滚筒机构螺旋剪刃飞剪机静态剪切力计算公式探讨.pdf

设计计算 滚筒机构螺旋剪刃飞剪机静态 剪切力计算公式探讨 西安重型机械研究所 柳 冉 蒋继中 赵建刚 上海宝钢集团公司 高玉田 潘纪根 摘要 建立了滚筒式螺旋剪刃飞剪机剪切力计算的公式 并提出了有关见解 叙词 滚筒飞剪 螺旋剪刃 剪切力 飞剪 Abstract In this paper the formulas of static cutting force in drum type flying shears with spiral scissors are set up together with some unique ideas Descriptors drum type flying shear spiral scissors cutting force flying shear 1 前言 创新设计的 外耦滚筒机构协衡飞剪机 于 1998 年在宝钢取得了成功 它是一种滚筒机构螺 旋剪刃飞剪机 滚筒式平直刃飞剪机是最早用于生产的一种 飞剪 大约在 20 世纪 50年代初 为了减小剪切 力 前苏联提出了在滚筒上使用螺旋剪刃的原理 直到 60 年代才由英国哈尔顿机器制造公司制造 成功 成为世界上著名的哈尔顿飞剪机 这类飞 剪具有附加动态力小 生产效率高 结构简单 容 易控制等优点 但是由于在机构参数确定的方法 上没有广义的优化理论根据 1 始终没有找到它 们的最佳轨迹 最大剪切板厚 冷剪 一直限制 在 h 2 5mm 以内 北京 上海 西安等地国家 指定单位四次查新 三次向国外专业厂家专访 书 面结论与历年来所掌握的资料完全吻合 hmax 2 5mm 成了定论 2 因此它们只在冷剪板厚范 围 U 1mm 的机组中得到了发展 如果偶有超越 2 0 2 5mm 的情况 也要在同一机组中使用另 外耦滚筒机构协衡飞剪机 项目获 1999年度国家机械工业局 科技进步特等奖 1999 年度上海市优秀发明一等奖 2000 年度 国家科技进步二等奖 第一作者 柳冉 男 64 岁 高级工程师 西安重型机械研究所 710032 一种剪切方式 如宝钢引进设备 所以在大多数 使用飞剪的机组中 都被连杆类飞剪所占领 但 是这类飞剪生产率低 只有滚筒飞剪的 50 70 而且结构复杂 能量波动大 滚筒式螺旋刃飞剪机的剪切力如何计算 始 终未见有过什么论述 协衡飞剪 是宝钢的重大科研项目 它不仅 要求最大剪切板厚远远大于2 5mm 而且该飞剪 是超约束设计 为了解决这两个难题 需要建立 一个数学桥模型 为建立这一模型 就必须建立 一个切合实际的滚筒式螺旋刃剪剪切力计算公 式 从它们的动态剪切特征出发 经过数理转化 证实螺旋刃剪具有斜刃剪的剪切原理 从而建立 了这一公式 实践证明是可行的 按 协衡飞 剪 理论最大冷剪板厚达到了 hmax 7 0mm 实际 冷剪板厚度已达 hmax 5 8mm 这不仅包容了冷 轧板带材 黑色 有色 生产厂的全部规格 并 且跨越到了热轧板带材规格 取代连杆类飞剪机 成了一种发展趋势 应用前景非常广阔 那么如 何建立一个切合实际的螺旋剪刃剪切力计算公 式 成了推广这类飞剪的先决条件和国内外冶金 行业需要解决的问题 2 螺旋刃剪切机动态剪切特征分析 2 1 螺旋剪刃元素 一圆柱体作等速运动 定轴回转和轴向直线 51 2001 No 3 重 型 机 械 移动 时 过任一固定点画在圆柱表面上的螺旋 线 展开后是一升角为 的斜直线 L 图 1 任 意取其中的一段作剪刃螺旋线长 LB1时 显然 1 图1 1为剪刃螺旋线的基本螺旋角 它所在的滚 筒为基圆柱 直径为D1 两滚筒的直径D2 D 1 2 f 1 为配对滚筒 上滚筒 的螺旋角 则 导程 B LB1cos 1 或LB1 B cos 1 圆弧长 S10 B tg 1 R1 1 则圆心角 1 1 R1B tg 1 1 将这些常量元素画在滚筒上 如图 2 所示 图 2 基圆柱 2 2 剪切 切入 三角形要素分析 协衡飞剪机 的概况如图3 所示 再配以传 动 电控 液压等系统就是它的全貌 图中所示 的切入板材的平面 abc 或 def 的形成 相当 于剪刃螺旋线滚动过了一段弧面 achj 图 3b 图 3 剪切动态瞬时位置示意图 机构已经保证了上下剪刃的位移和线速度差 的精度 所以可以认为上下剪刀切入板材的 abc 和 def 是一样的 因 LB1 B cos 1 当 1 1 时 cos 1 1 当忽略 0 15 之差时 则有LB1 B 同样 切入 板材的任意螺旋刃长 l1x b 1x cos 1 有 l 1x b 1x 52 重 型 机 械 2001 No 3 在任意螺旋刃线所在的滚筒表面上 b1x是对应的 导程直线 素线 与此封闭的任何其它线段相比 较 直线最短 因此螺旋线长也为直线 螺旋刃 线 l 1x是剪刀面上的一条边缘线 l1x为直线时 它 所在的剪刀面必然是一平面 实践证明 过去国内外一律取基本螺旋角 1 1 常量 根据研究证实 这种做法限制了它的创 新 协衡 能力 1应为变量 根据动 静力学计算的需求 确定 但必须限定取值范围 0 2 1 2 1 5 2 结合实践 对这一模式论证如下 由纯剪切力计算公式P1 0 3 0h 2 1 8 0 ktg b和公式 tg ktg 1看出 由于恒有 K 1 角过小时tg K tg 为无穷小量 则 P 1 l1x b1x 若 角取值过大 由刀面为平面 的结论知 干涉加大 则剪刃剥落 剪板断面质 量差 阻力增大等后果很恶劣 证毕 在机构参数确定过程中 协衡飞剪 移植连 杆类飞剪的定理取得成功 1 因为这是两类完全 不同的机构 用在滚筒机构类时 称它为定理一 剪切机对偶工作的刀片锋 互为奇方的瞬时位移 在偶方有投影 锋至投影面的距离等于刀片侧间 隙 4 根据此确定的滚筒机构参数组 X R1 R2 T 在剪切板厚范围 h 0 7 0mm 的整个过程中 实现了上下剪刀面相互平行或近似平行的要求 亦即认为剪刀面始终垂直剪板平面 故剪刃任意 一点连续同步切入板材的深度 y 为直线 且垂直 板面 y 0h 式中 0相对切入深度 基圆柱剪刃螺旋线上的一切点连续与板材表 面滚动而无打滑地瞬时啮合轨迹就是该螺旋线展 开在板表平面上的斜直线 设任意长度为 l1x l 1x 与 y 直线共面且垂直 其长度 l1x B 1cos 1 y B 1 y b1x 3 y为 R1剪刃任意一点的剪切回转角 可通过位 移计算程序很方便地找到结果 当这种程序没有 建立起来时 可按图 3 建立的方程式求出近似值 y 2 1 sin 1H0 h 1 2 0 R1 R2 sin 1H0 h R1 R2 4 从式 3 4 式中看出 y是 y 0h 的函数 而 l1x f y F y 是其复合函数 1 2分别 是 R1剪刃任意一点剪板的初始和终了的转角 这 样图 3中的两个剪切 def 和 abc 被确定 与剪 刀共平面 切入板材中的螺刃长 A1x ac 和 A2x f d 为封闭直线 斜角令为 在确定剪切力时 重要的是最大值和保证稳 态剪切过程的平稳性 至于剪切初始和终了时的 两个过渡阶段 一般不予考查 而稳态剪切时的 斜率角 是一个必须考查的参量 需引入一个定 理 定理二 在充分满足定理一确定的滚筒机构 数组 X 下 螺旋刃剪稳态剪切时的剪切斜率 tg 与螺旋刃的斜率 tg 相关 证明 因为l1x F y 而y h 是普遍意 义的直线段 钢 铜 铝 的 0和 h 的值的大 小任意 由公式 1 看出 b1x 1 tg 1 R 1 y 而 l1x b1x cos 1 因 为式 2 已限 定 0 2 1 2 1 5 所以恒有cos 1 足够精确地有 l1x b1x 那么 tg y l1x y b1x 0h R1 y tg 1 0h R1 ytg 1 K tg 1 5 K 0h R1 y 且恒有 0 K 5mm 时 y 0 5 3 4 剪切综合阻力 P4 综合阻力考虑 4个因素 剪刃与带材速度不同步剪切阻力系数 K 0 017 0 025 侧推力造成的剪切阻力系数 KT 0 04 0 08 上下剪刃线速度差造成的剪切阻力系数 Kv 0 017 0 025 刀片磨钝阻力系数 K 0 08 0 10 则 K P4 K K T K v K 0 16 0 23 故 P4 KP4 P1 0 16 0 23 P1 14 总剪切力计算公式 P 0 3 0h2 1 8 0 K tg b 1 1 1 100 by 2x KP4 N 15 P1也可以按公式 8 取 4 螺旋刃剪剪切速度不同步拉力 T T 可以认为垂直刀面 滚动剪切的全弧长 St S1b lr b带maxtg 1 2 1 R1 16 b带max带材最大宽度 lr剪刃任一点滚动剪切弧长 也可从图 4 中近似查出 剪刃线速度水平分量超前带材速度的量 v 一般通过电气控制来实现 从实践来看 取 v 0 08 0 012v0 v 0为带材进给速度 那么超 前量为 l v t 0 008 0 012 v0 S t v0 0 008 0 012 St 17 54 重 型 机 械 2001 No 3 图 4 R1与lr关系曲线 根据虎克定律 E E L Ld 18 式中 Ld剪刀至轧机或矫直机之间的距离 E弹性模量 则 T FL l1x h 19 经实践考察 计算受拉面积取l1x是切合实际 的 计算这个拉力主要是为了确定力矩 则剪切 总力矩 M M1 M 2 M 3 2 M 1 M 3 2 P Az T R 1 20 式中 M1 M2为下 上滚筒的剪切力矩 Az为 力臂 公式 15 也适用于热剪板材 有关冷 热 剪板的 0 等取值以及有关的图形 表格等见参 考文献 1 6 参考文献 1 柳 冉 胡光华 按工艺要求直接求解飞剪机构参 数 钢铁 1996 12 2 B C Tepe 常森等译 板带车间精 整设备 北京 中国工业出版社 1964 124 126 3 邹家祥 冶金机械设计理论 北京 冶金工业出版社 1998 39 57 4 轧钢设备 哈尔滨工业 大学译 北京 中国工业出版社 1965 212 219 5 邹家祥 施东城 轧钢机械理论与结构设计 下册 北京 冶金工业出版社 1993 101 103 6 冶金部武汉钢铁设计研究院 板带车间机械设备设 计 下册 北京 冶金工业出版社 1987 167 171 7 P预硬 1537 53 kN 负荷率 85 39 剪切温度为 900 软线 bw 66 N mm2 硬线 bw 86 N mm2 P预软 1537 53 kN 负荷率 85 39 P预硬 2003 46 kN 负荷率 111 28 根据上述推算结果可以得到 该飞剪机具有 剪切 160mm 160mm 软线和硬线方坯的能力 4 测试结论 通过上述大量的测试结果和分析计算 可以 对飞剪机目前的状态作出如下评估 1 剪切 100mm 100mm 小规格软线钢时 飞剪机工作负荷较小 仅达到设计能力的 27 左 右 剪切 142mm 142mm 硬线钢时 如GK4380 飞剪机的工作负荷已达设计能力的 76 左右 如 果剪切温度低于 850 飞剪机工作负荷可达设 计能力的 100 2 通过实测和计算 虽然证明该飞剪机具 有剪切