 r 集析 卞处 理 2 # 图2 4 测试系统框图 2 1 4 测试工况 在正常生产情况下共测试三卷钢，测试钢卷的材质、规格及力学性能见表2 1 。 表2 1 测试钢卷材质、规格及力学性能参数 2 1 5 测试记录曲线及测试数据分析 2 1 5 1 测试记录曲线 图2 5 图2 7 分别是剪切7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷的万向接轴扭矩、传动侧连杆与工作 侧连杆应力测试曲线，图2 8 图2 1 0 是该钢卷第二次剪切的万向接轴扭矩、传动侧 连杆与工作侧连杆应力测试曲线。从图中可以明显看出飞剪工作时三处测点产生的冲 击。其中飞剪万向接轴扭矩( 图2 5 ) 在剪切过程完成之后还有一个反向扭矩冲击， 这是由下刀台回落产生的惯性造成的。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 ，_ 、0 2 一0 1 1 半 套0 一 l i 一 j i i 1 jj111 。l 051 01 52 02 5 3 03 54 04 55 05 5 时间( 秒) 二2 0 乱 弓1 0 r 越0 图2 5 模式飞剪万向接轴扭矩测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷) 一 l 一 ! 殳 l 051 01 52 02 53 03 54 04 55 05 5 时间( 秒) 一3 0 乏i x 2 0 1 0 r 毯0 图2 6 模式飞剪传动侧连杆测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷) i 一l n 。”、1 九“u v 。n 、卜、i nv 、，n 一 051 01 52 02 53 0 3 5 4 04 5 5 05 5 时间( 秒) 图2 7 模式飞剪工作侧连杆测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷) 图2 8 模式飞剪万向接轴扭矩测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷第二次剪切) 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 _ 、 2 0 o l 芝 一1 0 r 遐0 一、 仍 乱 芝 、_ r 趟 1 21 2 51 31 3 51 41 4 51 5 时间( 秒) 图2 9 模式飞剪工作侧连杆应力测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷第二次剪切) 图2 1 0 模式飞剪传动侧连杆应力测试曲线( 7 2 0 5 8 1 4 8 号钢卷第二次剪切) 2 1 5 2 测试数据 表2 2 为对模式飞剪剪切高强度钢卷7 2 1 4 7 3 2 7 ，7 2 1 4 7 3 2 6 ，7 2 0 5 8 1 4 8 的测试数据。万 向接轴测点扭矩单位为k n m ，其中扭矩1 为飞剪剪切时万向接轴承受的扭矩峰值；扭矩 2 为飞剪剪切完成后由惯性扭矩产生的冲击扭矩峰值。工作侧与传动侧连杆测点应力单位 为兆帕( m p a ) 。每组测试数据的最大值以字体加粗的形式标注。 从表中可以看出，万向接轴的扭矩和连杆的应力值最大值大部分出现在第一剪或最后 一剪，这是由于热轧钢坯的头尾温降过快，使其硬度大于其它部位的缘故。 由于现场测试得到的仅是连杆表面的应力值而非该截面上的平均应力，因此不能直接 依据该应力推算出连杆所受到的剪切力。实际上测点所在截面上的应力分布是不均匀的， 基本规律是截面中心应力较大，而越靠近连杆表面应力值越小。为此采用有限元应力分析 方法，找出测点截面应力分布规律并依据计算得到的测点应力值与截面平均应力值之间的 对应关系，导出实测时该截面的平均应力，根据该截面断面尺寸即可算出连杆实际承受的 剪切力。 甘卜nn寸西一n nh o h 式n寸寸n卜o_【n_ 【h 叫“n【9t西n o o n no o o n 8 no o 9 心no o _ 【o 6 no o 8 n o o o 6 no o o 吩奇n 蕈臀迎 暮世h n吣o。onon。n0曲o一寸 一昌z _ 一 ho o 奇h 呻o 寸一 卜 【吲一 o h【n n o o o 0 h o 卜寸岍卜n 6卜卜n 6呻曲6 - 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2 ) 得到测试数据的修j 下结果如表23 所示。 袭23 剪切钢卷号7 2 1 4 7 3 2 7 、7 2 1 4 7 3 2 6 、7 2 0 5 8 1 4 8 时连杆测试数据修正结果 由式( 3 ) 得到实测飞剪剪切力如表2 4 所示 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 表2 4 双侧连杆压力及总剪切力( 1 d 叼 2 2 3 测试结果分析 由表2 4 可知，当剪切q 3 4 5 - g ( 2 5 x1 9 0 0 ) ，0b = 5 8 0 m p a 钢板时，模剪实际承受的最大 剪切力4 9 6 8 7 6 k n ，平均剪切力4 8 0 9 5 2 k n ，均已接近该剪最大设计剪切力5 3 0 0 k n 。由此可以 结论：当剪切钢板厚度达到设计最大厚度2 5 m m 时，模式飞剪可剪切钢板强度极限为0b 5 8 0 m p a 。剪切h g 7 0 d ( 1 6 x1 5 0 0 ) ，0b = 6 8 5 m p a 钢板时，最大剪切力为2 0 6 4 9 6 k n ，大大低于 该剪机设计最大剪切力，表明在此工况下该剪机具有足够富裕的剪切能力。 2 2 4 剪切力的理论计算 拟开发的高强度钢0b = l o o o m p a ，必须确定可剪切钢板的最大厚度以作为开发产品规 格的决策依据。由于不能提供该钢种带卷进行现场实测，故采用理论计算的方法进行了分 析。 2 2 4 1 诺沙里公式验证 该模式飞剪为斜刀片剪切机，根据b b 诺沙里建议，其剪切力可以如下公式计算【1 】： 岛一o 6 瓯吒篆”z 器+ 矗1 车， ( 2 - 4 ) t r a y 。x 式中吒一被剪切带钢强度极限( m p a ) ； 统一被剪切带钢材料延伸率； h 一剪切钢板厚度( 舯) ； 口一剪刃倾斜角( 。) ； z 一此系数与被剪掉部分的钢板宽度、材料延伸率以及剪刃倾斜角等因素相关，即 z ：，f ( 、c r 。t g ，a ，) ，计算时取其最大值0 9 5 0 ，l y 一刀片相对侧间隙，y = h ，刀片侧隙= 0 0 7 h 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 x 一考虑压板作用，x = h h ，h 为压板中心到剪刃距离，i - l = 4 8 0 m m 考虑刀刃变钝，将计算值加大2 0 ，即 辟1 珥 ( 2 5 ) 从式( 2 4 ) 可得出，在设备其他工艺参数一定的情况下，剪切力与钢板强度ob 成正比， 与钢板厚度的平方成正比。为验证b b 诺沙里公式的适用性，采用该式对剪切q 3 4 5 一g ( 2 5 x1 9 0 0 ，0b = 5 8 0 m p a ) 及h g 7 0 d ( 1 6 x1 5 0 0 ，0b = 6 8 5 m p am p a ) 两种钢板时剪切力进行计算， 并与前述的实测剪切力对比分析见表2 5 。 表2 5 诺沙里公式计算的飞剪剪切力理论值与实测值对比 从表2 5 看出，模式飞剪剪切力的实测平均值与诺沙里公式理论计算值非常接近，实 测平均值仅比理论计算值大1 5 5 ，表明可用b b 诺沙里公式计算模式飞剪的平均剪 应力。理论计算得到的剪切力与实测最大剪切力误差较大，实测最大值比理论计算值大 9 - - - 1 6 9 ，表明该式未考虑因各种因素造成的冲击影响【4 8 - 5 0 。 根据现场实测结果，该剪机冲击放大系数( 最大剪切力平均剪切力) 为1 0 9 1 1 6 9 ， 且剪切钢板强度越大，冲击放大系数越大。 2 2 4 2 剪切力的理论分析 ( 1 ) 剪切力与可剪钢板厚度、宽度 从斜刀剪剪切过程分析可知，从剪刃接触带钢表面至剪断，斜刃剪切机实际受力的剪 刃宽度( 即剪刃与钢板接触的最大宽度) 为l = b j t a nq ，仅与被剪带钢厚度h ，剪刃倾斜角口 有关。对本剪机口= 1 5 1 。，当剪切极限厚度为2 5 m m 钢板时，l = = 9 4 8 m m ，即：当剪切钢 板宽度大于9 4 8 m m 时，剪切力与钢板宽度无关。 ( 2 ) 待开发的高强度钢板的剪切力计算 武汉科技大学硕士学位论文 第1 7 页 为分析利用该模剪生产0b = l o o o m p a 系列厚度钢板的生产能力，采用b b 诺沙里公式 计算出剪机承受的平均剪应力，在此基础上考虑剪切过程的冲击影响，计算出剪切不同厚 度钢板的最大剪切力。由于冲击放大系数随剪切钢板强度增大而增大，根据测试结果统计， 对于本剪机实际工况，剪切钢板强度增大i o o m p a ，剪切冲击系数增大7 5 左右，据此得 到剪切ob = l o o o m p a 钢板时的冲击放大系数为1 4 0 6 。剪切0b = l o o o m p a 不同厚度钢板时 的剪切力计算结果见表2 6 。 表2 6 剪切h g i o o d 不同厚度钢板时的剪切力理论计算值( k n ) 由表2 6 可知，当剪切h g i o o d ，h = 2 1 m m ，0b = l o o o m p a 钢板时，模剪实际承受的最大 剪切力5 1 1l k n ，已非常接近该剪最大设计剪切力5 3 0 0 k n 。由此可以结论：若该模剪至今 具有原设计最大5 3 0 0 k n 剪切能力，则剪切0b = l o o o m p a 钢板的最大允许厚度为2 1 m m 。 2 3 本章小结 1 ) 若该模剪至今仍保持具有原设计5 3 0 0 k n 的最大剪切能力，则剪切设计最大厚度2 5 r a m 可剪切钢板的最大强度0b - - 5 8 0 m p a 。 2 ) 对于拟开发生产的0b = l o o o m p a 高强度钢板，该模剪理论上允许的剪切钢板的最大厚 度h 2 1 m m 。 3 ) b b 诺沙里公式可用于模式飞剪平均剪切力的计算，在对模式剪切机进行疲劳强度校 核时，必须考虑冲击剪切力的影响。 第1 8 页 豢麓一黧 1 机架2 - 上刀台3 下刀台4 连杆5 曲轴6 齿轮箱7 万向接轴 3 1 1 模式飞剪剪切装置机构 图l 模式飞剪结构图 3 4 l 上刀台2 下刀台3 连杆4 曲轴 3 a 2 模式飞剪剪切装置传动嚣卫模式嘲期机构捆 脱 一 组孙 、3仁j雕洇阳见 和m杆锄 连6、距 轴州曲偏，轴 上曲 ， 让曲 。 立功矗架运q褓髓删 在剪为 定直受固垂钭 台做死刀轨势 上导， ，沿片孰船聊 飞刀扎虮砌蝴 切动死下驱势! | = 堋聘 属构， 剪机片 飞杆乃 式连乎黻鲢奸谳撇徘 柄刃曲剪 轮按粉煳 皮陵鬻 驱毛 2 哆筹 撇惟孵级 过一一避孵 ，j r扪啦 瞄姐刘鳃 一孤螭膈附 r l 图。 姗上图孙觎淞 椰飞 h 秽，r峭 糙糯鹚滞 仃孑度蚍波蝴欲然 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 万向接轴5 传送到齿轮箱，驱动曲柄连杆剪切机构( 图3 3 所示) 完成剪切动作。 67432l 1 主电机2 联轴器3 大皮带轮4 离合器5 万向接轴6 齿轮箱7 曲轴 图3 3 模式飞剪剪切传动机构简图 3 2 模式飞剪机构的运动学分析 3 2 1 模式飞剪剪切机构的矢量图解法 模式飞剪剪切机构简化后的曲柄滑块机构的向量简图如图2 4 所示。设曲柄停在任意 位置p = 幺，图中：r ：为曲柄长度( r ：= 6 5 m ) ，旋转角位移为幺，旋转角速度为国，旋转 角加速度为口：，r ，为连杆长度( r ，= 1 2 2 0 m ) ，旋转角位移为见，旋转角速度为鸭，旋转 角加速度为口，r 。为滑块到原点距离，是t 的函数。【4 4 。4 6 】 图3 4 模式飞剪剪切机构向量简图 r 2 + r 3 = r i 根据向量图，把向量按x 和y 坐标轴方向分解可得 r 2c o s 幺+ r 3c o s 岛= r r 2s i n 岛+ r 3s i n 岛= 0 式中：r ，一曲柄长度( r ，= 6 5 m ) 只一曲柄与纵坐标夹角 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 幺一连杆与纵坐标夹角 式( 3 2 ) ，( 3 3 ) 对时间求导，并注意到0 2 = ( 0 2 和秒3 = ( - 0 3 ，得 一r 2 国2s i n 0 2 一r 3 缈3s i n 岛= r l r 2 国2c o s 吼+ r 3 吐c