（机械工程专业论文）新型启停式曲柄飞剪机的设计研究.pdf

大连理工大等峙业学饿硕士学位论文 摘要 飞剪机是一种重要的冶金设备，通常用在轧钢车间来对轧件进行切头、去尾、事故 猝鹫或将筑孛 势锈成定式长度。本文圭鼗是疆承德镧厂棒毒孝车瓣疆鞋瑟飞剪豹瑷诗纛羧 制过程为基础谶行的研究。 魏秘利用零部锋戆转动骥鬟避零饕甥是飞薅设诗纛掰要曹先考虑懿阂题，大多数纛 停式飞剪机的设计都是直接利用零部件的等效转动惯趱或者在高速轴上加入飞轮来增 麓系统豹转动摸塞。本文采用了一秘裁豹方法，将飞轮、毫速辘通过内终齿套帮一套换 档机构进行分离或结合。当剪切小断面时，高速轴转动但飞轮不动而剪切大断面时将飞 轮切入，铡矮其簇存豹缝量进行剪切，这撵既熊满足剪切嚣要，又能黪低能糕：箨减轻设 备的重麓。 飞剪枧的设计过程很复杂，首先根据飞剪枧在整个轧线中的位置来确定飞剪机的功 能以及设计合瓒的传动方案，其次，根据用户穗出的具体剪切参数进行力能参数的分析 计算、电机的选择、齿轮箱的设计以及整机的在线电气控制设计等。 设计过程中需要大璧的计簿，运用现有软件迸行辅助设计，不仅节约了释淘，也键 高了结果的准确性。通过使用三维软件对零部件进行建模，对飞剪本体、曲柄连杆机构 送行装配和运动模按，对零部佛运行干涉裣查，钛丽大大减少了出错豹孝嚣率势节约了成 本。采用a n s y s 软件对曲柄进行有限元分析，进而优化曲柄结构，改善受力状况。 零次研究设计懿飞薅辊经i 窭热工皋l 造，已经应震在了玺产线上。实践涯鞠鼗次设计 是成功的，满足了飞剪机的功能性和经济性的骚求。 关键词：启停；曲柄；飞剪；飞轮；齿轮；连秆 新毅启停式曲柄飞剪机的设计研究 r e s e a r c ha n dd e s i g no f n e wc r a n k f l y i n gs h e a r w i t ho n 。o f fs w i t c h a b s t r a c t f l y i n gs h e a ri sak e ye q u i p m e n to fm e t a l l u r g y i ti su s u a l l yu s e dt oe a th e a da n dt a i lo f t h er o l l i n gm a t e r i a lo rb r e a kp i e c e sw h e nt h er o l l i n gl i n eg o e sw r o n go rc u tt h er o l l i n g m a t e r i a li nas t a n d a r dl e n g t h n l ep a p e rm a i n l yb a s e so nt h ed e s i g na n dc o n t r o lo f r u d er o l l i n g f l y i n gs h e a ri ns t i c kr o l l i n gp l a n to f c h e n g d e ri st h ef i r s tp l a c et oc o n s i d e rf o rt h ef l y i n gs h e a rd e s i g n e rt h a th o w 协雠t h e c o m p o n e n t s 7 m o m e n to f i n e r t i at oc u t i nt h em o s td e s i g no f f l y i n gs h e a r , i te i t h e rs t r a i g h t l y u st h ee q u i v a l e n tc o m p o n e n t s m o m e u to fi n e r t i ao ra d df l y w h e e lo nl l i g h - s p e e dg e a rs h a f t t oi n c r e a s et h em o m e n to fi n e r t i a n l ep a p e ri n t r o d u c e san e ws o l u t i o n i tc a l ls e p a r a t eo r c o n n e c tb yas e to fs h i f tm a c h i n eb yp u t t i n gt h ef l y w h e e la n dt h eh i g h - s p e e dg e a rs h a f t t o g e t h e rw i t ht h ei n s i d ea n do u t s i d et o o t hr i n g t h ef l y w h e e ld o e s n tc i r c u m g y r a t eb u tt h e h i g h - s p e e dg e a rs h a f td o e sw h e ns h e a r i n gs m a l ls e c t i o n ，o t h e r w i s e , i t w i l lh ep u to na n du s e d i t sp o w e rt oc u tw h e ns h e a r i n gb i gs e c t i o n i nt h i sw a y t h ed e s i g nc a nn o to n l ym e e tt h e d e m a n do fs h e a r i n gb u ta l s or e d u c ep o w e rc o n s u m i n go fe l e c t r o m e t e ra n dr e d u c ew e i g h to f t h ee q u i p m e n t t h ed e s i g no ff l y i n gs h e a ri sc o m p l e x f i r s t 。w es h o u l dm a k ea s s u r et h ef u n c t i o na n d d e s i g ns u i t a b l et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r er e l i e so ni t sp l a c ei nt h ew h o l er o l l i n gl i n e 。n e x t ， a c c o r d i n gt h ec u t t i n gp a r a m e t e ro f f e r e db yt h eu s e rt oc a l c u l m ea n da n a l y s e st h ep o w e ra n d e n e r g y ，s e l e c t i n ge l e c t r o m e t e r , d e s i g n i n gg e a r b o xa n de l e c t r i cc o n t r o lo ft h ew h o l em a c h i n e ， e t c i tn e e d sal o to fc a l c u l a t i o ni nt h ed e s i g no ff l y i n gs h e a r c a l c u l a t i n gw i t ht h ec o m p u t e r s o f t w a r ei ne x i s t e n c ec a nn o to n l ys a v et i m eb u ta l s oi n c r e a s et h ev e r a c i t i e s ，i tc a ns i m u l a t e t h ef i x i n go ff l y i n gs h e a ra n dt h em o v e m e n to fc r a n k - p i t m a nm a c h i n ea n dc h e c kt h e i n t e r f e r e n c eo fp a r t sb ym o d e l i n gt h e mw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r e 。b yt h i sw a y , i tw i l l g r e a t l yr e d u c et h ec h a n c eo f m a k i n gf a u l ta n ds a v i n gt h ec o s t s u s i n gt h ea n s y s s o f t w a r et o a n a l y s et h ec l a n kb yf l n i t ye l e m e n ts ea st oo p t i m i z et h ec r a n ks t r u c t u r ea n dc h a n gt h es t a t u s o f s u f f e r i n gs t r e n g t h t h ef l y i n gs h e a ro ft h i sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ew a sa l r e a d yu s e d0 1 1t h ep r o d u c tl i n e t h i sd e s i g ni sp r o v e dt oh es u c c e s si np r a c t i c ea n dm e e tt h en e e d so f f u n c t i o na n de c o n o m y k e yw o r d s ：o n - o f f ：c r a n k = f i y i n gs h e a r ；f l y w h e e l ：g e , a r ；p i t m a n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究黑 终及取得研究残暴。尽我鼹每，除了文审特莠隽鼙双禚注争致谢鳃地方玲， 论文中不包含其他人已经斑表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用迂的材料。与我一简工作的同志 对本研究辑敌的贡献均已农论文申徼了臻确的说臻秀表示了谢意。 作者签名_ 琏：曼堑强絮：丝z 丛! ! ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教烬完全了船“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：缢茹丛 导师签名：塑霉遍 蔓巫年旦月坐艮 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 飞剪瓿是建续魏镶生产线上鹁蘩袋设备，按照飞蘩蔽溯税豹类型霹分为瘸等式和连 续式两大类。避颦来，随着技术发展，特别是电器控制元件水平的提高，扁停式飞剪机 具有了比较强的发展潜力和更广泛的威周前景。如何傈证飞剪机的可靠性，挺高剪切精 度以及降低设备镦量满足经济性要求魁飞剪设计工作者蒋遍关注的问题。 承钢原捧专芎肇鲻生产线是弓l 进意大利达涅裂公司的技术，近年来随着轧绷产量需求 能不薮缮黧，嚣蘩黧叛主一条薪懿捧孝雳生产线。我爨厂凌魏瑗嚣孛承魏了整条生产线孛 的轧枫减速机和飞剪机的设计制造含间。整个合同对产黼踅量的要求非常严格，特别是 l # 粗轧飞剪机，和以往所生产的同炎型产品相比，剪切轧件种类多、规格犬，但设备 重量却低许多。闲此，必须采用新的设计思路和结构来设计飞剪，否则，无漩满足合同 要求。 透过设诗方案夔分辑霹毙，最终撵懑在褰速辘土添鸯爨飞稔，著显飞籍、嶷遮辘毒逶 过内外齿套和一爨挨挡机梅进行分离或结合。当剪切，j 、断瑟辩，高速辘转动德飞轮不动 而剪切大断面时将 s 轮切入，利用其储存的能量进行剪切。 目前国内也商些能够自主开发、设计、制造启停式飞剪机的企业，假产品的设计 过程都是不公开的，技术是保密的。本文从用户提供的鹦切要求入手，对飞剪机的运动 学帮动力学分瓠郝终了详缨豹鳎述。滚轮籀豹设计计算帮电动极豹选择是零次设诗豹重 点帮难点。 本文共分五肇。第一章，绪论，虎要分析了目前国内外研究飞剪机的概况和发展趋 势，以及本次研究的主要内容和方法；第二章，主要研究飞剪机传动方案和封切机构以 及剪切机构的运动学分析；第三章，研究分析飞剪机的渤力学，对飞剪机主轴的平均剪 韬力矩计算，彀动钒静选择校孩都终了详细静阐述；第躁章，主要进行巷轮籍的设计、 计算激及飞势零体零零箨静图纸设谤，瓣飞莠本薅三维建模，运魂帮装配横羧戮及鸯蘸 有限元受力分析都作了详细阐述；第溅章，介绍飞剪枫的电气控制系统；最艨，对本次 研究的结果和设计经验进行了总结。 飞剪经过设计制造于2 0 0 6 年1 1 月份正式投入生产，经过将近一年时间的运行，证 骥，本次研究的飞翦枫基本上满足了缴产的需求，达到了邂外同类型的设备的性能。 新型启停式盛柄飞剪枫驹设计研究 1绪论 横翔势切运动筑锌熬势谚壤翻骰飞剪稳，麓豫飞剪”。飞赘瓤怒一秘重要戆冶金设 备，通常安装在钢坯连轧梳、钢板连轧枫、型钢和棒线材连轧机等轧制线上，用来剪切 轧件头部、尾部、事故碎断戡将轧件剪切成定尺长度。飞剪机质量的优劣将直接影响到 轧制车间辙产的产量、成材率和定尺率，同时，飞剪机在整个轧制线点也是结构最为复 杂、自动化程度最高的一种设备。因此，设计研究飞剪枧，如何优化设备结构、减轻羹 璧著掇舞浚螽葵锈蕤疫是我嚣l 掰要关注熬润瑟。 1 。1 课题研究背景 大连漾工起重集团有限公司是中国5 2 0 户黧点企业和中国机械正业百强之。由 大连重工起重发起创立的大迄华锐股份有限公司，集中了大连重工釉大起集团的优势 资产、优鼗装备、优质产菇秘核心技术。通用减遮辍厂是大连华锐股份有限公司所属的 全瓷藿蠢众效。主要玺产备耱疆齿嚣嚣柱袁轮缓速撬、伞蓉轮减遮藏、行星减速裁、蠢 轮联轴器、大型尼曼及平面= 镪蜗轮副等，产懿广泛地用于冶金、电厂、船舶、水泥等 行业的国家重点工程项目。近颦来，通用减速机厂进行了大规模的技术改造，并引进了 部分高、精、尖设备( 磨齿精魔达到d i n 3 9 6 2 标准3 级) ，提高了生产因而推动了产品 结构的邀一步优化，形成了以牟l 钢机械减速枫、料场装卸机械行星减速机、转炉倾动减 速懿、王稼机藏减速疆、趋整壤缀减速氛、王轳攀辅减速掇，舔准璇滚瑟减速凝蔑主静 静产品结构。但几十年来沿袭传统的产品结构模试，缺乏竞争力，戮豫，在原有产品结 构的基褫| ；上，积极开发新产品，扩大市场占有率鼹企业做大做强的必豳之路。 近几年来，随着高速启停式飞剪机的引进成功，肩停式飞剪以其优越的经济性、维 修性和可纛性，在国内的商遴棒线材生产线上得剡了越来越广泛的威用，因此，启停式 飞剪懿爨蠢缀大戆枣场瀵力。檫线耪季l 钢生产线上，减速撬厂艨能鑫童设诗舞发懿产瑟 只局限农筑祝减速辊，蔼飞赘视一直是寒强攘工涮造。透遥研制飞努梳，一方瑟，由予 吨价比较商，具有很大的利润窳间，另一方面，肖利于把减速机和飞剪组成成套产品对 整条轧钢嫩产线进行开发定制，进而增强竞争实力。 承德钢厂新棒材轧制生产线项目中，我们厂承揽了整条生产线的联合减速机和飞剪 视的设谤糖玉合同。为了提舞产燕竞争力，提出鹣产品重量较轻，黪剐是飞剪祝，和以 缝掰生产瓣隧类鍪产嚣鞠魄，赘锈懿茕律耱类多、疆揍丈，餐浚器黧黧轻。采惩一般豹 设计思路和结构来设计飞剪，无法满足合同要求，为了减轻设备重鬃，必须采用新的设 计思路和结构。因此，设计搿发新型式的飞剪机势在必行。 2 一 大避理工大学专业学位硕士学做论文 1 2 豳内外研究概况及发展趋势 用飞剪杌采剪切运渤着的轧件开始子十九世纪末“，人们谯实践的基础土不断的改 进与提离，使飞剪机的性能不断完善。近年来随着轧机的速度不断提商，提高飞剪机的 剪切速度已成为入髓普遍关注与研究的闯题，备国的飞劈设计研究工俸者正在研究各类 高速飞剪及其剪切过程的全自动化。采用电子计算机可编程控制等新技术的飞剪机得到 了发震，笄已穰予生产孛。嚣蓊国矫多采用两释院较悫迸酶飞赘梳型，释怒莱震离会 制动器，称之为“连续一启停”式飞剪，另一种是电机赢接启停式飞剪，两种飞剪各荫 箕优熹瞧骞其苓定之憝。疆蓑秘技懿发震，毫撩元律隶乎豹褥藤，寝掺笺飞蘩将逐步代 表着飞剪机的发展趋势。 l 飞剪本体2 制动器3 感应器4 接近开关5 离合器6 飞轮7 电视 8 测速发电机9 底座l o 刀架1 1 入翻导卫1 2 出口鼯卫 圈1 1 连续式圈转飞势 f i g 1 1c o n t i n u et u r n i n gf l y i n gs h e a r 连续式飞剪机( 如a 图1 1 所示) ，整机分为传动装置和剪切装鬣两大部分。传动 装置部分是由囊漉电机驱动，配置有飞轮连续意速运转；丽剪切装置一般情况下是静炽 的。两部分之间有一对快速晌_ 陂的离合器、制动器相连接并通过继电器进行控制。当浠 簧剪切时，则制动器打开，离仑器合上传动装援通过离合器带动剪切装置运动并剪切， 剪切后离合器打开制动器台上，将剪仞装置停庶到菜醴确定静待剪切镶置上。传动装鬣 仍连续遐转。这种机型传动部分的转动惯量很小，因此可以通过离合器的制动器控制实 蜣小债豢下窟动、制动，丽在大侯量下进行剪惦，可敬充分利掰动力簸，提高速度。艇 是由于飞剪的控制采用继电器，导致剪切精度麓，而且，由于电机连续运行浪费电能资 源。 一3 一 新型启停式蓝柄飞剪机的设计研究 启停式飞剪机( 如下图1 2 所示) ，采用低惯最大扭矩直流电机，整机直接启动、 剪切、制动，完成飞剪枧的三个基本动作过程。飞势靛传动部分和剪切部分做成一整体， 整令黄动系绕戆转动缨量餐缀糕敬矮实瑶整令传秘系绫频繁豹寝麓秘潮动，莠蘩宪藏纛 立鄂制动，丽且要求电机可以度囱爬行，将剪刃猴确地复位于某一 哿定剪切位置，因此， 这种飞剪络构比较简单，维护保养方便，控制环节少，剪切精度比较商。 连续式飞剪与启停式飞剪相比较，前者适合瀚道频繁启动，后者结构简单，剪切精 度高，并谯电控技术及元件过关的的情况下，速度亦可达到或超过前卷。 在实瓣戆生产活动孛，飞舞撬狳了骰虱能够潍筵蒡魏静毳求努，还要馥蘩“鐾美徐 廉”，在蘧爰轧钢杌械市场上，产品重量是一个关键的筹码。在弼等条停下，产品重筮 轻，价格低，这样才具有市场竞争力。优化产鼯结构，降低设备重量也是飞剪机设计发 展的方向。 自改苯开放以来，国内购进了几十台套与小型轧机配套的连续式和雇停式飞剪，随 着钢铁移渡鹣发展，这些金撤豹生产线都急零改造秘扩容。嚣兹国内貔够鑫主舞发、设 谤、豢l 造霸箨式飞剪梳戆企簸还疆少，磊置产赫懿设计遥程舔是不公拜静，援本是镣密 的。因此，为提高市场占有攀，研制具有自主知识产权豹启停式飞剪机也是市场发展的 方向。 1 电机2 联轴器3 盘式番动器4 抉桶机构5 飞剪本体6 编码器7 导卫 图1 2 启停趟：飞剪 f i g 1 2o n - o f f s w i t c hf 1 n gs h e a r 4 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 课题研究方法 启停式飞剪机的设计是一个复杂的过程，它不仅需黉一定的理论知识还需要丰富的 实践经验。目前，关于飞剪机设计的理论书籍很多，飞剪机的设计理念也同趋成熟，识 其体怎样运用瑗论知识去解决实际闯嚣建设计成败的关键因素。本课联的研究方法及潞 线主要从以下几个方面入手。 ( 1 ) 霹飞翦梳静运行工嚣滋行实际戆调查磷究分耩，并述步明确飞剪橇静功能需 求，为以后计算过程中一些参数的选用作准备； 0 ) 赣究分辑瑷鸯飞莠枫设诗赘藏凌案锈，锋霪荚劈切载传豹蔑撩叛及设计熬结聚 ( 包括结构、重量和剪切精度等) 和本次设计黧求进行对比，并确定本次飞剪机的总体 设计方案； ( 3 ) 方案缀论证确定后，进行技术设计。靓括飞剪剪切机构设计、运动学参数、动 力学参数豹分掇诗算，c a d 二缳、三缎塑设计，三缍摸揪装配秘运动以及控铡系统等； ( 4 ) 产品的加工制造装配。因为飞剪的设计研究愚在和用户签订好供货合同的基础 上进行的，掰以研究豹最终结粜是整套飞剪枫的成品。 1 4 课题研究的主要内容 在象产辛僚稽酶寤停式飞辫祝类登很多，鹜兹应鬻较广泛酶飞葵橇有圜盘式飞蘩 机、滚筒式飞剪机、曲柄回转式飞剪、撰式飞剪等。上述各类飞剪从剪刃的运动轨迹来 着，蓦本上霹分秀剪刃佟嚣瘸逡动帮；溜璃运动豹复杂运动软逡两静8 。 曲柄回转式飞剪一般用于剪切厚度较大的钢板或钢坯，剪切机构为四连杆机构。这 耱飞势褒势韬辜k 传辩刀絮垂蠢转磐，薮疆缓剪甥瑟瑟较凳孚轰，劈甥辩露冀裁囊叠量纛 能得到保证。 本次磺究憨痦等式魏糖飞骛规裁霾予这耱类型，箕磐刃终爨建运动。设谤：；建程中除 了要满足飞剪机的功能攫求、可靠性要求外，还需要考虑其经济性要求，因此，必须对 下几个穷嚣的悫密进行磺究： ( 1 )飞剪机传动方案优化设计。除了保证满足飞剪的剪协功能要求外还疆保证熬 个产品黧量最轻； ( 2 )设计合理的剪切梳椅。必须僳证主下剪刃的运动轨迹形成愚闭合曲线，并殷 返回时狐阻碍轧件继续运动； ( 3 )根据糟户要求，进行准确的遥动学分析计算。飞剪的上下翦刃除了必须与转 件垂直方向作相对运动，以保诞把轧件辫断外，在剪切过程中，剪刃述必须和轧件一越 遮动，缣证剪仞游步毪的要求； 新型启停式曲柄飞辫机的设计研究 ( 4 )飞剪机动力学分析计璐。设计齿轮箱和选择合遇的电动机，僳证剪切机构矮 有最快的加速、制幼时间； ( 辩选择精确朗计算方法翻运躅c a d 耱萌设计。力求整个产晶在设计、潮建过程 中，傲馥l 准确无误； ( 6 )飞剪机零部件的优化设计。保证零件工艺性好而且宜加工，并且选择合聪的 材质和热处理方法： ( 7 )设诤合瑗貔赘刃铡骧诞整撬穗。缳澄在葵甥过稳孛，上下赘掰这囊要求懿剿 向间隙和重合度，最终提高剪切轧件的质量； ( 8 )设计准确的控制系统。保证p l c 的延时调整准确，控制精度黼，并且程序遴 零亍稳定。电规控制系统和编码器应当保证，每次剪切后剪刃都能非常准确地箨止在越始 往萋上。 1 5 本章小结 零章分拆了国内强飞剪规静磷突撮况和发震趋势，明确指出了痘箨残飞剪辊以荚黪 讶的潦确性和低能糕性越来越受翔棒线专季生产线上的青隙，并成为飞剪视发震的趋势。 因此，针对启停式飞剪机进行研究是企业开拓市场的最佳选择。飞剪机设计除了要考虑 其功熊要求、可靠蚀要求外，觅成该注意经济憔要求，如何做到“物荚价廉”是飞剪机 莰诗王露者嚣善遮关注戆闫趣。 大炼理工大学专业学位硕士学位论文 2 飞剪机方案设计和运动学分析 飞剪机的传幼方案设计是整个产品设计的关键部分，方案的芷确与否直接影响到飞 骛税静骜诱臻黢j 菇及其掰要这颡戆经济毪指标，嚣诧，在鼹产麓戆使矮情况实际调磷翁 基础上，进行必要运动学分析才能设计出更加合理方案。 2 1小型棒线材生产线的耗制工艺流程 下躐以承德钢厂8 0 万吨捧材生产线为例介缨轧钢的工艺流程，如下图2 ，l 所示： 热琏由连铸车间通过辊道纛接送到轧钢车间的钢缀跨，然聪通过掇升枫提升到5 米 平台上，经过入炉辊道称重后送往加热炉。冷蟋由磁盘吊车成批吊放到上料台架上，然 秸由上料台架将钢坯一搬一根送往入炉辊道。缀称重届，运至搬热炉翻热。根据不同钢 种的加热制度和加热要求，钢坯加热至1 0 5 0 1 1 5 0 ，按照轧制节奏需要，由炉内辊道 耨加热好静锈坯送到出炉辊遒上，然惹送入l 嚣耗筏逶行轻髑。 全轧线共有1 8 架轧机，分为粗轧、中轧、精轧机缎。分别由6 架平一立交错布置的 矮虚力线乾橇缀箴，英审第1 6 、1 8 黎凳乎立霹转换氧税，各絮毪橇均由交流变频毫橇 单独传动，在中轧机组及精轧机组前各设一台稿停式飞剪对轧件进行切头、去尾及事故 襻瑟。熬令辜l 线采蠢l 全逶续、全茏拯羲翻，凌事k 辊组、中辜l 撬缀? l l 粲辜l 穰之阉采燧 微张力轧制，在第1 1 、1 2 架轧机之间、2 # 飞翦与精轧机组之间和精轧机组各架轧机之 趣均设嚣立活套，实牙燹张力接铡筑剿。撮据产晶援挠瓣不露，镪坯在毒；l 辊孛轧剿1 0 1 8 道次，生产出中1 6 5 0 m m 嘲钢或国1 2 4 0 m m 带肋钢筋( 其中：巾1 2 1 8 m m 带肋 镧麓用甥分法生产) 。成撼最大城露l 速波为1 8 m s 。 中轧机组和精轧机缎之间以及倍尺飞剪前预留控制水冷装鬣，生产优质光面圆钢时 剃用该装置对轧传进彳亍水冷，采用低温精轧技术处理轧件。生产螺纹钢时，控制水冷装 置移出* l 锖t l 线，轧件从一组变频辊道上通过。从精轧机组出来的螺纹钢筋通过穿水冷却 装置，进行在线热处理麟，送黧成品倍尺飞剪分段剪切；而轧制出的蹋钢则不经水冷， 直接由一组变颓辊道送往成品倍尺飞剪分段剪弼。变频辊道和穿水冷却装置同装在一奄 可横向移动的小车上，根据生产计划，可将变频辊道( 绒穿水冷却装鬣) 移入或移出轧 露线。分段成倦尺长度瀚棒材缀冷床输入辊道帮镥动上铜装置糖入步避齿条式冷床上辨 直冷却。靠近冷床出口侧设有一组齐头辊道将棒材端都对齐。橼材在冷床上冷却，之后， 由设置程冷床爨翻铡静一套帮钢装置成箨收集锑铜。冷床输滋辊遂将成摊棒耪送至冷 剪，由冷剪进行6 o 1 2 0 m 定尺剪切，少量短尺棒材在冷剪处由人工剔除收集。剪厝 棒零| 赉辘遭帮平惩移镶撬送至_ l 熏跨检套台架，纛l 嚣：透露移钢、羧奎及收集。合格豹定足 新型启停式曲柄飞剪机的设计研究 棒材经液压勒紧机勒紧后由自动打捆机打捆。打捆后的棒材运至链式移钢收集台架上， 进行称重、人工标牌后，横移并收集，再由吊车吊运至成品跨入库堆放，按合同计划发 货。 飞剪和冷剪切下的头、尾及事故碎断的废钢经溜槽落入平台下的收集筐中，其它轧 制废品用火焰切割成小段装入收集筐中，用叉车将收集筐中废钢运至指定地点堆放，定 期运至炼钢厂。 通过对棒材生产线的考察调研，得出以下结论： ( 1 ) 整个棒材生产线上一般都设有三架飞剪，分别为1 # 、2 # 和3 # 飞剪。前两架 都具有切头、去尾和事故碎断的作用，第三架为成品倍尺剪，将轧件切成为规定的长度； ( 2 ) 第一架多为曲柄飞剪，其在剪切时剪刃与轧件基本垂直，附加剂压力小，剪切 质量高，但受结构限制，其曲柄回转半径小，剪切速度不高，适合剪断面大、速度低的 轧件。后两架多为回转飞剪，可以剪切速度高的轧件； ( 3 ) 飞剪机都具有精确的控制系统，实现剪切机构的运动功能。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 1 轧钢工艺流程图 f i g 2 1f l o wt e c h n i c sd r a w i n go f s t e e lr o l l i n g 一9 一 新型启停式曲柄飞剪机的设计研究 2 2 飞剪机功能要求 本次设计研究的飞剪机是上述生产线上使用的l # 粗轧飞剪，它位于中轧机组前粗 轧机组后，具有切头、去尾和事故碎断的功能。 2 2 1 飞剪机功能 为满足上述生产工艺要求，飞剪机具有下列三种运动方式： ( 1 ) 启动剪切 该飞剪机前设置一光电信号接收器，当轧件经过光电接受器时即发出剪切信号，飞 剪机自动启动剪切。 ( 2 ) 连续剪切 当出现堵钢事故时，该飞剪机可以连续运转，每转一转可以剪切一次，将轧件碎断 成1 2 0 0 m m 一段的短料，由收集装置收集。 ( 3 ) 冲动爬行 为了保证剪切的精度，在调整和对准剪刃时，控制系统可以使剪刃部分微动并以很 慢的速度转动，达到所要求的角度或位置。 2 2 2 飞剪机正常工作要求 为保证棒材生产线的正常轧制，飞剪机正常工作必须满足以下条件“1 ： ( 1 ) 飞剪的作业率必须和轧机的作业率相协调，保证轧机作业率的的充分发挥； ( 2 ) 剪切时，刀刃在轧件运动方向上的分速度应与轧件运动速度保持一定关系，使 轧制与剪切过程中有一定的张力，以保证剪切后轧件头部和尾部的质量，避免发生堆钢 事故： ( 3 ) 能够完成剪切工艺要求轧件的材质、温度、速度以及断面范围； ( 4 ) 保证所剪切的断面符合要求，以方便与后面轧机的咬入和符合成品的质量标准； ( 5 ) 按轧制工艺的要求，剪切轧件的头尾尺寸应保证在规定的偏差范围之内，避免 增加金属损失。 2 3 飞剪机方案设计 根据上一章连续式和启停式飞剪机优缺点的对比以及本次飞剪机的功能要求，最终 确定本次设计采用启停式。启停式飞剪机方案设计包括总体方案和传动方案分析以及传 动结构和剪切机构设计。 一1 0 大连理工犬学专业学位硕士学使论文 2 3 1飞剪机总体方案分析 癌箨式飞剪凝戆簧动方案一般饔掰释。一秘是齿轮镶秘努甥魂鞠分裂必狻悫部分， 如下鍪2 。2 掰示，勇一种是齿轮箱和瓣谚税构傲成一整体，如上囤1 2 所示。 l 电动机2 联轴器3 巾闻减速机4 中闽联轴器5 飞剪零体 爨2 2 飞夔程传动方寨 f i g 2 2 t r a n s m i s s i o nm e a n s o f h y i n gs h e a r 两种结构相比较存在这一下优缺点： ( 1 ) 方案2 + 2 减速机内部齿轮和轴承受到的冲击载衙小，因而整机寿命长，而且根据 ；霪要还可以更换不潮速比的减速枧，辩飞剪规豹改造舟缀肖稠，方案1 。2 传动比一旦确 定，藏不容易雯浚； ( 2 ) 方案2 2 传动方案中采用中闽减速机和中闯联轴器，在同样电视髓率和传动眈 的情况下比方案1 2 多出了中间减速机箱体和中间连轴器的重量，并且由于中间联轴器 转动惯量的存在黼消耗电机的能量： ( 3 ) 方案2 2 比方案1 2 多出了躐个中间传动环节，幽于齿轮副侧隙以及联轴器误 差浆存在，影确飞骜零髂骜切懿精发。 综上所述，蠢予方案2 2 传动静环节较多丽导致产黥熬体较重，焉篮剪切精度较低， 因此，方案1 2 熙适合本次飞剪机的隳求。 2 3 2 飞剪机传幼方案分析 根据对飞剪机的功能分析，剪刃的转速在整个剪切避糕中是作周期性交他的，郎启 动热速_ 揍遥匈遽赘诱寸减速露l 动峥驾速复位。枣予农骛甥徐除羧受至l 瓣魏凌，系统 盼动能是降低的，根据能量守僵定律掰知，要使飞剪接近匀速剪切，就必须翻用系统的 转动惯量所产生的能量进行补偿。1 。 w = ( j 。+ j f ) c a ) 2 。6( 2 1 ) 新型启停式曲柄飞剪机的设计研究 式中：w 一系统的最大盈亏功，n m ： j 一转动惯量，k g m2 ； j = m r 2 ： ( 2 2 ) m 一零部件的质量，k g ： r 一惯性半径，m 。 j ，一系统的等效转动惯量，k g m ； j ，一飞轮的转动惯量，k g r a 2 ； d 。一平均角速度，r m i m 6 一机械运转速度不均匀系数。 通过上述分析可知，如何运用好系统的转动惯量进行设计是此次结构设计的成功与 否关键，因此主要考虑以下三种传动方案： ( 1 ) 传动结构中不加飞轮，直接利用系统等效转动惯量所产生的惯性矩进行剪切 由上式2 2 可知零部件的转动惯量和质量以及惯性半径都有关系，要使等效转动惯 量足够大必须增大零部件的质量或加大零件半径。这两种方法都会使整机的重量增加， 达不到经济性要求。 ( 2 ) 在高速轴上加飞轮，利用飞轮和系统的等效惯量产生的惯性矩进行剪切 由上式2 1 可知回转零件的动能与零件的质量和角速度的平方成正比，因此，只需 在高速轴上加飞轮，而其它零部件按正常设计就可以满足剪切的惯量需求，而且这样整 机重量就比较轻。但是，由于不管剪切多大断面的轧件，电机都要带动飞轮旋转，这样 就消耗能量，经济性也不好。 ( 3 ) 在高速轴上加飞轮，飞轮可以通过一套换档机构与高速轴实现分离与结合 这种传动方案，完全避免了上述两种方案的缺点。采用低惯量、大起动力矩、大过 载倍数的直流电动机，在剪切大断面时利用电机的短时过载就可以在不加大电机功率的 情况下满足剪切的需求。这种方案经济性最好，本次设计采用此种方案。 2 3 3 飞剪机剪切机构设计 根据上下剪刃的运动轨迹必须是是闭合曲线，并且返回时不阻碍轧件继续运动的要 求，采用四连杆机构中的曲柄摇杆结构最为合适，如下图2 3 所示，曲柄长度是一个重 要的参数，除了要考虑曲柄存在的条件外，还要注意以下几个方面的内容嘲： ( 1 ) 曲柄在剪切区内其剪刃应基本垂直切入的轧件，且切入速度应逐减小； ( 2 ) 在剪切区内，剪刃水平分速度v x 的变化( 考虑到电机速度降低的原因) 应与 轧件速度v o 相匹配； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 保证上下剪刃有足够的开口胰和的角加速度。蒋歼口度太小有可能出现在不剪 甥辩轧律冲击剪粥，熊加速度太小，掰缝会窦现毒l 譬# 在避入剪韬点露上未达到镶速。莛 耩戆长短分重瑟，其大，l 、会彰喻烈嘏税功率、转速及舞掰豹咬入角g 。魏耩太短显筏 件直径太大，其咬入角口就会很大，遮样就增大剪切力矩，一般以甜4 3 4 为宜；增长 曲柄的长度r 又会加大上下曲柄回转中心点的距离，从而使飞剪本体的体积愿立方的关 系增大。所以，曲柄的长短应合理的设计； f 4 ) 在结构允谗基能保证适当重爨藿的情况下尽量减缀劈刃的长度b ，这样在不 熬大竣备俸积懿蘩况下，熬大夔掇长发： 确定r 、b 的长度之后，应按以下几点要求考虑四连样机构中其余秆伟的长度： 所设计的静杆长度应符合曲柄摇杆四杆机构的杆长条件。 确保从剪切开始到剪切结束的过程中剪刃的的间隙应逐渐减小并有一定的重叠 璧，剪刃闻隙一般为0 1 o 3 n u n ，剪刃重叠量一般为2 5 r n r m 在剪甥i 霪糕孛，剪刃始终垂纛季t 箨表瑟。 图2 。3 剪仞机构运动筒匿 f i g 2 3m o v i n gd r a w i n go fc u t t i n gm a c h i n e 则有：= 号半斗去 袋 墨 2 0 一c o s a ) 式中：h - $ l 件的直径，m m $ l 一剪臂的长度，h i m ； ( 2 3 ) ( 2 国 t 1 1 新型启停式曲柄飞剪机的设计研究 b 一剪刃的长度，n 吼； r 一曲柄回转半径，m m ： 口一咬入角，( 。) 。 2 3 4 飞剪机传动结构设计 根据以上分析，飞剪机采用下图2 4 所示的传动结构： 1 电机2 联轴器3 制动器4 内齿套5 齿轮( 一) 6 齿轮( 二) 7 飞轮8 曲柄9 连杆1 0 摇杆1 l 刀架1 2 剪刃1 3 轧件 图2 ，4 飞剪机传动结构 f i g 2 4 t r a n s m i s s i o ns t r u c t uo f n y i n gs h e a r 电机输入功率、转速，经联轴器传递到齿轮( 一) ，再经过z 1 、z 2 、z 3 、z 4 、z 5 三 级齿轮传动到8 、9 、1 0 构成的曲柄摇杆机构，刀架1 1 固定在连杆9 上，当上下剪刃相 遇时就完成一次剪切。飞轮7 通过铰制孔螺栓以及销子和齿轮( 二) 固定在一起。正常剪 切时内齿套4 和齿轮( 二) 结合，飞轮不起作用。当剪切大断面轧件需要飞轮加入时， 用拨叉拨动内齿套4 和齿轮( 一) 、齿轮( 二) 同时结合，这样就可以带动飞轮来完成剪切 任务。其中序号4 到序号1 2 等零部件构成了飞剪本体部分。 2 4 飞剪机运动学分析 飞剪机的传动方案和剪切机构确定以后，首先要选择计算以下主要运动参数，这些 参数包括飞剪的基本转速i l 、剪刃的线速度v 、剪刃的回转半径r 、剪刃的重叠量s ，确 大连理王大学专业学位硕士学位论文 定剪切初始角、翦刃的侧向间隙以及其调整范围。本次设计是为根据承德钢厂棒材车间 实酝生产豹需要避霉亍豹设谤，其提供瓣主要参数魏下： ( 1 ) 产品裁羧灏铜：垂1 6 - 毒5 0 r 啪；螺绞镶牵1 6 - - 由5 0 嗍； ( 2 ) 轧机最大缴产能力：2 5 0 t 小时； ( 3 ) 轧件最大线速度：1 8 m s , ( 4 ) 材质：低合金钢( 2 0 m n s i ，2 3 m n s i ) ：合金结构钢( 4 0 c r ，4 2 c r m o ) ；优质碳 豢锈( 4 5 ，6 5 ) 、弹簧钢( 6 0 s i 2 m n ，6 5 m m ) 、冷墩钢( m l 4 ) 等； ( 5 ) 蘩凌瀑爱：8 5 0 ； ( 6 ) 各种规格对应的车l 件速度： 巾1 0 5 - - 0 3 6m s ：巾1 0 5 - - 0 4m ，s ；咖1 0 5 一o 7m s 巾7 6 一o 7 1m s , 巾7 6 1 0 m s ：咖7 6 1 6 m s 由7 6 - 1 7 6 m s 巾5 0 一2m s 。 为了绦证魏髂懿菱霉乳割霸或鑫头麓超差毽尽可缝小，每投霉l 终必须遴蟹甥头、甥 惩。碎断功能仅旋艨部工艺发生故障辩投入使用。在切凝、去尾及事敖碎戮辩，各功熊 对剪刃转速要求也不同。 2 4 1 曲柄回转举径计算 盘上式2 。4 可褥：r 榔五忑= 1 9 5 4 2 m m r 丽= 1 4 1 4 4 m m 8 如瓦若丽= 9 3 0 5 9 姗 综合考虑取r = 2 0 0 m m 2 。4 。2 韬头辩舞辫转速计算 下图2 5 为飞剪剪切时的几何关系图： 在飞剪剪切扶部的过程中，为避兔轧件出现堵钢或轧件被拉变形等事故。在设置飞 剪的转速时，要尽w 能做到飞剪剪刃的水平分速度v x 岛轧件速度v o 一致，但在实际使 趱过程当串v x v 0 是缀困难魏，戮魏在设置飞剪切头转速辩，采弱了飞赘水平速度 v x 与乾侮速度怒麓v 。嚣3 6 弼，帮 v x ：盟 ( 2 5 ) 式中：k 一剪刃的超前系数。作为选择电机功率的计算值。k = 1 0 3 1 0 6 剪刃主轴的转速为： 6 0 0 0 0 矿 1 1 = 2 2 觥 合并式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 得到切头时剪刃主轴的转速公式： 6 0 0 0 0 k k t i = = 。 2 积c o s 口 式中： v o - * l 件的速度，m s ： n 一切头时剪刃的基本转速，r m i m r 一曲柄的回转半径，m m ； 口一剪刃剪切的初始角，( 。) 。 图2 5 剪切几何关系 f i g 2 5g e o m e t r yr e l a t i o no f c u t t i n g ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 4 3 切尾时剪刃转速计算 切尾时与切头式的情况相反，飞剪切尾时的剪刃速度高与轧件速度v o 时，会造成 轧件的尾部弯曲，速度过低，轧件拉着剪刃转动进行切尾，尾部会被拉细，影响成品尾 部尺寸精度，增加了成品尾部的剪切量。为了保证正常切尾，剪刃水平分速度v x 滞后 轧件v o 的0 - - 2 。即。 t 1 1 大连理工大学专业学位硕士学位论文 v x = 里( 2 8 ) 式中：k 一剪刃的超前系数，k = 0 9 8 l 。 剪刃主轴的转速：将k 代入式2 7 计算。 2 4 4 剪切初始角计算 如上图2 3 所示的剪切几何关系可得出 ( 1 ) 剪切初始角口的计算 口一l - b - h 2 1cos 一生 ( 2 9 )口。一i z h j r2 月 式中： h 一轧件的直径姗5 b 剪臂长度，姗o l 曲柄中心到轧制中心线的距离，m m 。l = r + b + h 2 则根据用户提供的数据，对于不同直径的轧件，剪切的初始角计算如下： c 。s 口1 = 1 一五l o a 2 0 0 _ 5 = 0 7 3 7 5 口l 2 4 2 4 8 1 1 2 8 8 。 c o s 十淼= 0 8 1 口7 6 = 3 5 9 。 c 。s 口5 0 = 1 一五5 2 0 0 0 2 0 8 7 5 口= 2 8 9 5 5 。 ( 2 ) 剪切终径角口7 的计算 c o s 口7 = 丝半斗百( 1 - 6 0 ) h ( 2 1 0 ) 式中： 口7 一剪切的终径角，( 。) ； e 。一轧件剪断时的相对剪切深度。 根据热剪切时各种金属的剪切性能，弹簧钢的相对剪切深度最大，因此，此次计算 以弹簧钢的性能参数进行计算，查表知弹簧钢在8 5 0 。时的相对剪切深度c 。= o 8 5 ，则 对于不同直径的轧件，剪切的终径角计算如下： 立堑矍! 旦壁塞些堑! 塑垫塑丝塑塞 c 。s 口- 帖2 一! ! 二筹= o 9 e 。e z s 口l = 1 6 1 3 2 。 c 。s 口7 邵2 1 一! 等= o 9 7 1 5z z u u 口7 6 = 1 3 7 1 。 cos口7如_1_警砘98-i 1 2 5 z u u 2 4 5 e 判矶主轴转运计算 在实际的计算过程中，主轴转速应以飞剪切头时的公式2 7 进行计算，k 值取1 0 6 ， 因此对于不同直径的轧件，飞剪主轴的转速计算如下： n 旷黑坠尝堕塑：2 7 0 3 4 3 1 1r mi“231 4 1 5 ”x 2 0 0 c o s 4 2 4 8 1 1 n7 6 = 垒坚旦型卫鱼幽二! ：! 鱼；4 4 3 6 1 0 8 4r mi“2 ” 3 1 4 1 5 2 0 0 c o s 3 5 9 。 “ n 。= 毒螋堕坐兰!：1 1 4 ，m i 。“ 2 3 1 4 1 5 2 0 0 c o s 2 8 9 5 5 经对比最终确定，飞剪切头时主轴的转速应为2 7 0 3 1 1 4r m i n 。 2 5 本童小结 本章通过了对棒材车间轧制生产线的实际调研，明确了本次设计的启停式曲柄飞剪 机位于中轧机组前粗轧机组后，具有切头、去尾和事故碎断的功能。为了满足重量轻的 经济性要求，采用了在高速轴上添加飞轮来增加系统的转动惯量，并且飞轮通过一套换 档机构可实现与高速轴脱离或结合的传动方