（机械工程专业论文）滚筒式飞剪机改造及传动系统扭振分析.pdf

重庆人学硕 学位论文 摘要 “滚筒式飞剪机改造及传动系统的扭振分析”是近年来宝钢投资进行的重大 科研攻关项目一“宝钢冷轧厂2 0 3 0 滚筒式飞剪机技术改造”的重要组成部分。 本文从飞剪机设计的基本理论出发，经多方面反复论证计算，完成了在保持 电动机功率不变、飞剪机安装尺寸不变、主传动系统飞轮力矩不变和飞剪机电气 控制系统不变这一多约束和严格条件的超常规设计。实现了对原2 0 3 0 毫米冷轧 生产线上从德国引进的滚筒式飞剪机的技术改造，将其最大剪切厚度由原来的2 毫米提高到现在的4 , 5 毫米，为2 0 3 0 毫米冷轧机组的薄规格板转产，扩大厚规 格板的范围，实现在厚度4 5 毫米以下时的无头轧制，以提高生产率及产品的收 得率，从而产生较高的经济效益，创造了条件。 y 本文从限制滚筒式飞剪最大剪切厚度的原因入手，找出了在满足“四个不变” 这一超常要求的情况下，能协调这些矛盾并满足新的设计要求的方法，提出了创 新设计的思想，从而初步确定了新设备的主要结构参数。在此基础上从静力学、 刚体动力学及主传动系统的扭转振动模态分析及动态响应三个方面从理论上对新 设计的螺旋剪刃滚筒式飞剪机剪切能力的提高进行了分析论证。推导出了滚筒式 飞剪机力能参数及强度刚度的计算公式，如剪切力、剪切力臂、剪切力矩、剪切 角位置、侧推力、滚筒轴的强度、刚度及起动加速段、匀速剪切段和制动减速段 的角位置、角速度、角加速度、动力矩和动能等。 在理论分析的基础上，利用v i s u a lc + + 和f o r t r a n 语言混合编写了相应 的计算机程序，并进行了对比计算，结果显示，新设计的飞剪在理论上是可行的。 同时，实际计算还表明，该软件功能强、运行可靠，操作方便，界面友好，具有 较强的通用性，能实现对平行刀片及螺旋剪刃滚筒式飞剪机的静力学、刚体动力 学和主传动系统扭转振动的模态分析及动态响应的分析计算。r 、 关键词： 滚筒式b 剪机刀髓参数计算模态分析动态响应计算软件 p f 重庆大学硕土学位论文 a b s r i a c i “i m p r o v e m e n ta n d t o r s i o n a lv i b r a t i o na n a l y s i so fd r i v es y s t e mf o rf l y i n gs h e a ro f r o t a t i n gd r u m ”i st h ei m p o r t a n ts u b p r o j e c to f “i m p l e m e n to f t h eb a og a n gc o l d r o l l i n g f a c t o r y2 0 3 0f l y i n gs h e a ro f r o t a t i n gd r u m ”，w h i c hi sa ni m p o r t a n tk e ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o j e c ti n v e s t e db y t h eb a og a n g c o r p o r a t i o n o nt h eb a s i so ft h ef l y i n gs h e a rm a c h i n et h e o r y , w i t ht h ed e m o n s t r a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o n i n m a n yw a y s ，w ec o m p l e t e da m u l t i r e s t r i c t i o na n ds t r i c t q u a l i f i c a t i o nt r a n s n o r m a ld e s i g n i n w h i c ht h et h ep o w e ro fe l e c t r o m o t o r 、t h ei n s t a l l a t i o n s i z eo ft h ef l y i n gs h e a rm a c h i n e 、t h e f l y w h e e lm o m e n t o ft h em a i nt r a n s m i s s i o n s y s t e m a n dt h ee l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m a r e c o n s t b e c a u s eo ft h i sr e s e a r c h , t h ei m p r o v e m e n to ft h ef l y i n gs h e a ro fr o t a t i n gd r u mw h i c hi s i m p o r t e df r o mg e r m a na n de q u i p e do nt h e2 0 3 0 m mc o l d r o i l i n gp r o d u c tl i n es u c c e e d e d ，t h e m a x i m u m c u t t i n gt h i c k n e s sw h i c hw a s2 3 m mb e c o m e 4 5 r a mn o w b e c a u s eo ft h es w i t c ho f t h e p r o d u c t i o no f t h et h i n s t a n d a r dp l a t ea n dt h ee x t e n to f p r o d u c t i o no f t h et h i c k - s t a n d a r dp l a t ea n d t h ei m p l e m e n to ft h eh e a d l e s s r o l l i n gb e l o wt h e4 5 m mf o rt h e2 0 3 0 m mc o l d - r o l l i n gu n i t i m p r o v i n gt h ep r o d u c t i v i t ya n dt h er e c e i v i n go ft h ep r o d u c ta n dg a i n i n gt h eh i g h e re c o n o m i c b e n e f i tb e c o m e p o s s i b l e a f t e ra n a l y z i n gt h er e o nf o rt h er e s t r i c t i o no ft h em a x i m u mt h i c k n e s so ft h ef l y i n gs h e a r o fr o t a t i n gd r u m ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p e st h em e t h o do f d e s i g nw i c hc a nm a t c ht h e “f o u rc o n s t a n dh a r m o n i z et h e s ea n t i n o m i e sa n db r i n g sf o r w a r dt h e i n n o v a t i v ed e s i g n a n da s c e r t a i n s e l e m e n t a r yt h em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r t h e nw ea n a l y z ea n dp r o v et h ei m p r o v e m e n to ft h e n e ws p i r er a z o rb l a d e f l y i n gs h e a ro fr o t a t i n gd r u mw i t ht h es y n t h e t i c a lt h e o r i e so fs t a t i c s 、 g e o s t a t i c sa n dt h em o d ea n a l y s i sa n dd y n a m i c a lr e s p o n s eo ft h et o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h em a i n t r a n s m i s s i o ns y s t e m w e d e v e l o pt h e f o r m u l ao ft h em e c h a n i c a l p a r a r n e n t s a n di n t e n t i o na n d r i g i d i t yo f t h ef l y i n gs h e a ro f r o t a t i n gd r a m ，s u c ha st h ef o r c eo f c u t i n g 、t h ea m io ff o r c eo f c u t t i n g 、t h em o m e n t o f f o r c e 、t h ea n g u l a r p o s i t i o no f c u t t i n g 、t h el a t e r a lt h r u s t 、t h ei n t e n t i o no f s c r o l la x i s 、t h ea n g u l a rv e l o c i t ya n dt h ea n g u l a ra c c e l e r a t i o na n dt h ed y n a m i c a lm o m e n ta n d k i n e t i ce n e r g yo ft h es t a r ta n da c c e l e r a t es e g m e n t 、t h er e g u l a r i t yc u t t i n gs e g m e n t 、t h eb r a k i n g d e c e l e r a t es e g m e n te r e o nt h eb a s i so fa c a d e m i ca n a l y s i s ，t h es y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hv c + + a n df o r t r a n ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，t h ef l y i n gs h e a rm a c h i n e d e s i g n e dw i t hn e wm e t h o di s f e a s i b l eo l lt h et h e o r ya tt h es a m et i m e ，w i t hv i e wo fc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h i s s y s t e ms o f t w a r eh a s r i c hf u n c t i o n ，w h i c hc a nb eo p e r e a t e di nc h i n e s es y s t e ma n dm e n u f r e e l ya n dc o n v e n i e n t l ya n dc a l l d e a lt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo f t h e s t a t i c s 、g e o s t a t i c sa n dm o d ea n a l y s i sa n dd y n a m i cr e s p o n s e o f p a r a l l e lr a z o rb l a d ea n dt h es p i r er a z o rb l a d e k e y w o r d ：f l y i n g s h e a r o f r o t a t i n gd r u m ，m e c h n i c a lp a r a m e n t s ，m o d ea n a l y s i s d y n a m i c a lr e s p o n s e ，p r o g r a m m i n g 重庆大学顿j ：学位论文 i i 飞剪机概论 1 绪论 剪切机是轧钢车间重要的辅助设备之一，它用来剪切轧件的头、尾或将轧件 剪切成规定的长度，按照刀片形状与配置以及轧件情况的不同，剪切机可分为以 下叩娄c i 3 0 】c 虹 i 、平行刀片剪切机 这种剪切机的两个刀片彼此平行( 图1 1 ) ，通常用来横向热剪切方坯或矩形 断面的钢坯，有时也可利用两个成型刀刃来冷剪管坯及小型圆钢坯。 平行刀片剪切机 图1 一i 2 、斜刀片剪切机 这种剪切机的两个刀片中的一个相对于另个倾斜定的角度( 图i 2 ) ，此 斜刀片剪切机 图i - 2 q 虽 重庆大学硕士学位论文 类剪切机通常用于冷剪和熟剪钢坯、带钢、薄板坯及焊管坯，有时也用来剪切成 束的小型钢材。 3 、圆盘式剪切机 这种剪切机的两个刀片做成圆盘状( 图1 3 ) ，此类剪切机用来纵向剪切钢板 及带钢的边或将带钢纵向剪成窄条，此时它一般布置在连续式钢板轧机的纵切机 组作业线上。 图1 - 3 4 、飞剪机 飞剪机用来横向剪切运动着的轧件，它可装设在连续式轧机的轧制作业线上 剪切轧件的头部和尾部或将轧件剪切成规定的长度，亦可安装在独立的横切机 组、连续镀锌和连续镀锡机组等各种镀层机组上。将钢卷剪切成一定长度的单张 钢板。随着连轧机组的发展，飞剪机得到了越来越广泛的应用。 由于飞剪机的特点是横向将运动着的轧件切断，因此，就要求它在剪切轧件 的同时还必须要随轧件一起运动，即剪刃必须要同时完成剪切和同步两个运动， 否则，如果剪刃在轧件运动方向上的分速度小于轧件移动速度，将会造成剪刃阻 碍轧件运动，使轧件产生弯曲变形，严重时还可能出现缠刀事故，从而影响生产： 反之，如果剪刃在轧件运动方向上的分速度大于轧件的速度，则将会出现拉钢现 象，使轧件产生较大的拉应力，这样一方面会影响剪切质量，另一方面还会增加 飞剪的冲击负荷，或使轧件在夹送辊中打滑，从而造成剪切定尺长度上的误差， 并可能损伤轧件的表面。另外。根据对飞剪的基本要求与工作特点，飞剪一般由 剪切机构( 完成剪断轧件的运动) 、定尺机构( 头现对轧件的长度定尺) 、剪刃问 隙调整机构( 用来对于厚度不同的轧件剪切时，实现剪刃的侧间隙的调整) 与主 垦堕叁兰塑! ：兰些堡兰 传动机构( 为剪切机的工作提供动力) 和电控设备( 对飞剪机的工作实施控制) 等组成。与前述的平行刀片、斜刀片及圆盘式剪切机相比，飞剪无论从结构卜还 是力能参数计算上都要复杂得多? ：另外，从国内某些大型钢铁企业八十及九十年 代从国外引进的成套机组中的飞剪机来看，无论在结构上还是在控制上都在不断 地改进和发展，目自u 已有滚筒式乜剪、曲柄回转杠杆式飞剪、曲柄偏心式飞剪、 摆式飞剪和曲柄偏心摇杆式飞剪等多种型式的飞剪投入使用。所以，仅从这一点 上来看，对飞剪机进行研究就具有重要的理论意义及实际价值。 用飞剪进行运动着的轧件的剪切始于十九世纪末期，人们在实践的基础上不 断进行改进和完善，使飞剪的性能得到了很大的提高。近年来，随着轧机速度的 日益提高，提高飞剪的剪切速度和剪切精度已成为人们普遍关注与研究的问题， 各国的飞剪设计及研究者们正在研究各类轧机用的高速飞剪及生产过程的全部自 动化。前面所列举的从国外引进的某些类型的飞剪已经采用了计算机全自动控 制。相信随着人们的不断努力和科学技术水平的发展，越来越多的新型飞剪一定 会投入到生产实践之中。 前已述及，目前在生产实际中使用的飞剪种类繁多，但由于它们各自具有自 身的特点，从而也适用于各种不同的工况场合。在连续式轧制生产作业线上，用 来剪切轧件头尾或切分卷时，就大量使用了滚筒式飞剪。本课题中所研究的滚筒 式飞剪正是用在宝钢冷轧厂五机架冷连轧机上进行轧件头尾剪切和分卷剪切的重 要辅助设备。本论文一“滚筒式飞剪机改造及传动系统的扭振分析”是由西安重 型机械研究所承担的“宝钢冷轧厂2 0 3 0 滚筒式_ | 5 l 剪机技术改造”项目的重要组 成部分。该项目是近4 z 来宝钢投资进行的重大科研攻关项日之一。 宝钢冷轧厂2 0 3 0 毫米血机架冷连轧机是引进世界近代最先进的大型成套设 备，该机组分为“常觇轧制”和“无头轧制”两种生产制度。对于轧制钢板厚度 小于2 o m m ，最小到o3 m m 时采用全连续轧制。、 厚度大于2 o m m ，最大到3 5 m m 时，采用常规 l 制，即一卷。卷地轧制。常规轧制与无头z f l f b , j 相比不仅生产率很 低( 经实测不到全连轧的4 0 ) ，而且头、尾段的质量低劣，减少了成品的收得 率，同时也影响设备f i 命，这种情况不仅宝钢引进的工艺和设备如此，俄罗斯等 各国的情况也基本1 。此外，根据尘钔的发展汁划，三期工程的1 4 2 0 毫米冷 重庆大学硕i 。学位论文 轧机组投产后，要求2 0 3 0 毫米冷轧机组的薄规格板转产，扩大厚规格板的范围， 因此，如何提高该机组的能力成了消除两大机组产品重叠，双向提高产量，增加 品种规格，产生巨大经济效益的迫切问题。为了在全厚度范围内实现“无头轧制”， 宝钢开展了2 0 3 0 毫米冷连轧机组常规料采用全连轧方式的装备研究，而攻关的 核心与焦点就是机组中的滚筒式飞剪，这类飞剪由于随剪切厚度增加其剪切阻力 按厚度的平方倍增大，所以多少年来国内外实际最大剪切厚度均小于2 0 2 5 m m ，这也正是所谓连轧分为两种轧制方式的主要原因。因此必须对原轧制线 上从德国引进的滚筒式飞剪机进行技术改造( 因原滚筒式飞剪只能剪切厚度小于 2 o m m 的钢带。不适应常规料( 大于2 o m m ) 的分卷剪切，从而大大限制了轧 机的生产能力) 。但对原飞剪机的改造，由于各种原因受到了许多条件的制约， 根据宝钢的要求，在改造飞剪过程中必须要做到四个不变：第一不能改变飞剪机 的电机功率；第二不能改变飞剪机的安装尺寸；第三不能改变飞剪机主传动系统 的飞轮力矩；第四不能改变飞剪机的电气控制系统。在此情况下，通过理论分析 计算提出改进方案并要求制造l ：l 的实验样机进行实验室试运行和试生产，将原 滚筒式飞剪机改造成为能将剪切厚度由2 o m m 提高到4 5 r a m 的新型飞剪机。换 句话说，新型的滚筒式飞剪机与原德国的飞剪机相比在相同的电机功率、相同的 安装尺寸、相同的电气控制系统的情况下，其剪切厚度要提高2 倍以上。综上所 述，本项目要求之高、约束条件之苛刻、难度之大是显而易见的。但从另一方面 来看，如果本项目获得成功，无疑将会产生巨大的经济效益，且具有重要的理论 价值及实际意义。 1 3 本项目的可行性分析及研究内容 1 3 1 可行性分析概述 宝钢冷轧一血机架冷连轧机生产线上现有的德国制造的滚筒式飞剪机，其剪 刃采用了弧形刀刃，因结构限制其弧形半径很大，因此，在实际剪切过程q 1 ， 类似于平行刀刃滚筒式b 剪。i f 行刀刃滚筒式飞剪是最早用于生产上的种e 剪 机。在本世纪矗十年代，山自h 苏联人提出了螺旋刀刃滚筒式飞剪机，后来英幽哈 重庆大学硕 学位论文 尔顿机器制造公司生产出了匀速恒能非同齿轮传动的螺旋剪刃滚筒式飞剪机，称 为闻名世界的哈尔顿飞剪机，后来德国和国内也先后制造出了由电控匀带的螺旋 剪刃滚筒式飞剪机。与平行刀刃的飞剪机相比，显然螺旋剪刃剪切机在剪切厚度 相同的情况下，其剪切力将会大大降低，从而使其电机功率也随之大大降低。因 此，根据这一原理，若将原滚筒式飞剪的弧形剪刃改造成具有一定螺旋角的螺旋 剪刃，则有可能在满足要求的情况下，提高剪切厚度，但具体情况还必须通过严 格的理论分析与计算。 1 3 2 本课题的具体研究内容 根据前述分析，本课题还必须对以下具体内容加以研究： 1 利用现有剪切理论，对各种规格产品( 即各种轧件宽度、轧件厚度、轧件 速度) 当采用平行剪刃滚筒式飞剪机进行剪切时，按考虑剪切张力及侧推力和不 考虑剪切张力与侧推力两种情况进行力能参数计算，即计算出剪切力、总剪切力 矩、电机功率、剪切力臂、剪切起始角、结束角、滚筒最大线挠度、最大转角、 滚筒最大应力和轴颈最大应力等静力学参数。 2 采用螺旋剪刃的情况下，计算上述静力学参数。 3 采用平行剪刃的情况下，计算以下刚体动力学参数： 起动加速段 起动时间、起动角位置、角速度、角加速度、动力矩及动能等。 匀速剪切段 总时间、剪切接触轧件角、离开轧件角、剪切角位移、真实剪切时间及动能 等。 制动减速段 总时间、制动角位移、角速度、角加速度、动力矩及动能等。 4 采用螺旋剪刃的情况下，计算上= 述动力学参数。 5 对主传动系统进行扭转振动的固有频率及振型计算。 6 对主传动系统进行动态响应计算。 7 在以上静力学、动力学、_ 三传动系统扭转振动的固有频率及动态响应等计 算的基础上，对平行l _ l j 列和螺旋剪刃滚筒式飞剪机进行对照比较分析，以便从理 论上证实利用螺旋剪州能将剪切厚度山2 ，o m m 提高到4 5 m m 可行性。 重庆_ = 学坝士学位论史 8 在确认理论计算结果可行的情况下，进行剪切机本体结构的优化设计。 9 样机制造与实验室运行和试生产。 1 0 必要的实际测试与验证。 1 1 现场安装、调试投入f 式生产。 1 2 由于理论分析及计算内容多、任务繁重，人工计算工作量太大，且某些计 算还难以实现，因此，需在确立f 确的力学模型及数学模型后，利用v i s u a lc + + 语言和f o r t r a n 语言混合编程开发出相应的静力学、刚体动力学和传动系统 扭转振动分析计算软件。整个软件应做到：功能强、操作方便、运行可靠、界面 友好。 总之，本课题最终应达到，能研制出一台满足生产实际需要的各种技术指标， 能真正解决现场实g g i o 题的新型螺旋剪刃滚筒式飞剪机。 重庆大学硕士学位论文 2滚筒式飞剪机主要结构设计简介 2 1 方案概述 前已述及，2 0 3 0 毫米冷轧机组常规料由常规轧制改为采用全连轧方式装备 研究中，攻关的核心是将现有的从德国引进的滚筒式飞剪机的剪切能力大幅度地 提高，即将剪切厚度由2 毫米提高到正常的3 8 毫米，最大到4 5 毫米，而设备 改造过程中，受现场实际条件及某些客观因素的制约，设计任务书中明确要求必 须按“四个不变”的原则进行方案设计，即改造后的飞剪机其主传动电机功率、 设备安装尺寸、主传动系统的飞轮力矩和电气自动控制系统均不允许发生变化， 以免影响生产线的总体布局、相关机械设备及计算机控制系统的变化。鉴此，为 了满足上述严格的设计约束条件，设备改造的方案设计及技术论证尤为重要，设 计方案的好坏将直接关系到最终能否达到任务书的要求。 2 1 1 限制滚筒式飞剪最大剪切厚度的原因 目前，国内外所使用的滚筒式飞剪其剪切厚度一般在2 毫米以下，最大可 达到2 5 毫米，那么它为什么不能剪切较厚的板材呢? 有关文献都笼统的提到了 它的剪切力大，显然这结论是正确的。图2 1 给出了利用滚筒式飞剪剪切薄板 和厚板时剪刃运动轨迹、接触轧件面积、动态剪切角等示意图。从图中我们可以 看出，剪切板厚增大后。由于动态剪切角o 9 0 。，失去了良好的剪切条件：第 一、刀片面与板材的接触在轴向出现y - 角形面积f ( 剪薄板时为两条线) ，在总 剪切力不变的条件下，则单位剪切力急剧减少，未到断裂，随即平衡。相反其剪 切阻力却急剧增大，不仅纯剪切阻力按板厚的平方急剧增大，特别地还伴有种 随机增大的“挤压”。如此二者反向剧变，剪切力p 和剪切力矩m 都显著增大。 第二、即使强制剪断，不仅设计失去价值，同时因剪切断面毛刺太大而成了废品、 次品。 重壅查兰婴! ：兰些丝皇一 因此，单从刀片的几何位移规律来看，提高其剪切厚度难度的确太大。那么 图2 1 剪切题厘态! ! a 9 0 。失去了剪切条件 剪翊堑厘尘! i a 。9 0 。良好剪切 1 剪刀接触面积f 一定值f = 0 2 压强 p p f 3 复杂剪切抗力( o - 4 - t ) f 1 l 4 剪切抗力按板厚平方增大 1 8 1 f f t 2 li 5 剪切力臂 h 6 t h 6 ； 热剪切机( 轧件温度为1 1 0 0 度) 当用来剪切轧件头尾时，最大厚度为什么能够达 到4 0 6 0 毫米呢? 其原因很简单：( 1 ) 工作速度低，允许结构尺寸庞大，这相 当于板厚减少：( 2 ) 由于剪切温度高所以剪切抗力很小：( 3 ) 速度同步自适应。 因此，单从热剪的角度还不能对冷剪机剪切厚度作出评价。 重庆大学硕士学位论义 2 1 2 多约束严条件的超常规设计 一般来说，任何一项工程设计都应该有一定的约束条件，都应该满足生产 实际的诸多要求，无限制的自由设计和自我发挥在实际设计中不可能存在，也没 有任何实际意义和价值。但本项目中所提到的约束其含义却有所不同。这些约束 并非是原课题所固有的，而是由于在现有的大型成套设备的基础上攻克既定指标 时，绝不允许影响原现代化大型流水线生产时，必须受到原有机、电、液、生产 工艺流程等全方面的约束而造成的。结果出现了如此的超常规设计。它要求原有 的全部参数，电动机功率，电气控制，结构外形尺寸等一切不变动，却要求将原 最大剪切厚度大幅度的由2 0 毫米提高到4 5 毫米。显然，这是一种高约束条件 的超常规设计。因此，我们必须仔细研究设计方案，在此基础上加以严格的科学 论证，从而才能确保项目的完成。 2 ，1 3 滚筒式飞剪的创新设计 过去国内外都是按传统的给定轨迹方法确定飞剪机的结构参数，可是如何 给定一最佳轨迹，却未给出进步的详细论述，因此，滚筒式飞剪在剪切板厚上 的难题始终没有得到开发。在一台力能参数与其结构吻合全部为已知数的机器 里，只将其中的一项或几项主要工艺参数大幅度提高，其余一切保持不变动的设 计，我们称它为超常规设计。显然超常规设计是一种充满一系列矛盾的设计，如 何解决诸多矛盾，完成超常规设计中所给出的诸多严格的约束条件，这是摆在本 课题中的一大难题，只有先攻克这一难题，才能确定出机器的结构参数，提出机 器结构的初步设计方案，才能为后续的各种校核计算提供初始条件，从而对方案 设计加以论证。为此，我们必须找出本课题超常规设计中能协调诸多矛盾，使新 设计的机器中，原有的诸多矛盾能够在新的条件下达到新的平衡的主要因素，这 也是本课题创新设计的关键所在。通过对传统的滚筒式飞剪机的仔细研究和分析 ( 结合图2 - 2 a ) 。我们发现影响滚筒式飞剪机最犬剪切板厚的主要因素是刀片在 剪切过程中各个时刻的位置形念。结合图2 一l 以及前面的分析，我们可以认为， 只要设法调整刀片的位置形状，使在整个剪切过程中，刀片位置形态满足图2 2 b 所示的状况，则可以有效改变老式滚筒式飞剪的工作状况，使其所剪切的最大板 重庆大学硕士学位论文 厚得以提高。图2 2 b 所示刀片位置形态可叙述如下 图2 - 2 剪切过程中( 即从刀片开始接触轧件到剪断完成) ，始终保持上下刀片剪切 刀面动态保持平行，且尽可能垂直于轧件。显然为了达到这一要求，必须将原滚 筒式飞剪机的刀刃改为螺旋刃并且要选择合适的螺旋角，也就是说，必须通过 优化设计的方法t 找到上下滚筒上刀刃的螺旋角1 3l 和0 _ f 使刀刃在剪切过程中 保持上述所要求的位置形态。 根据上述创新设计的思想，利用最优化设汁的原理，经反复摸索试算我们 最终得到了螺旋刀片滚筒式飞剪主要结构参数如下( 参见图2 - 3 ) ： ( 1 )上剪刃直径：r j - - - 4 7 i6 2 毫米 ( 2 ) 上剪刃螺旋角：1 31 = o 6 5 度 ( 3 ) 下剪刃直径：rf = 4 7 0 0 0 毫米 ( 4 ) 下剪刃螺旋角：b 。= o ，6 5 2 痿 ( 5 ) 上下滚筒中心距：a = 4 7 0 0 0 毫米 ( 6 )上下滚筒偏心距： e = 8 ，3 5 毫米 重庆大学倾l ：学位论文 被剪切的轧件机械性能参数如下： ( 1 ) 强度极限 6b = 8 5 0 牛毫米! ( 2 ) 材料的延伸率： 6 ；= 0 2 ( 3 ) 断裂时的相对切入深度：。= 0 3 图2 - 3 2 2 螺旋刃滚筒式飞剪主要结构简介 2 2 1 概述 ，c ，距 根据上述所确定的机构的证要参数，在满足日h 述“四个不变”的约束条件下， 所设计出的螺旋剪刃滚筒式飞剪的总图及飞剪机本体装配图如图2 - 4 、图2 - 5 、 图2 - 6 所示。以下列该设备的t 要结构特点加以简单介绍。 陔滚筒式飞剪一le 剪本体、传动装置和设备润滑配管等三部分组成。 飞剪本体安装mh 机架连轧机机后的前后送料辊之间，用4 个螺栓固定在 机架上，传动装置安裴在基础_ ! - o 重庆大学倾i 学位论文 2 2 2 飞剪本体 飞剪本体装配图如图2 5 、图2 - 6 所示。它主要由上刀座、下刀座、上滚筒 轴、下滚筒轴、左、右机架、横梁和斜齿同步( 速比为l ：1 ) 齿轮以及百分表探测 器、螺纹消隙机构等部分组成。 上、下滚筒轴用三列圆柱滚子轴承支承并装在一整体左右机架内，端部有 止推轴承用来承受轴向载荷，左、右机架上、下分别用横梁联结成一个整体，在 上、下滚筒轴上分别装有螺旋角为0 6 59 、o6 5 2 。的上、下刀座，刀片把合在 上、下刀片座中。 刀片采用5 c r w m o s i v 材料，刀尖斜角为7 5 。4 0 ” 上、下刀座采用4 2 c r m o 材料，螺旋角分别为o 6 5 。及0 6 5 2 。，用螺栓定 位销将其把合在上、下滚筒轴上。上、下刀片在前后及上下两种压块的强制压力 下发生弹性变形，在其槽内呈螺旋剪刃。 左、右机架采用焊接结构、机架体采用3 5 s i m n 材料，并进行锻后热处理， 焊接进行探伤检查。 为了保证滚筒式飞剪齿轮在无齿侧间隙情况下工作，以免产生较大的冲击 载荷，在主动轴上( 下滚筒轴) 装设了斜齿同步齿轮机构。主动轴上的同步传动齿 轮做成主、副齿轮结构：被动轴( 上滚筒轴) 上的齿轮与上滚筒轴用键固定，而主 动轴上的主齿轮用键与下滚筒轴固定；副齿轮孔与下滚筒轴为间隙配合，主齿轮 与副齿轮用2 个巾2 5 的柱销和6 个m 3 0 的螺栓把合在一起。通过调整主副齿轮 之间的垫片厚度来达到飞剪的同步齿轮在无齿侧间隙的情况下工作。 由于上、下滚筒轴通过斜齿同步齿轮束传动，当下滚筒轴固定( 不移动和转 动) 时，上滚筒轴与其齿轮一起作轴向移动时，并进行定轴转动，转动的结果就 改变了剪刃之间的间隙。因此，当需要调节刀片侧间隙时，首先用定位锥体固定 下刀片轴，再放松消除螺纹问隙机构的三个紧定螺栓，最后打开锁紧齿块，此时 用长臂扳手转动调节铜螺母，上刀轴便作轴向移动，其允许的转动量为_ + 4 m m ， 当上滚筒轴拉i q 嫌作侧州侧问隙减少，反之增大。侧间隙的基本数值使 在百分表揉测器中显小。 2 2 3 主传动装置 螺旋刀刃滚筒e 剪的 传动系统机构简i ；簪i 如图2 7 所不。电机经过一带 传动的联轴器- 通过级减速器将动力传到下滚筒轴，然后利用下滚筒的齿轮传 12 倚 j 豁蠢万薰赛!蛏h - 铡 呻针i 。上霪嚣i 至；= 圣；= i 黔剥 “一 铷勰埝肛h 悱 = = = ： 。 鲥l 、醚壬缪 i 蚓。舻鼍 叫盘 1 、。 ，寸、 v p 、4 l 。，e ；= 睦j l 1熊 1 e l 1il 磬j i i 5f l i 蕾 l l毕飞 1 _ l 量； 。，j ! i j1i ii 臣i 。1 l h l 川 1 li i 目 i i l litii i i r a i ni 悄i _ _ f i t豆 1崖 。一 。囊鼍平争 + i 斗卜h 刊 夕胃 ! 雾 嗣f 砷 f l 丛 i 理一 l 】2 fl ” 萤 一 f f ： i 毒j i ! 一 ：躺 。 一芭圭l i卅 - 争产 i 一喵氍童努 ；i 二 f 3 寸 n 圈 n 囤 毫辫薰蠹塾霪j 鞫 二 ，i t；i i j i i i ：! ；i ； 毒 ，皇念 2 渺束饿 删， l - 纱m il 。 j 2 ： 【1 t n 曩、 、 i 圳 i i ； 、喜 一一 r 卜一 鹂 驯 j * j 1 t 制 j i f _ ，_ i | n德 瓣n ； l i 【。置d 蜒 - 一 i 3 二芏 一 淡纱u 飘 i 【。1 i r 圃 翳 到 | ：餐遴惑熏物 ；。越箩黪 ；： 重庆大学础一卜学位论史 动将运动传到上滚筒。 主电机采用z z j 一8 6 ，功率为2 0 5 k w ，其起制动敏捷、定位准确。电动机尾 部安装有测速发电机，以实现对电动机的速度测控。 减速机采用立式结构，减速比为：3 8 1 。 1 一机架2 一上滚筒3 一下滚筒4 一上滚筒同步齿轮 5 一下滚筒同步齿轮6 一副齿轮7 一联轴器8 一减速机大齿轮 9 一减速机小齿轮1 0 一带制动轮的联轴器1 1 一电动机1 卜 贴直发电机 图2 7 2 2 4 设备润滑配管 该滚筒式飞剪的。对齿轮和轴承均采用稀用循- q n 滑方式，具有润滑和冷却 双重作用，共有7 个润滑点。入口油口与出口油口位置与现场对应位置吻合。 2 2 5 电气控制 根据设计任务书叶，的“四个不变”原则，本没备的电气控制系统未作任何更 改，所以出轴上的位移传感器+ 脉冲发生器以及测速发电机的功效均与现场相 同。 重庆大学硕1 学位论文 3 1 概述 3 滚筒式飞剪的力能参数计算 为了从理论上验证改造后的螺旋剪刃滚筒式飞剪在满足“四个不变，的条 件下，能够提高剪切厚度，对飞剪进行静力学分析、刚体动力学分析及相关参数 进行计算是十分必要的。 本章将从理论上推导出开始剪切时滚筒从初始位置所转过的角度，剪切结 束时的滚筒转角、理想纯剪切时间、剪切力、侧推力、上下滚筒的剪切力矩、总 剪切力矩及滚筒轴的静强度和最大静挠度等静力学参数计算公式，同时，还从刚 体动力学的角度对起动段、匀速剪切段和制动段的相关动态特性参数进行计算， 如各阶段的动力矩、动能、起动时间、真实剪切时间、制动时间及总时间等。 3 2 开始剪切角，剪断角的计算 计算过程中的已知 条件如下( 见图b - 1 ) ： 上剪刃直径o 下剪刃直径o ， 偏心距e 上下滚筒中心距a 轧件厚度h e 图8 - l 重壅查兰堡主兰焦笙苎一 计算过程如下： 由图3 一l 中的几何关系可得： l 2 中1 c o stl + 1 2 02 c o s t 2 + h c o s oi - a 1 2 0 1 s i n 丁1 = 1 2 中2 s i n t2 + h s i n i 巾i c o stl = 2 a m2 c o s t 2 2 h c o s “i o i s i n t 产中z s i n t2 + 2 h s i n o l 将( 1 ) ，( 2 ) 及( 3 ) ，( 4 ) 分别平方后相加有： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 中】。( 2 a - o2 c o s tz - - 2 h c o s d1 ) 2 + ( 0 2 s i n t 2 + 2 h s i n n1 ) 2 中t 2 = $ 2 2 c o s 2 t2 2 ( 2 a 一2 h c o sai ) o 2 c o s t2 + ( 2 a 一2 h c o s a1 ) 巾2 2 s i n 2 t 2 + 4 h 中2 s i n qi s i nt 2 + 4 h 2 s i n 2 。l o l 2 = 中卢- 4 ( a h c o sq 【) 中z c o s t 2 + 4 ( a h c o s a1 ) 2 + 4 h 中2 s i na l s i n t2 + 4 h 2 s i n 2 ol 4 h 中2 s i n q1 s i n t 2 4 巾2 ( a h c o sa1 ) c o s t2 + 中2 2 一中t 2 + 4 ( a h c o s k ) 2 + 4 h 2 s i n 2 l = 0 令：h=4h巾2sinq1 由图3 - 1 中几何关系知：s i n l = e a ，c o s l = i 一( e a ) 2 t a = 4 h o 2 e a 又令：b = 4 2 ( a h c o s q1 ) = 4 0 2 ( a - h l 一( e l 口) 2 ) = 4 0 2 ( a - h a d 2 一e 2 ) c = o 2 2 - 中1 2 + 4 ( a h c o s o1 ) 2 + 4 h 2 s i n 2a i = 。：。z + 4 ( a h a 二7 ) 4 h ：e z a z 则有： a s i nt 2 一b o o st2 + c = 0 a s i nt 2 一b 1 一s i n2 ，2 + c = o h s i n t 。+ c = b 乒j 石 将上式两边分别i f 方有： a ：s in ：tz + 2 a c s i n t 2 + c 2 = 睁b z s i n 2 t2 ( a 2 一b 2 ) s i n 2 tr + 2 a c s i n t 2 + c 2 一b 2 = 0 1r 重堕叁兰坚! 兰! ! 堕= 兰； 一一 解此一元次方程可得： s i nt ，：( - 2 a t 西于j i j 盯) 两) ( z ( a 4 若令d = 瓣- 4 ( a 2 + b 2 ) ( c 2 - b 2 ) = 2 再亏t 石i 页嘶 则：s i n t f ( 2 a c d ) ( 2 ( a 4 8 2 ) ) 舍去大于9 0 。的角可得到t ： 丁t = s i n 。( ( o2 s i nt2 + 2 h s i n o 【) 中i ) 剪断角计算： 2 z h = 令 = 。 e 。- 断裂时相对切入深度 2 z h = e 。， z = h e 。，2 故h7 = h - 2 z = h ( 卜，)图3 2 将h7 代入前面的计算( 即将上述的h 换成h7 ) 即可求出断裂时的t t 2 7。 若将以上角度换成与剪刃起始位置的角度，则有： o 0 l - r 厂 0 。 絮 乞 r 0 二 一 n 基： x l x 2 | | 冢 一 蟛 丝塾塑暨 图3 - 3图3 - 4 a ，= 2 7 0 。一1 _ ( 上刀起始角) n ：= 2 7 0 。一t ( 上刀剪断角) o 。= 2 7 0 。一下( 下刀起始角) r 1 “= 2 7 0 。一t17 ( 下刀剪断角) x 重庆大学碗l 学位论义 上下刃重合时的角位置计算： 当上下刀刃重合时，相当于轧件厚度为零，故只需将以上训算过程中的h 令 为零，即可得到相应的角位置，即： 。j 2 2 7 0 。t 1 。2 2 2 7 0 。一t 。2 式中：q 。一上下剪刃重合时的上刀刃位置角 o 。一上f 剪刃重合时的下刀刃位置角 t 。一上下剪刃重合时上刀刃与y 坐标的夹角 t 。2 - 一上下剪刃重合时下刀刃与y 坐标的夹角 3 3 理想纯剪切时间计算； 理想纯剪切时制的大小反映了将厚度为h 、宽度为b 的轧件完全剪断所需要 的时间，它是今后对滚筒式飞剪动态特性分析时的一个重要的参数，理想纯剪切 时间的大小可通过下列两种方法计算： 图3 5 1 、方法一 从滚筒横断面来看，剪断厚度为h 的轧件，滚筒转过的角度。扩。；，另外为 重庆大学顺_ = | 学位论义 剪断宽度为b 的轧件，滚筒需要转过角度为： v l 2 b t g bl o l 故剪切宽度为b 厚度为h 的轧件滚筒需要转过的总角度为： 0 1 2oi i - - a1 + q j i 设轧件速度为v ，上滚筒的角速度为u ，则有： u 1 2 2 v 中i 若认为整个纯剪切过程中轧件速度保持不变，则纯剪切时间t ，为 t l = 0l i = m l ( i i - - ql + v 1 ) ( 2 v ) 同理可得到下滚筒的纯剪切时间t ，为： 实际计算时取 图3 - 6 2 、方法二 最大纯剪切时唰亦可采用下述方法计算 s i = b 。t 9 1 31 + 1 2 。h 同理 s ! = b 。t gb2 + 1 2 、xh t = s v t 。= s 。v 圳v 广 一k沁 一 重庆大学颅 学位论义 3 4 剪切力及侧推力的计算 剪切力是飞剪设计计算中一个非常重要的力能参数，它的大小直接关系到剪 切机的能力大小及剪切机本体各结构的强度及刚度是否合用，对剪切力进行准确 计算是十分必要的，以下就平行刀片及螺旋剪刃两种情况对剪切力的计算公式加 以推导。 ( 1 ) 剪讶力 ( 一) 平行刀片 平行刀片剪切机剪切力的计算公式可按下列经验公式进行计算： p 。2 k x 0