（机械电子工程专业论文）钢板定长剪切系统的研究和设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文在现有的滚筒式飞剪机基础上，对飞剪机的工作原理进行分析，重新设计了 滚筒式飞剪机的机械结构。应用a u t o c a d 和p r o e 分别绘制出了飞剪机的各个零部件 的二维和三维图，并进行整机装配：根据飞剪机设计的目的和要求，进行相应的三维建 模，确定出基本参数，进而确定出飞剪机在剪切时的剪切力、力矩及剪切功，并根据 机械系统的飞轮转矩计算出电动机的额定功率和额定转速；对所设计的飞剪机的几个 主要零部件进行受力分析，应用静力学和动力学知识对受力零件进行刚度和强度计算， 并对刚度和强度进行校核；运用机械运动仿真模块对飞剪机的剪切过程进行模拟，并 对飞剪机剪刃的速度和加速度进行分析。 本文所设计的飞剪机采用全新的设计方法，减少了机械传动系统和整机的体积， 提高了生产效率和剪切质量。设计出剪刃间隙可以自动调节的装置，改变了人工调隙 的方法，大大缩短了调隙时间。 关键词：飞剪机；侧间隙；传动系统；剪切系统；运动仿真 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ee x i s t i n gd r u m t y p ef l y i n gs h e a r ，t h ea r t i c l ea n a l y s e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ff l y i n gs h e a ra n dd e s i g n st h em a c h i n e r ys t r u c t u r eo fr o l l e r f l y i n gs h e a ra g a i n i ts e p a r a t e l yd r a w st h et w o d i m e n s i o n a la n d t h r e e d i m e n s i o n a lm a p so ft h ef l y i n gs h e a rv a r i o u sp a r t sw i t ha u t o c a da n dp r o ea n da s s e m b l e so nt h ec o m p l e t em a c h i n e a c c o r d i n gt ot h ep u r p o s ea n dr e q u e s t t h a td r u m t y p ef l y i n gs h e a ri sd e s i g n e d ，i tb u i l d st h em a t h e m a t i c sm o d e la n d d e t e r m i n e so u tt h ef u n d a m e n t a lp a r a m e t e r t h e ni td e t e r m i n e st h es h e a r i n g f o r c e ，m o m e n to ff o r c ea n dt h es h e a r i n gw o r ko ff l y i n gs h e a rw h e ni ti si nc u t t i n g a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a ls y s t e mf l y w h e e lt o r q u ei tc a l c u l a t e so u tr a t e d p o w e ra n dr a t e ds p e e do ft h ee l e c t r i cm o t o r i tc a r r i e so nt h es t r e s sa n a l y s i s o fm a i ns p a r ep a r t so f t h ef l y i n gs h e a ra n dc a r r i e so nc a l c u l a t i n gt h e a p p l i c a t i o no nr i g i d i t ya n di n t e n s i t yo ft h ef o r c e dp a r t sw i t hs t a t i c sa n d d y n a m i c sk n o w l e d g e a n di ta l s oe x a m i n e st h er i g i d i t ya n dt h ei n t e n s i t y i t c a r r i e so nt h es i m u l a t i o no ft h ef l y i n gs h e a rc u t t i n gp r o c e s sw i t ht h e m e c h a n ic a lm o v e m e n ts i m u l a tio nm o d u l ea n da n a ls e ss p e e da n da c c e le r a tio no f t h ec u t t i n ge d g eo ft h ef l y i n gs h e a r t h ef l y i n gs h e a rw h i c hi sd e s c r i b e di nt h ea r t i c l ei sd e s i g n e db yb r a n d n e w d e s i g nm e t h o d i tr e d u c e sv o l u m eo ft h em e c h a n i c a ld r i v i n gs y s t e ma n d t h e c o m p l e t em a c h i n ea n de n h a n c e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d t h ec u t t i n g q u a li t y i td e s i g n st h ea u t o m a t i cr e g u c a t i n gd e v i c ew h i c hc a nc h a n g et h ec u t t i n g e d g eg a pa n dc h a n g e sm a n u a cg a pa d j u s t i n gm e t h o d i tg r e a t l yr e d u c e st h eg a p a d j u s t i n gt i m ew h i c hi su s e di na d j u s t i n gc r a c k k e yw o r d s ：f l y i n gs h e a r ；s i d ec l e a r a n c e ：d r i v i n gs y s t e m ；s h e a r i n gs y s t e m ； m o v e m e n ts i m u l a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期 ： 嗽浆尾 踯年3 月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：动呶尾 指导教师签名：f 豇多刍 日期：d 窘3 铲日 期：口9 ，；14 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 飞剪机概论 剪切机是轧钢车间轧制线及其辅助作业线上重要的辅助设备之一，它主 要用于对轧件进行切头、尾或对轧件剪切成规定的长度。根据剪切机刀片的 形状、配置以及剪切方式等特点，剪切机可分为平行刀片剪切机、斜刀片剪 切机、圆盘式剪切机和飞剪机四种类型。 1 平行刀片剪切机 这种剪切机的两个刀片彼此平行( 如图1 1 ) ，它通常用于横向剪切粗轧坯( 方 坯，板坯) 和其它方型及矩型断面的钢坯，故又成为钢坯剪切机。有时用两个成 型刀片来冷剪管坯及小型圆钢等。 略，冒 图i i 平行刀片剪切机 2 斜刀片剪切机 这种剪切机两个刀片中有一个刀片相对于另一个刀片是成某一角度倾斜布置 的( 图1 2 ) ，一般是上刀片倾斜。这种剪切机主要用来横向冷剪或热剪钢板( 带 材) 、薄板坯，又称为钢板剪切机，也可用来剪切成束的小型钢材。 图1 2 斜刀片剪切机 3 圆盘式剪切机 这种剪切机两个刀片均成圆盘状( 图1 3 ) ，它主要用来纵向剪切运动中的钢 板( 带板) 的边，或将钢板( 带板) 剪成窄条，一般均布置在连续式钢板轧机的 一l 一 沈阳理工大学硕士论文 纵切机组的作业线上。 图1 3 圆盘式剪切机 4 飞剪机 飞剪机( f l y i n gs h e a r ) 是在轧件运动过程中，剪刃产生相对运动而将轧件 切断的设备。板带车间的飞剪机可装设在连续式轧制作业线上，以及热镀锌、电 镀锡机组或单独的剪切机组中，它主要是横向剪切轧件的头、尾或将其剪切成一 定的定尺长度。 根据飞剪机的用途、结构特点、机构类型或驱动方式等特点可以将飞剪机分 为( 1 ) 钢坯飞剪机；( 2 ) 型钢、线材飞剪机；( 3 ) 钢板、带钢飞剪机这三种主要 类型。板带车间的飞剪机按用途可分为切头、尾飞剪机和定尺飞剪机两大类。如 果按飞剪机结构形式的不同，切头飞剪机可分为曲柄式飞剪机和滚筒式飞剪机两 种；定尺飞剪机又分为滚筒式飞剪机、曲柄式飞剪机、摆式飞剪机、模式飞剪机 等几种。本课题主要研究滚筒式飞剪机。 滚筒式飞剪机的特点是用来横向剪切运动着的轧件，因此这就要求飞剪机剪 刃在剪切轧件时要随着运动着的轧件一起运动“即剪刃应该同时完成剪切与移动 两个动作 且剪刃在轧件运动方向的瞬时分速度，应与轧件运动速度相等或略大于 2 一3 。在剪切轧件时，剪刃在轧件运动方向的瞬时速度，如果小于轧件的运动 速度，则剪刃将阻碍轧件的运动，使轧件弯曲甚至产生轧件缠刀事故! 反之，如在 剪切时剪刃在轧件运动方向的瞬时速度比轧件运动速度大很多，则在轧件中将产 生较大的拉应力，这就可能造成板带打滑，影响剪切定尺测量尺寸上的误差，可 能对轧件表面造成损伤，从而影响轧件的表面质量和剪切质量，增加飞剪机的冲 击负荷【2 1 1 5 1 。 1 2 国内外飞剪机的发展概况 目前国外多采用两种比较先进的剪切机型，一是采用离合器启动和制动器制 一2 一 第1 苹绪论 动，我们称为“连续起停 制飞剪机；另外一种是电动机直接“起停 制飞剪机，这两种飞剪机各有其优点和不足之处。随着科技技术的不断发展，电 控元件水平的提高，“起停”制飞剪机将逐步代表飞剪机的发展趋势。 “连续一一起停”制飞剪机，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动机驱动，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。传动装置和剪切装置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：剪切完成后离合器脱开制动器合上，使传动装置和 剪切装置脱离，传动装置仍连续运转，而剪切装置制动停止到某一确定的待切位 置上。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。这 样可以充分利用动力矩，提高速度，降低能耗。 “起停一制飞剪机，采用低惯量大扭矩直流电动机，整机直接起动、剪 切、制动，完成剪切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和制 动。这种剪切机一般处于静止状态，剪切时，电动机直接拖动传动装置和剪切装 置迅速起动剪切，而后立即制动停止，而且有些要求电动机可反向爬行转动，将 剪头准确地复位到某一待切位置。因此，这种剪切机结构简单，维护保养方便， 控制环节少，剪切精度比较高。 “连续起停制剪切机与“起停 制剪切机相比较，前者能实现高 速频繁起动，但结构复杂，体积庞大，控制比较麻烦。后者结构简单、剪切精度 高、控制简单，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， 因而更有更广阔的发展空间 i l l 。 1 3 课题来源及意义 ，本课题根据实际生产的需要来进行设计的。目前在实际生产中使用的飞剪机 种类繁多，由于它们各自具有自身的特点，所以应用在各种不同的工作场合。在 连续式轧制生产作业线上，用来剪切轧件头尾或剪切分卷板材时，就大量使用滚 筒式飞剪机。这是因为随着科学技术的不断发展，电控元器件水平的不断提高，“起 停制飞剪机的剪切精度和剪切速度得到了很大的提高，现在剪切精度和剪 沈阳理工大学硕士论文 切速度超越了其它类型的飞剪机，在这一领域内将逐步代表着飞剪机的发展趋势， 因而更有发展前景。 目前在实际生产使用的滚筒式飞剪机主要存在下面几个问题： ( 1 ) 随着现在连续式带钢轧机轧制速度的提高，飞剪机的剪切速度不能跟上 轧制速度。 ( 2 ) 定尺剪切精度误差大，不能很好的满足实际需要。不同长度实际测量的 剪切精度如下： 4 0 0 2 0 0 0 m m = 4 r a m 2 0 0 0 r 3 0 0 0 m = 5 硼 3 0 0 0 - - 4 0 0 0 m m = 6 m m ( 3 ) 滚筒式飞剪机剪刃问隙调整困难，费时长，严重制约了板带剪切线的正 常生产，另外在更换产品规格时，间隙调整时间过长，产生过多的废品。如果剪 刃间隙调整不当，会造成剪刃打刀，更严重会造成设备的损坏。 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，飞剪机的需求量不断增加，自然而然地对飞剪机的 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，以及工作稳定可靠性等各方面， 必须具有很高的要求。剪切速度的提高以及剪切质量的提高，会带来很大的社会 效应和经济效益。所以，仅从上面所述来看，对钢板定长剪切系统研究具有重要 的理论意义及实际价值。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 滚筒式飞剪机工作原理分析。 ( 2 ) 根据飞剪机的具体结构要求，对飞剪机进行结构设计。先用a u t o c a d 绘 制飞剪机的二维零件图，然后利用p r o e 对飞剪机进行三维建模，建立飞剪机的三 维实体模型，最后进行运动仿真分析。 ( 3 ) 滚筒式飞剪机的间隙调整机构设计。 ( 4 ) 利用现有的剪切理论对飞剪机的参数进行选择和计算，主要计算飞剪 机的剪切力、剪切力矩、剪切功、电动机功率、滚筒轴的静力学参数及运动分析。 ( 5 ) 对飞剪机的重要机构进行强度计算和校核。 一4 一 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 2 1 钢板定长剪切系统的构成 钢板定长剪切系统主要装设在轧制作业线上或单独的剪切机组中，用来横向 剪切，将带材剪切成一定的定尺长度。目前大多用于单独的剪切机组中，主要用 于成品卷材的定尺剪切，将成卷的带材展开、校平、剪切、堆栈、剪切成实际需 要的定尺长度。钢板定长剪切系统主要包括五个部分如图2 1 所示。 图2 1 钢板定长剪切系统原理图 1 开卷机 开卷机主要是将冷轧钢卷材、不锈钢卷材、铝卷材等展开，便于校平。将成 卷的板材放于开卷机轴上，利用液压压力来控制开卷机轴收缩传递内张力，把卷 材牢牢的固定在开卷机轴上。卷材的转动由控制器控制的直流电动机驱动，在开 卷机轴两端加位置固定装置( 可以来回移动进行调节) ，以防止卷板和支撑轴的相 对移动，可以获得良好的固定效果，再安装一组压力轮，两组调节轮，来防止卷 一5 一 沈阳理工大学硕士论文 材自动展开，为校平提供张力。压力轮置于卷材上方，在压力轮的作用下压紧卷 材，防止卷材在内张力的作用下自动展开、延伸，不利于校平。调节轮调节卷材 开卷后的张力，便于向校平机送入，可以获得良好的开卷效果。 2 校平机 校平机主要用来消除卷材的内应力，将卷材变为无变形的带材。目的是减少 材料内部不均的歪斜翘曲，将材料变为均衡，一般采用1 9 只矫正滚轮对消除材料 的残留应力有较大的效果。滚轮采用9 上1 0 下的安装方式，且上滚轮和下滚轮之 间的间隙，用微位移调节机构进行调节，精确度可达0 o l m m ( 滚轮的直径小，校 平精度高) 。校平机的动力用直流电动机驱动，有高性能的控制器进行控制，自动 化程度高，校平质量好，性能稳定。 3 测量辊和送料辊 测量辊轴上安装有一组增量式光电编码器，一是用于测量带材的进给线速度， 二是用于测量板材的定尺长度，为了得到精确的进给速度和测量长度，必须保证 测量辊和带材之间无相对滑动，这就要求测量辊和送料辊上下轮的间隙和压力可 调，送料辊的作用是向飞剪机送入被剪切的带材，使其输入速度均匀，带材平坦 无变形。 4 滚筒式飞剪机 在钢板定长剪切系统中飞剪机是最重要的部分，它由剪切机构，剪刃间隙调 整机构，主传动机构及电控设备构成，剪切机应该有上、下两个剪刃组成，在切 割板材时，两个剪刃在水平方向上的线速度应和板材的进给速度相同，如小于板 材的进给速度，板材会变形、弯曲，影响剪切精度；如大于板材的进给速度，会 出现拉钢现象，使带材与送料辊之间产生相对滑动，影响定尺长度与剪切精度， 所以飞剪机的剪切过程分四个部分：( 1 ) 启动( 2 ) 加速( 3 ) 同步( 带材与飞剪 的线速度相同) ( 4 ) 减速及回原点。为了换剪刃方便，应把刀片放入刀座内，用 螺丝固定，为保证剪切质量，上、下两个剪刃之间的间隙可调，用磁栅控制器进 行控制微位移调节机构调节，控制电动机( 小功率的电机) 进行调节，可以提高 工作效率。动力有控制系统控制的直流电动机进行驱动，为得到很好的起、停调 节性能，电动机采用低惯量大转矩电动机。为了保证带材的剪切精度采用主副齿 轮错齿传动动力来消除齿轮传动间隙，上、下剪刃采用同步斜齿轮进行传动。 一6 一 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 5 堆栈 堆栈的目的把切割好的成品进行打包，利用真空吹浮装置将剪切好的带材吹 起，防止带材表面划伤，然后利用电磁磁力将带材吸到预先设置好的位置。 2 - 2 滚筒式飞剪机的研究 定尺剪切是钢板定尺剪切系统工艺中的关键工序，滚筒式飞剪机正是实现这 一工序的。滚筒式飞剪机是按定尺长度将连续运行的带材剪切成定长长度。工艺 上要求带材的切断工序是在运动中完成的。由于带材运行的速度快，因此要求飞 剪的剪切频率高，对应的控制系统响应快。 2 2 1 滚筒式飞剪机的工作原理 滚筒式飞剪机的两个滚筒经加速相对旋转，当滚筒上剪刃的线速度加速到与 带材的速度一致时，保持匀速运动，当上、下剪刃相遇时，完成剪切带材，剪切 完成后，滚筒减速制动，剪刃停止到原始位置，上剪刃剪切过程如图2 2 所示。 s 磁建嘿 s s 曩莎区气嘎 图2 2 飞剪机上剪刃剪切示意图 从图2 2 可以看出，滚筒式飞剪机的剪刃从起始s 点经加速区到墨点时，其转 速必须加速到与带材速度一致，然后剪刃和带材同步至最点时，带材剪切完成， 随后两者再同步至是点，此后滚筒式飞剪机的剪刃经减速区墨点又回n s 点，此时 转速刚好为零。其工艺具体描述如下：滚筒式飞剪机的上、下剪刃的刀轴通过同步 斜齿轮相联接，由同一台直流电动机驱动。飞剪机起动前，上剪刃处于待机位置s 处。控制系统根据设定剪切长度，测量辊测得的带材实时长度及剪刃旋转行程进 行运算、处理，确定何时给出飞剪机起动信号。当满足起动条件要求时，控制系 统发出飞剪机起动信号至直流调速系统，控制剪刃以一定的加速度由待机位置s 处 经加速区s 墨至i j 达和带材速度一致墨处，进入同步区，并与带材速度同步运行至 s ：点剪断带材，然后剪刃速度再与带材速度同步运行至是点离开带材，最后经减 沈阳理工大学硕士论文 一 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 开卷最大张力： 2 0 0 0 0n 开卷卷径：( i ) 4 7 8 0 5 0 8 哪 来料厚度： o 2 3 2 衄 来料宽度：4 0 0 一1 5 0 0 衄 2 3 滚筒式飞剪机的结构设计 目前工厂所使用的滚筒式飞剪机都是切割薄钢板用的，而且剪切速度不高， 根本不能满足实际生产的需要。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，却未给出进一步的详细论述，因此， 滚筒式飞剪在剪切板厚上的难题始终没有得到开发。设计滚筒式飞剪机是一种充 满一系列矛盾的设计，如何解决诸多矛盾，完成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，才能确定出飞剪机 的结构参数，提出飞剪机的结构初步设计方案，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 的诸多矛盾，使新设计的飞剪机中，原有的诸多矛盾能够在新的条件下达到新的 平衡，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。我们发现影响滚筒式飞剪机最大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态，即在剪切时上下剪刃始终不平行。从前面的分析我们 可以认为，只要设法调整刀片的位置状况，使在整个剪切过程中，刀片位置形态 满足图2 4 所示的状况，则可以有效改变老式滚筒式飞剪的工作状况佗l 。影响滚筒 式飞剪机的剪切精度和剪切质量的主要原因是飞剪机剪刃的剪切角度和上下刀片 之间的侧间隙和重合度，以及剪刃是否能准确的复位到原始位置点。 剪切过程中( 即从刀片开始接触带材到剪断完成) ，上下刀片始终保持剪切刀 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，找到上下滚筒上刀刃的螺旋角，使刀刃在剪切过程中保持上述所 要求的位置形态 根据上述的设计思想，以及第四章参数的选择与计算，反复试算最终得到滚 筒式飞剪机的主要结构参数如下： 1 上剪刃直径：3 1 2 衄 一9 一 沈阳理t 大学硕士论文 2 上剪刃螺旋角： 3 下剪刃直径： 4 下剪刃螺旋角： 5 上下滚筒中心距： 1 2 5 0 2 9 7m m 2 5 0 3 0 0m m 图2 4 上下剪刃各个时态的位置关系 l 一上剪刃；2 f 剪刃 2 3 1 滚筒式飞剪机主要结构简介 滚筒式定尺飞剪机的两个滚筒旋转方向相反，具有良好的平衡特性，因此可 以在剪切速度很高的剪切线上工作。剪切带材时，剪刃的位置不能始终保持平行； 即开始剪切时剪刃相对于带材的位置是倾斜的，仅仅在剪切终结时才能垂直于带 材。这样剪切过程不是纯剪切，还附加有挤压作用，从而导致了水平力，使剪刃 的磨损加快。剪切时剪刃位置的不平行性还影响剪切成品的断面质量，所以滚筒 式飞剪机不适于剪切厚度较大的带材，大多用于剪切薄带材【1 】。 根据滚筒式飞剪机的工作特点，滚筒式飞剪机包括剪切机构、剪刃间隙调整 机构、传动系统、齿轮间隙消除机构等组成，其整体结构设计如图2 5 所示，二维 结构图如图2 6 所示。其中剪切机构、传动系统、齿轮间隙消除机 构、剪刃间隙调整机构是决定滚筒式飞剪机特点的四个主要机构。 图2 5 所示飞剪机整体结构主要有上滚筒、下滚筒、传动侧箱体、操作侧箱体、 横梁，间隙调整机构，线程2 0 4 8 的编码器等部分组成。传动侧箱体主要包括输入 齿轮轴、减速齿轮、同步斜齿轮等组成( 如图2 7 所示) ，操作侧箱体由手动齿轮 第2 章滚筒式e 剪机的研究和结构设计 轴、同步斜齿轮等组成( 如图28 所示) 上滚筒安装有飞剪机的上剪刃，下滚筒安装有飞剪机的下剪刃也称为剪切 机构。间隙调整机构由蜗轮蜗杆加螺旋杆组成( 见第三章) 。 图25 滚筒式e 剪机三维结构刚 1 一传动侧箱体：2 一下滚筒；3 一上滚筒：4 一操作侧箱体： 5 横梁；6 间隙调整机构 工作原理如f ：飞剪机动力由低惯量的直流电动机驱动，直流电动机经联轴器 与传动侧箱体内的输入齿轮轴相连( 减速器的减速比i - 42 1 ) 经减速带动飞剪机 的下刀轴转动，下刀轴经斜齿同步齿轮( 齿数z = 8 4 速比1 ：1 ) 带动上刀轴转 动当上、下剪刃在下端相遇时剪切带村。 上下滚筒轴在剪切带材时同时承受冲击载荷和轴向载荷，目此上、f 滚筒 轴采用双列圆锥滚子轴承并装在左右机架上进行支撑，端部有止推轴承来承受轴 向载荷。机禁采用焊接结构，为增加强度，左右箱体用焊接结构的横粱连接成一 个整体，匕剪机在切割带材时，瞬间冲击力及剪切力比较大为了减小剪切力， 在上f 滚筒内分别装有螺旋角为25 0 的螺旋刀，考虑刀片的强度及耐磨性能，刀片 采用9cr s i 材料，为防止刀片划伤扳材，我们采用上刀片斜角为7 0 。，_ 卜刀片斜 角7 5 0 。 ，攀+， 沈阳理工大学硕士论文 一1 2 1 圃 蓁 零 惯 犍 魅 “ 圃 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 12345 n r_ 王j 。i 雠 黼 黼 l|lf l 姒，觚 飞礴l ，蹦、w ，l ，愚 心 l，l 萋 冀 忆 糕 1 陆固 f 。萨 、 心心：鲻 阕翻孺 ii 。ii 。 。 厶 一上i l 一忒。- j 9876 图2 7 传动侧箱体构成图 l 一输入齿轮轴；2 一下滚筒轴；3 一胀套；4 一减速齿轮；5 一箱体端盖； 6 一从动齿轮( 主副齿轮) ；7 一下滚筒轴；8 一主动齿轮；9 一机架 123 图2 8 操作侧箱体构成图 l 一机架；2 一下滚筒；3 一上滚筒；4 一端盖；5 一胀套；6 一从动齿轮；7 一胀套； 8 一主动齿轮；9 一手动齿轮轴 上、下滚筒轴和齿轮之间的连接采用胀套进行连接，用胀套进行连接有几个 好处： 1 使用胀套可以使滚筒轴连接端制造和安装简便。安装胀套的轴的加工不象 过盈那样要求高精度的制造公差。用胀套进行安装时无需进行加热、冷却设备， 只需将胀套上的螺栓拧紧即可，调整方便。 一1 3 一 沈阳理工大学硕上论文 2 胀套在超载时，将失去联动作用，起到保护设备不受损坏。 3 拆卸方便，具有良好的互换性。由于胀套能将配合间隙较大的轮毂结合起 来，拆卸时将螺栓松开，就可将联接件容易拆开。 4 固定性好，提高强度。齿轮和轴的连接是靠摩擦传动，无需在轴上开键槽， 提高了轴的强度，无相对运动，工作中不会产生磨损。编码器的目的是为了检测 剪刃的位置。传动侧箱体，操作侧箱体，横梁采用焊接结构，机架采用q 2 3 5 材料， 并进行锻后热处理，焊接进行探伤检查。 2 3 2 消除传动齿轮齿间隙的研究 滚筒式飞剪机工作时经常处于启动制动状态，且剪切是在脉动冲击载荷下进 行，同时在剪切运动中为保证轧件剪切质量，上下两剪刃的侧间隙要求保持稳定 不变，并同步参与剪切。因此为了减少齿轮传动中的机械冲击与系统震动，提高 传动平稳性和剪切精度，同时为了改善传动零部件的恶劣工作情况条件，提高其 使用寿命，要求飞剪机的剪切传动系统，特别是同步齿轮传动应该是在无侧隙传 动或在零侧隙情况下传动【l 。 实现零隙传动的方法可从两方面来考虑：一是提高同步齿轮的加工精度，使 其传动侧间隙减小，几乎等于零；二是在飞剪机的剪切机构的传动上设计齿轮侧 间隙消除机构，以减少剪切时同步齿轮产生的振动。本文从这两方面入手，来消 除齿轮的侧间隙，提高传动精度和剪切精度。 1 提高传动齿轮的制造精度，特别是对高速高精度飞剪机的传动齿轮，通常 采用硬齿面传动，齿轮渗碳淬火后磨齿，使之达到6 级以上的齿轮传动精度，以 保证齿轮传动近乎于零侧隙传动，同时齿轮经渗碳、淬火后具有较高的硬度和耐 磨性，可以有很长时间的使用寿命。飞剪机所用齿轮都要求采用硬面齿轮，齿轮 渗碳淬火后齿面硬度要达到h r c 5 5 左右，磨齿后齿轮表面精度要达到6 级以上， 以减少磨损，另外齿轮啮合的中心距公差要求严格，要有良好的润滑条件才能保 证剪刃间隙。 2 为了保证飞剪在无齿间隙情况下工作，避免产生较大的冲击载荷，在上、 下滚筒轴上采用同步传动齿轮传动。为消除齿向间隙及减少磨损，从动轴上的同 步传动齿轮做成主副齿轮机构。 根据上述思想，主副齿轮三维图设计如图2 9 所示，为了保证剪刃侧间隙的稳 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 定，减小齿轮的齿间冲击，将上滚筒轴的从动斜齿轮设计成由主齿轮和副齿轮构 成的组合齿轮结构，在板弹簧的作用下，副齿轮始终超前主齿轮一个微小的角度， 这就保证了上下滚筒的同步齿轮在无侧向问隙下工作。主齿轮由四个宽缺口，副 齿轮有四个圆柱孔，主齿轮与副齿轮通过四个圆柱销( 如图21 1 ) 、齿轮端盖、 四对板弹簧、四个半圆柱和8 个m 1 0 的内六角螺钉把合在一起，通过主齿轮孔内的 一对板弹簧( 如图2 1 2 ) 对半圆柱3 施加的弹性力，来达到同步斜齿轮在无齿向侧 间隙酌情况下工作。为了更直观了解主副齿轮，其结构见图2l o 。 闰21 0 主副齿轮_ _ = 维结丰勾图 l 一主齿轮；2 一板弹簧：3 一半圆柱：4 一圆柱硝：5 一盖板 6 一螺拴：7 弹簧垫圈；8 一副齿轮齿 沈m 理i 学硕l 论女 一产 i 曰21 1 圆柱销幽2 1 2 板弹簧 23 3 齿轮和剪刃间的关系 主副齿轮与剪刃的关系可概括为如图21 3 所示，特点是沿带钢前进的方向， 上剪刃在前，卜剪刃在后，借带钢自重和带钢的运输装置使带钢与剪刀脱玎，从 而防止带钢缠刀事故：在剪切过程中，剪切力阻碍被动齿轮旋转，侧向推力则推 动被动齿轮旋转，当剪切角较小时侧向推力产生的力矩大于剪切力产生的力矩， 被动齿轮可能超越主动齿轮，使剪刃间隙变大，但是在主、副齿轮组合机构的作 用下保待剪刃间隙不变。这表明主、副齿轮间的板弹簧有两个作用：( 1 ) 克服侧 向推力产生的力矩使剪刃侧隙恒定： ( 2 ) 消除齿轮间冲击【l l 。 图21 3 同步齿轮主副齿轮啮台削 1 一从动轴的主齿轮2 从动轴的副齿轮3 一主动轴齿轮 2 3 4 剪切机构 滚筒式飞剪机的剪切机构由装着刀片的两个相对转动的滚筒组成。在每个滚 筒上装有一把斜刀片，上刀片斜角为7 0 。，下刀片斜角为7 5 0 。刀片用螺拴和楔型 块固定在滚筒 ：，在不剪切时，月片停在垂直位置e ，两个刀片的位置相差1 8 0 0 。 当轧仲需要剪切时，飞剪机启动使t 下刀片旋转1 8 0 0 经加速到板材的线速度时进 行剪切，剪切完成经减速到原来的位置，剪切过程结束。 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 炀裂 图21 4 上滚筒剪刃装配幽 1 一上滚筒轴：2 一楔块：3 一内六角螺钉；4 一弹性垫圈；5 一上剪刃；6 一推杆； 7 一偏心轮：8 一内 角螺钉：9 一弹性垫圈 上剪刃装配图如图21 4 所示。当更换剪刃5 ( 见图21 5 ) 时，松开内六角螺钉 3 和螺钉8 调整偏心轮7 ，取出剪刃5 ，换上新剪刃，再拧紧内六角螺钉3 使楔形块 压紧剪刃，慢慢调整偏心轮7 观察剪刃在螺旋方向上是否有弯曲，有弯曲继续调 整偏心轮7 ( 如图2 1 6 所示) ，偏心轮7 转动推动推杆6 ( 如图21 7 所示) 运动，推 杆6 给剪刃以压力，增加剪刃强度，调节剪刃的变形直至无弯曲变形为止，调整完 毕。 圈21 5 上剪刃削面嘲图21 6 偏心轮三维圈 幽2 1 7 摧杆 沈阳理工大学硕士论文 滚筒式飞剪机的下滚筒有下滚筒轴、下剪刃( 图2 1 8 ) 、契块、螺钉组成见 图2 1 9 所示。 錾 2 l ，。岛辜 d t - 。 1x 4 f i 。 1 0 1 - & 1 图2 1 8 下剪刃剖面图 1 234 5 图2 1 9 下剪刃装配图 1 一下滚筒轴；2 一下剪刃；3 一契块； 4 一内六角螺钉；5 一弹性垫圈 2 3 5 传动系统 传动系统是把电动机的动力和运动传递给执行机构的中间装置。传动系统主 要有以下几种功能： 1 减速、增速或变速； 2 改变运动规律和形式。把动力机输出的均匀旋转运动转变为按某种规律 变化的旋转或非旋转、连续或间歇的运动、或改变运动方向； 3 传递动力。把动力机输出的动力传递给执行机构，供给执行机构系统完成 预定任务所需的力或力矩1 7 1 。 飞剪机的传动系统设计如图2 2 0 所示。 第2 章滚筒式飞剪机的研究和结构设计 图22 0e 剪机传动系统三维图 传动系统的传动工作过程如图2 2 l 所示。电动机i 经过一连轴器2 与飞剪机的 输入齿轮轴3 直接相联，输入齿轮轴3 和减速齿轮6 啮合( 输入齿轮轴3 和大齿轮6 c t 副齿结构) 啮合构成一级减速器) 将动力传到下滚筒轴，f 滚筒转动带动同步斜 齿轮4 转动，斜齿轮4 和同步斜齿轮5 啮合带动同步斜齿轮5 转动，同步斜齿轮5 转 动带动上滚筒旋转。 闰2 2 1e 剪机的传动系统苘图 i 一直流电动机：2 一连轴器；3 一输入齿轮轴：4 一f 滚筒同步斜齿轮； 5 一上滚筒同步斜齿轮：6 一减速齿轮 为消除传动间隙，减少齿轮的磨损，被动齿轮一律采用主副齿轮传动印大 齿轮6 为主副齿结构、上滚筒同步斜齿轮5 采用主副齿结构。 24 本章小结 ( 1 ) 对钢板定长剪切系统的各个部分功能和用途做了简单的介绍。 沈阳理工大学硕士论文 ( 2 ) 对本文所研究设计的飞剪机的工作原理进行了介绍和分析，绘制工作剪 切示意图和电机控制曲线图，并给出了飞剪机的性能指标。 ( 3 ) 进行飞剪机的整体结构设计，绘制了飞剪机的整体装配图，对分剪机的 剪切系统、传动系统进行分析和设计， ( 4 ) 通过p r o e 三维设计软件进行飞剪机的三维建模，构建了所有零件的三 维模型，然后装配为整机，为以后的运动分析作好准备。 第3 章剪刃间隙调整机构的研究 第3 章剪刃间隙调整机构的研究 3 1 间隙调整结构的研究 剪刃间隙的大小直接影响到剪切力和剪切质量，剪刃间隙过大，则不能剪断 板材，根据被剪轧件断面的厚度不同，要求的剪刃间隙也不同，在剪切不同板厚 的板材时，剪刃的间隙是变化的。 剪刃侧间隙是正常剪切的保证。换刃和换剪切不同厚度的带材时，侧间隙可 能发生变化；剪刃侧间隙调整直接影响着剪切质量，剪刃侧间隙调整不当可能剪 不断，造成毛边，所以剪刃侧隙调整机构在整个滚筒式飞剪机中是很重要的一个 部分。 当更换剪刃之后以及特殊情况下，不知道上下剪刃的侧间隙有多大时，剪刃 间隙均需要调整。在操作之前，首先应掌握及了解剪刃调整原理以及外部条件是否 具备。滚筒式飞剪机的剪刃是安装在上下滚筒之上的两个螺旋刀片，当一个滚筒 相对于另一个滚筒旋转一定的角度时，上下螺旋剪刃的侧间隙就发生了改变，从 而来进行调节上下剪刃的侧间隙。 以现在使用的滚筒式飞剪机间隙调整机构( 如图3 1 ) 来进行分析。 图3 1 刀片侧间隙调整装置 1 一中间套筒；2 一滚筒轴承压盖；3 一轴承套：4 一外套筒；5 调整杆插孔； 6 一端盖；7 一键；8 一锁紧螺钉；9 一垫圈：1 0 一键；1 1 一端盖 一2 l 一 沈阳理工大学硕士论文 图3 1 表示了刀片侧间隙调整装置，这是下滚筒非传动端( 操作侧) 端部放大 图。止推轴承内座圈通过端盖6 与轴套固定在滚筒轴承压盖2 的端部，止推轴承外 座圈则安装在带螺杆的轴承套3 内，并通过端盖1 1 和螺栓固定。带螺杆的轴承套3 安装在带外螺纹的中间套筒l 内，中间套筒l 的外螺纹与外套筒4 的内螺纹相啮合。 而外套筒4 则套装在轴承套3 的螺杆上，并用螺母将其固定。为了消除外套筒4 与中 间套筒1 之间的螺纹问隙，在外套筒4 端面装有四个锁紧螺钉8 。 由于上下滚筒通过斜齿同步齿轮传动，当一个斜齿轮作轴向移动时，与其相 啮合的另一斜齿轮必然作相应的角位移，使一个滚筒相对另一个滚筒旋转一个角 度，从而改变上下刀片之间的侧间隙。显然，在调整刀片侧间隙时，要先松开锁 紧螺钉8 ，再转动外套筒4 。由于中间套筒1 固定在轴承座上，外套筒4 就相对中间 套筒1 作轴向移动，并通过轴承套3 、端盖1 1 和滚筒轴承压盖2 带动滚筒及径向滚动 轴承内座圈一起作轴向移动，实现刀片侧间隙调整。 从以上的分析中来看，原有的间隙调整机构是通过人工手动调节，调节一次 测量一次且调节误差比较大、费时。在操作侧只能实行单向调节，这就透露出原 有间隙调整机构的弊端。 在剪刃间隙调整的原理基础上即剪刃是在水平方向上通过圆轴进行调节，设 计的基础就是将旋转运动变成直线运动，同时进行能量和力的传递，调节上滚筒 轴使其沿轴向移动，当上滚筒上的斜齿轮作轴向移动时，与其相啮合的下滚筒上 的斜齿轮必然作相应的角位移，使下滚筒相对上滚筒旋转一个角度，达到调整上 下剪刃的相互位置。根据上述思想设计出剪刃侧隙调整装置结构简图如图3 2 所 示。 、 当位置编码器检测出上下剪刃之间的间隙值时，反馈给控制器，控制器将检 测的值与设定的值相比较，不一致时，控制器向剪刃间隙调整电动机发出脉冲， 调整电动机动作，带动蜗杆l 转动，蜗杆l 带动蜗轮2 旋转。与蜗轮2 内部相连接的 是螺杆3 ，蜗轮2 旋转带动螺杆3 作直线运动。螺杆3 与连接座4 相连，螺杆3 在轴向 上移动，推动或拉动连接座4 在轴向上移动。因为连接座4 通过螺栓连接到飞剪机 上滚筒轴承座上，所以连接座4 的移动必然带动飞剪机上滚筒作轴向移动，由于上、 下滚筒的传动是通过斜齿同步齿轮传动，上滚筒在轴向上移动，上滚筒上的斜齿 轮给下滚筒上的斜齿轮一推力，推动下滚筒转动，从而达到调节上下剪刃侧间隙 第3 章剪刃间隙调整机构的研究 的目的。 由于螺杆在轴向上作直线移动带动上滚筒轴作轴向移动，螺杆主要承受拉应 力或压应力，蜗轮主要承受轴向力和压力，所以蜗轮的固定采用推力球轴承和角 接触轴承来承受轴向力。 1 图3 2 剪刃间隙调整机构简图 l 一蜗杆；2 一蜗轮；3 一螺杆；4 一连接座；5 一胀套； 6 一剖分式螺母；7 一推力球轴承和角接触轴承 3 2 间隙调整机构螺旋参数设计和校核 3 2 1 参数的选择与计算 1 材料的选择和许用应力计算 所设计的滑动螺旋传动的主要零件是螺杆、螺母( 蜗轮) ，螺杆的材料应有 足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性，要求耐磨性好，需要做淬火处理。螺 杆材料选用淬火钢；螺母材料的选用也要以耐磨和传动精度为主，可用于高精度 的传导螺旋以及耐磨材料，可选锡青铜( z c u s n l o p b l ) ( 本章查表都是查自参考文献 1 3 机械设计手册中的表) 计算螺杆的许用应力以：由表1 1 1 1 0 可得 艿p ：旦( 3 - - 1 ) 3 5 式中万p 一材料的许用应力，n m m 2 ； 正一材料的屈服极限，n m m 2 。 查表1 l 一1 1 0 可得：最= 3 6 0n m m 2 一 沈阳理工大学硕士论文 二二_ 一一一 讳= 1 2 0 7 2 n m m 2 ，低速取睇= 1 0 0 m m 2 ； = 4 0 6 0n m m 2 ，取中间值o b p = 5 0n m m 2 ： o = 3 0 4 0n m m 2 ，取中间值f p = 3 5 ，肌埘2 。 其中 仃 一螺母的许用弯曲应力，n m m 2 ； f ，一螺母的许用剪应力，n m m 2 。 螺旋调整机构属于低速运转，查表- - 1 - - 9 得 昂= 1 0 1 3n m m 2 ，取p p = 1 0n m m 2 耳一螺纹副的许用压强，n l m m 2 。 2 按耐磨性计算螺纹中径 按1 5 倍拉应力来计算： 由表1 1 _ l _ 4 中从式( 1 ) 肌- 1 7 咖瞄去 ( 3 - 2 ) 小o s 岳- o 8 藤一s o 硼 式中 f 一轴向载荷即螺杆所受的拉力或推力，n ； b 一螺纹副的许用压强，n m m ： 为保证足够的强度要求i 白g b t 5 7 9 6 3 - 1 9 8 6 可选： 螺杆的公称直径：d ：3 6 螺距：p = 6 螺杆、螺母的中径：d ：= d 2 = 3 3 螺母的大径：d 4 = 2 7 螺杆的小径：d ，= 2 9 螺母的小径：d i = 3 0 螺母高度h ： 日= 彬2( 3 3 ) = 1 7 3 3 = 5 6 1取h = 5 7 咖 则螺纹旋合圈数片：捍= i h ( 3 4 ) ：_ 5 7 ：9 5取一：1 0 第3 章剪刃间隙调整机构的研究 3 2 2 强度验算与校核 1 自锁性验算 因为螺旋螺纹为单头螺纹，螺纹导程p = 6 故螺纹升角兄为： 五：a r c 蚀上( 3 5 ) f t d 2 ：a r c t 趾j l = 3 0 1 8 5 0 一 s 一导程，衄。 查表l l l 一7 可得淬火钢对青铜的摩擦系数：f = 0 0 6 o 0 8 取中间值f = 0 0 7 螺杆螺母的摩擦当量角p 为： 小a r c t a n 与 ( 3 - 6 ) c o s 一 2 0 0 70 0 7 2 黜切n 丽2 粼忑西 c