曲柄摆式飞剪液压空切原理及剪刃轨迹分析.pdf

设计计算 收稿日期 2009 11 15 修订日期 2009 12 21 作者简介 万 飞 1955 男 宝钢工程技术有限公司教授 级高级工程师 曲柄摆式飞剪液压空切原理及剪刃轨迹分析 万 飞 1 景群平2 金 敏1 付友昌3 1 宝钢工程技术有限公司轧钢事业部 上海 201900 2 中国重型机械研究院有限公司 陕西 西安 710032 3 首钢京唐钢铁联合有限责任公司 北京 063200 摘 要 为了确保飞剪机能够剪切各种定尺长度的带钢 需要计算分析并设计合理的剪切角 剪 切行程和空切机构 通过对现场正在使用的曲柄摆式飞剪的结构和液压单偏心空切机构的分析 计算 了飞剪机上下剪刃的运动轨迹 剪切角和剪切行程 对实际设计和生产有一定的帮助 关键词 空切机构 曲柄摆式 剪切轨迹 中图分类号 TG305 文献标识码 A 文章编号 1001 196X 2010 01 0031 04 Hydraulic void cutting principle and analysis of cutting point track for crank oscillating flying shear WAN Fei 1 JI NG Qun ping 2 JI N M in 1 FU You chang 3 1 Rolling Division Baosteel engineering 2 ChinaN ationalHeavyM achinery Research Institute Co Ltd X i an 710032 China 3 Shougang Jingtang United Ironcrank oscillating cutting track 液压单偏心空切机构曲柄摆式飞剪是施罗曼 飞剪的一种形式 空切机构设置了液压偏心机 构 用液压缸改变液压偏心的角度 完成单尺或 倍尺剪切 1 文献 1 分析了上下剪刃开始剪切 带钢时的剪切角 以及在剪切过程中剪切角的变 化位置 并指出使用中的飞剪在设计方面存在不 足 通过计算确定了在剪切带钢时空切机构的调 整位置 1 飞剪的结构特点和剪切原理 单偏心空切机构曲柄摆式飞剪的本体由剪切机 构 空切调整机构和剪刃间隙调整机构四个部分组 成 图 1 剪切机构由曲柄 1 上刀架 2 下刀架 3 机械空切偏心轴 6和偏心轴调整液压缸构成 间隙 调整机构由调整杆 5和上下刀架连接杆 4组成 飞 剪机运转时 曲柄的长度为定值不可调整 剪切时 空切机构和剪刃间隙不调整 整个 机构就构成了一个四杆机构 在曲柄的旋转过程 中 剪刃形成固定的运动轨迹 上剪刃作近似于 椭圆形的运动 下刀架作摆动运动 在轨迹相交 31 2010 No 1 重 型 机 械 区段形成剪切区 单独调整空切机构或间隙调整 机构时 就构成五杆机构 当同时调整空切机构 和间隙调整机构时 就构成一个六杆机构 单偏心空切机构曲柄摆式飞剪的剪切过程包 括上下剪刃的接近 相互咬入剪切带钢 剪切终 了脱离带钢三个阶段 形成一个完整的剪切过 程 设计时要使剪刃能够顺利剪断带钢 同时要 使剪切区最小 并且使上下剪刃有一个合理的重 合量 带钢剪切的定尺长度用三种方法实现 即调 整带钢运行速度 在一定范围内改变曲柄转动速 度 使用空切机构 一般使用空切机构完成长定 尺剪切 设空切机构转角为 当 0 90 180 和 270 时的上下剪刃位置如图 1所示 图 1 不同空切偏心转角的剪刃位置图 a 0 b 90 c 180 d 270 2 飞剪剪刃运动轨迹计算方法和 步骤 建立以 O5点为原点的直角坐标系 5 该 坐标系为固定坐标系 分别建立以 O1 O2 O3 O4和 O6点为原点的辅助动坐标系 1 2 3 4和 6 设曲柄半径为 E1 曲柄回转角为 在 1坐标系中 回转点 O2的坐标可用下式计算 x02 E1cos y02 E1sin 1 下刀架以 O6点为回转中心作摆动运动 由 于上下刀架通过 O3点连接在一起运动 要求曲 轴旋转过程中的上下剪切点位置 首先确定刀刃 间隙调整杆的调整量和空切偏心轴的调整角度 然后确定 O3和 O4的位置 当 O3和 O4的位置确 定后 上下剪切点位置就可以确定 若设 O6 O3点的连线为 l1 当偏心轴的转 角确定之后 O3点就在以 O6点为圆心 以 l1为 半径的圆周上转动 O3点在坐标系 6中的坐 标为 x03 l1cos y03 l1sin 2 计算内容 1 在空切和间隙调整确定后 描述上下刀 刃剪切点的运动轨迹 2 确定剪切带钢时空切机构调整角度 3 确定上下剪刃剪切带钢时的切入角 4 确定剪切带钢的剪切角和剪切长度 计算步骤 1 输入带钢厚度 宽度 上下刀片厚度和 高度 下刀片需要中间高度 剪切带钢边缘点的 高度和边部高度三个数据 边部高度用于检验剪 切时上下刀片间隙的变化情况 2 调整空切机构的偏心轴转动角度 以 固定坐标系 0的 x 轴正向为转动起始角 逆 时针方向转动时为正 3 设定间隙调整量 4 设曲轴转角为 可求得上剪刃剪切点 A1在固定直角坐标系 05中的坐标 A1 x0a1 y0a1 以及上剪刃剪切点 A2在固定直角坐标系 中的坐标 A2 x0a2 y0a2 5 设定一系列的曲柄转角为 得到与之 对应的一系列的上剪刃剪切点 A1的坐标 A1 x0a11 x0a12 x0a1n 和 y0a11 y0a12 y0a1n 下剪刃剪 切点 A2点的坐 标 A2 x0a21 x0a22 x0a2n 和 y0a21 y0a22 y0a2n 6 将上 下剪刃的一系列剪切点 A1 A2 绘制成图形 就构成了在各空切机构转角时的上 下剪刃运动轨迹 32 重 型 机 械 2010 No 1 3 飞剪运动轨迹计算实例 选用宝钢五冷轧连退机组和 2030新增连退 机组中的飞剪作为计算实例进行计算 剪切带钢 材质 CQ钢 带钢厚度 2mm 宽度 1 600mm 调整空切机构的偏心轴转动角度 分别等于 0 90 180 和 270 计算得到上下剪刃运动 轨迹见图 2 图 2 不同偏心转角的剪刃运动轨迹图 a 0 b 90 c 180 d 270 从图 2a可以看出 上下剪刃的最近点位置 的距离 为 29 09 mm 最远 点位 置的 距离 为 257 77 mm 上剪刃距带钢上表面的最近点距 离是 1 1 mm 下剪刃距带钢下表面最近点距离 是 12 74 mm 在图 2b中 上下剪刃的最近点 位置为 1 75 mm 最远点位置为 209 2 mm 上剪刃距带钢上表面的最近点是 0 77 mm 下剪刃距带钢下表面最近点是 0 98 mm 位置 点为负值时说明上剪刃位于剪切线以下 而下 剪刃位于剪切线之上 上下剪刃剪切带钢 负 值的大小表示上下剪刃重合量 在图 2c中 上 下剪刃的最近点位置的距离为 34 67 mm 最远 点位置的距离为 257 84 mm 上剪刃距带钢上 表面的最近点距离是 9 57 mm 下剪刃距带钢 下表面最近点距离是 23 1 mm 在图 2d中 上 下剪刃的最近点位置的距离为 64 137 最远点 位置的距离为 305 437mm 上剪刃距带钢上表 面的最近点距离是 12 86mm 下剪刃距带钢下 表面最近点距离是 49 28 mm 当空切机构的偏心转角等于 90 时 飞剪处 于剪切带钢的位置 剪切时上下剪刃重合量为 1 75 mm 当曲柄转角等于 245 时 下剪刃首先 将带钢向上托起 带钢边部开始受到上下剪刃的 剪切 这时上剪刃的倾斜角为 1 438 下剪刃 的倾斜角为 1 238 当曲柄转动至 255 时 下 剪刃的中点与上剪刃相接触剪断带钢 当曲柄转 动至 270 时 下剪刃的中点与上剪刃的重合量 达到最大值 1 75 mm 这时上剪刃的倾斜角为 0 302 下剪刃的倾斜角为 0 765 当曲柄转动 至 276 时 下剪刃继续上升 上剪刃也开始上 升脱离下剪刃的中点 这时上剪刃的倾斜角为 1 377 下剪刃的倾斜角为 1 575 当曲柄转动 至 292 时 上 下剪刃脱离带钢的边部 上剪 刃继续上升 下剪刃开始下降 这时上剪刃的倾 斜角为 5 121 下剪刃的倾斜角为 3 616 完 成剪 切过程 曲柄剪 切角 47 剪切区行 程 32 88 mm 下转第 42页 33 2010 No 1 重 型 机 械 列表对比 如表 3所示 表 3 优化前后结构各项性能对比表 位移 mm 应力 MPa 重量 kg 减重 量 1阶 频率 Hz 旧2 146 43 169 16 052 新1 8402 586 18 3 16 010 从表 3中可以看出 拓扑优化后的结构不 仅重量相比以前减少 583 kg 而且位移也减小 了 0 3mm 在重量减轻的同时提高了刚度性 能 很好的实现了 重量轻 性能好 的设计 目标 5 结论 本文将拓扑优化的方法应用到煤槽壁支撑桁 架结构设计中 由拓扑优化结果提供的思路设计 出了新结构煤槽壁支撑桁架 经过对比分析表明 新结构的重量比原结构减少了 18 3 刚度性 能也得到提高 而且加工制造方便 很好的实现 了 重量轻 性能好 的设计目标 通过此次对煤槽壁支撑桁架结构的优化设计 可以看出 拓扑优化方法是复杂零部件优化创新 设计中重要的辅助手段 根据拓扑优化方法寻找 一定载荷下最优的材料分布 可以帮助设计人员 跳出常规的设计思路 得出性能优越 造型新颖 的设计方案 但是拓扑优化的结果提供的只是一个材料 分布趋势图 并不包含尺寸信息 要想成功的 把概念模型转化为可以为工程实际应用的结构 模型仍需要设计人员发挥自身的聪明才智 但 不论怎样在复杂零部件设计中引入拓扑优化方 法 确实为设计者的设计开辟了新思路 指明 了新方向 参考文献 1 赵松年 现代设计方法 M 北京 高等教育出 版社 1996 2 李黎明 ANSYS有限元分析实用教程 M 北京 清华大学出版社 2005 3 陈敏志 张旭月 拓扑优化研究方法综述 J 山 西建筑 2005 21 上接第 33页 4 结论 计算和分析结果得到以下结论 1 当空切机构的偏心转角等于 90 时 飞 剪处于剪切带钢位置 下剪刃将带钢向上托起后 进行剪切 符合飞剪剪切带钢的要求 2 剪切带钢时的剪切角小 上下剪刃基本 上处于垂直状态下剪切带钢 即在剪切过程中上 下剪刃基本保持平行剪切带钢 3 当空切机构的偏心转角等于 270 时 上剪刃距带钢上表面的最近点距离 12 86 mm 下剪刃距带钢下表面最近点距离 49 28 mm 距 离带钢上 下表面都有较大的空切距离 不会擦 伤带钢表面 因此选择该角度为空切角 4 由于下刀架的 O6 O3连线 l1较长 处于剪切区的下剪刃回转弧较为平缓 使得下 剪刃在脱离剪切区后仍然距离带钢下表面较 近 容易擦伤带钢 应当控制空切机构的回转 速率 即在上 下剪刃进入