棒材启停式冷飞剪的设计新方法.docx

C34A D12OBc hEa图 1 曲柄冷飞剪剪切机构示意图Z2Z19Z18Z276543 21图 2 曲柄冷飞剪传动系统示意图1.电机 2.联轴器 3.飞轮 4.曲柄轴 5.配重 6.连杆 7.摇杆 8.剪臂 9.剪刃112文章编号：1001-3997（2011）12-0112-03棒材启停式冷飞剪的设计新方法赵宏彬（中冶东方工程技术有限公司，包头 014010）A new design method for bar cold flying shearwith on-off switchZHAO Hong-bin（BERIS Engineering and Research Corporation of MCC Group，Baotou 014010，China）【摘 要】介绍了某钢厂棒材车间引进的启停式曲柄冷飞剪的结构特点，分析其工作原理，研究其 机械设计的新方法。将解析法与 CAD 几何法相结合建立了冷飞剪剪切力能参数的计算模型，阐述了系 统转动惯量的确定方法和主传动电机的选择方法，并进行了仿真分析。结果表明，设计方法具有新颖独 特、简单实用的特点，不但对于进行同类冷飞剪的设计或改进以及设备工艺参数的制定是可行的，也为 其它机械设备的研究提供了新的思路。关键词：冷飞剪；设计；力能参数；转动惯量；CAD 几何法【Abstract】It introduces the structural feature of cold flying shear with on -off switch，analyzes their operation principle and mechanical design methods.Then the determination method of system moment of in ertia and the selection method of main drive motors are expounded，and the calculation model of shearingforce and energy parameters of cold flying shear is set up combining analytic method with CAD geometry approach.Meanwhile simulation analysis is made in it，which result indicate that the design method in it is unique，simple and practical，which not only is feasible for the design or improvement of similar cold flying shear and the determination of equipment technological parameters，but also provides new ideas for the research of other mechanical equipment.Key words：Cold flying shear；Design；Rotary inertia；Force and energy parameter；CAD geometry approach中图分类号：TH16，TG333.2+1 文献标识码：A1 引言冷飞剪设备是现代棒材生产的核心技术之一，位于冷床出 口侧，用于剪切成品定尺钢材，使生产能力大大提高，是实现各种 定尺长度的棒材成品必不可少的设备，在新建和改造的目标产能 在 80 万吨以上的棒材车间中被广泛采用。冷飞剪由大功率直流伺服电机、减速机、飞轮、机架本体、剪切机构以及探测/控制系统组成。它们相互影响，对任一个部分的 设计都离不开对飞剪整体的考虑，因此对冷飞剪的设计方法和设 计要点的分析和讨论是提高飞剪设计技术水平的核心问题1-2。另 外，随着计算机仿真技术的发展，利用 CAD 几何法3-4和有限元方 法5可以优化飞剪的设计过程，仿真飞剪的剪切过程，为飞剪设计 提供详尽可靠的力能参数以及工艺参数，从而使飞剪的设计更加 方便。以某钢厂棒材车间从德国引进的一种曲柄冷飞剪为例，研 究其结构特点和设计要点，介绍了一种综合采用解析法与 CAD 几何法进行冷飞剪设计研究工作的创新设计理念，并建立了该类 型冷飞剪的力能参数计算模型并进行仿真分析，以确定或检验电 机功率、电机起动条件、电机转速变化规律。来稿日期：2011-02-1587651234图 3 启停式冷飞剪曲柄转动工作循环图El6 uBl2准1ROD准3l4hl3Cl5图 4 剪切开始曲柄连杆机构几何位置图CY34ADVDX2R1 OBVBRDE VEXRBVEREO1图 5 速度瞬心法求曲柄转速第 12 期赵宏彬：棒材启停式冷飞剪的设计新方法1132 曲柄冷飞剪的结构设计研究的启停式曲柄冷飞剪的最大剪切力可达 3500kN， 被剪切轧件最大速度可达 2.5m/s，定尺长度最短 6m。该飞剪具有 强度高、刚度大、振动小、精度高等特点。该飞剪的剪切机构，如图1 所示。传动系统，如图 2 所示。3 启停式曲柄冷飞剪的工作循环启停式冷飞剪工作循环为一圆周，工作工序为：驻刀（回原始 位置）启动（到达剪切时转速）稳刀（剪刃恒速转动）剪切离 材（制动）停刀（反向运转）驻刀。在一个工作循环中，剪刃的几 个典型位置对应的曲柄转角，如图 3 所示。 图中：1加速相；2 恒速相；3剪切相；4反馈相；5制动相；6复位加速相； 7复位恒速相；8复位制动相。重要的机构参数，其大小对剪切角、剪切力矩、转动惯量、曲柄轴转速、启动时间、电机功率等参数都有影响，因此应最先确定。确定曲柄半径 R 后，再确定连杆长度 l2、摇杆尺寸 l3、机架杆 长度 l（4 水平方向长度 l5，竖直方向长度 h）、刀杆长度 l6 以及连杆 l3 与刀杆之间的夹角 u 等。以下剪切机构为例，其曲柄连杆机构 的剪切开始时的结构尺寸和几何位置图，如图 4 所示。4.2.2 剪切机构的模拟机构的建立根据工艺参数和经验公式，并借助计算机模拟手段，确定曲柄 半径 R 为 280mm，连杆 l2 长度为 1150mm，摇杆 l3 长度为 800mm， 机架 l5 为 960mm，h 为 977mm，刀杆 l6 长度为 570mm，连杆 l3 与刀 杆之间的夹角 u 为 113.71。采用 CAD 几何法，在 CAD 软件的 2D 草图环境下建立冷飞剪剪切机构的模拟机构（过程略）。4.2.3 利用模拟机构作为优化设计的工具利用 CAD 几何法在参数化设计软件的草图环境下建立的模 拟机构可以进行机构的运动学分析和动力学分析6-7，以作为机构优 化设计的工具。仅就利用 CAD 几何法结合速度瞬心法确定曲柄转 速运动规律的方法进行说明。冷飞剪剪切轧件时剪刃的水平分速度 vEX 应与轧件的运行速度 v0 相一致或略快于轧件运行速度。由速度4 曲柄式冷飞剪的设计创新方法4.1 剪切力能参数的计算模型4.1.1 剪切角剪切角 ，即开始剪切时曲柄与垂直线的夹角，可按下式计算：cos准= !a-h/R瞬心法，如图 5 所示。可得如下计算式：v =R /Rv（5）-lBE -C（1）EE B B2RE、RB 的数值可根据 CAD 几何法建立的剪切机构模拟机构得到。设速度 vE 与水平轴 X 之间的夹角为 ，曲柄转速为 n，则可式中：a两曲柄轴中心的距离；h被剪切轧件的厚度；lBE 剪臂长度；R曲柄半径；C剪切开始瞬时剪刃相对轧件的距离。4.1.2 剪切力得下式：v =v cos=R /Rvcos=R /R2nR/60cos=v （6）EE B BE B0EX60v0RB（7）n=2Rcos RE（2）P=Kmax -Fmax由上式可知，已知轧件的运行速度，就可以任意时刻的曲柄转速，即可以得到曲柄转速的运动规律。式中：K剪刃磨损系数，一般取 1.151.3；max最大单位面积剪切阻力；Fmax被剪切轧件的最大断面积。4.1.3 剪切力矩（3）M=KPMP+MF+MJ=2KPKmax Fmax Rsin准+MF+MJ式中：KP平均静剪切力矩与最大静剪切力矩的比值，一般取 0.60.7；MP最大静剪切力矩；MF“拉钢”造成的附加阻力矩，MJ系统静阻力矩，计算时均可忽略不计。4.1.4 剪切功剪切轧件所消耗的功可由下式计算：（4）A=M2KP Kmax Fmax Rsin4.2 剪切机构设计的 CAD 几何法4.2.1 确定剪切机构的结构尺寸由上述力能参数的计算公式，可知曲柄半径 R 是冷飞剪最No.12Dec.2011机械设计与制造1144.3 确定转动惯量和主传动系统4.3.1 传动系统转动惯量和飞轮矩折算到电机轴上的传动系统转动惯量可以按下式计算 （每 台电机）：5 冷飞剪的计算仿真实例以轧件运行速度为 2m/s，剪切 50mm 的圆钢，同时剪 2 根，定尺长度 6m 的工作情况为例进行仿真，此时最大剪切周期 为 3S，设定曲柄转速的变化规律，如表 1 所示。可以得到各力能参数如下：（1）剪切角 =24.396。（2）剪切J=J1+J2+J3+JZ1 + 2J4+J5+J6+J7+J8+J9+JZ2 2/i（8）2式中：i减速比；J转动惯量（kgm2），下角标对应于图 2 中各传动件的序号。折算到电机轴上的飞轮力矩为：力矩 M =566.69kNm。（3）折算到电机轴上的传动系统转动惯量为PJ=282 kgm2，各部件的转动惯量，如表 2 所示。表 2 系统各转动惯量（kgm2）GD2=4J4.3.2 传动系统动能的变化当已知轧件的速度 v0，由式（7）可以分别求得剪刃开始剪切 时和剪切结束时的电机转速 n1 和 n2。传动系统速度降释放的能量，即系统动能为：（9） J J J J J J J J J J J 123456789Z1Z2 43.5 5.46 101.05 153.86 489.63 62.52 117.75 27.27 3.84 3.79 2038.12（4）总飞轮力矩 GD2=1128 kgm2。（5）剪切功，A =137.86kJ。剪（6）开始剪切时电机转速 n1=377.98r/min，n2=301.21r/min。（7）每台电机系统动能为 80.58kJ，两台电机的总动能为 E=161.17kJ。（8）经 比较，剪切开始到结束系统动能的变化量略大于剪切轧件所需的剪 切功，即 EA，表明冷飞剪的工作满足能量要求。（9）设电机加速GD22E= 1 J 22 -2 2= 1 22 22n2 -n2 2=602241212时间为 0.62s，则起动平均力矩 M =18.002kNm。（10）过载系数 取P-3GD2 n2 -n22 22.5，初选计算电机功率 P =572.9kW，初步确定电机功率为 600kW，（10）1.3710c12额定转速 500r/min，额定转矩为 11.46kNm。（11）电机等效转矩为Mrms=10.095kNm，满足式 14 的要求，所选电机功率合适。6 结论（1） 对曲柄式冷飞剪的设计思路是先采用解析法建立冷飞 剪剪切力能参数的计算模型，确定曲柄长度；再采用 CAD 几何 法，建立冷飞剪剪切机构的模拟机构，确定剪切机构的机构尺寸； 最后确定冷飞剪的转动惯量和主传动系统参数。冷飞剪的设计是 个初步确定关键参数后，再进行反复验证的过程，设计过程中应 根据计算机模拟结果对参数进行随时调整，确定最终参数，以达 到最优设计方案。（2）CAD 几何法应用于冷飞剪的设计研究是方法创新，采用 该方法不需要推导复杂的解析表达式，也不需要通过反复的做图 就可以分析机构的运动学特性，方法简单，因此具有重要的理论 意义。采用该方法进行冷飞剪的设计和研究，简化了设计难度，优 化了设计方案，提高了设计水平，在实际应用中成果显著，因此该 方法对冶金设备的创新和国产化具有很高的实际应用价值，值得 进一步推广。参考文献1邹家祥. 轧钢机械理论与结构设计M.北京:冶金工业出版社，1993.2王海文. 轧钢机械设计M. 北京:机械工业出版社，1993.3Yi Lu.Using CAD functionalities for the kinematics analysis of spatial parallel manipulators with 3 - ，4 - ，5 - ，6 - linearly driven limbsJ. Mechanism and Machine Theory，2003，33（6）：475-484.4赵宏彬.计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学研究方法论J.机 电产品开发与创新，2009（3）：19-210.5王苏安，尹相琴，李景芳.曲柄连杆式飞剪机机架的有限元分析J.冶剪切开始到结束系统动能的变化量应略大于或等于剪切轧件所需的剪切功。在给定的加速时间内，电机的起动平均力矩为：MQ= n1GD2（11）38.2tg式中：tg电机加速时间。初选电机时，一般按起动平均力矩进行计算，则电机功率为：Pc= MQne （12）9550式中：过载系数；ne电机额定转速。4.3.3 电机选型的确定初选电机后，根据冷飞剪的启制动周期和剪切过程进行时间分配，绘制电机负载图，对电机功率进行验算。如图 3 所示，一 个剪切周期划分为 8 段，则各段的转矩值为 Mn（n=1，28）、各段 的负载持续时间为 t（n n=1，28），则等效转矩为：222M1 t1 M