曲柄连杆式飞剪运动分析.pdf

1 4 钢 铁 技 术 2 0 0 5 年第 4期 冶金设备 曲柄连杆式飞剪运动分析 陈德银 中冶赛迪公司设备成套部 重庆4 0 0 0 1 3 摘要 根据理论力学原理对曲柄连杆式飞剪进行了运动分析 推导 了飞剪剪 Y 4 移 速度和加速度的理论计算公式 编写了相应的计算程序 并以某高速线材轧制线曲柄连杆式飞剪为算例进行了计算 实践证明了计算理论和方法的正确性 关键词 曲柄连杆式飞剪运动学参数运动分析 1 前言 飞剪用来横 向剪切运动着的轧件 它可装备连 轧生产线 也可装备横切机组 连续镀锌机组和连 续镀锡等连续作业精整机组 飞剪 的功能有两个 倍尺或切头切尾 飞剪是轧钢关键设备 飞剪 的发 展必须适应轧钢高速化 连续化的发展趋势 飞剪 类型很多 应用较广泛的飞剪型式有圆盘式飞剪 滚筒式飞剪 双臂杆式飞剪及 曲柄连杆式飞剪等 要保证飞剪剪切质量 必须满足如下要求 1 剪 刃的水平速度应 该等 于或稍 大于轧件 的 运行速度 2 两个剪刃应具有最佳的剪刃间隙 3 剪切过程中 剪刃最好作平面平移运动 即 剪刃垂直 于轧件的表面 4 飞剪的运动构件 其加速度和质量应力求最 小 以减小惯性力和动负荷 5 对 于定尺剪 要按一定工作制度工作 以保 证定尺长度 6 能满足轧机或机组生产率的要求 为了更好地控制飞剪的剪切质量 对飞剪剪刃 的运动学参数进行计算 显得尤为重要 特别是需 要得到作平面平移运动的剪刃轨迹 即位移 曲线 更是如此 2 曲柄连杆式飞剪运动学参数分析 2 1 剪刃运动轨迹分析 曲柄连杆式飞剪的机构简图如图 1 所示 图中 0 C分别为机架上两个固定铰接点 曲柄 0 A r 连杆 A B 1 2 摇杆 B C R A D h 连杆 B A D 的夹角 ZB AD e 建立 如 图的静坐标 系 X 0 Y 和动坐标 系 X A Y 设 曲柄 0 A沿顺时针方向旋转 0 A与 X轴的 夹角为0 则点 的坐标可表示为 I XA O A C O S 0 Y A O A s i n 0 作辅助 线 连接 A C 就形成两个三角形A O A C和 A A B C 因直线 C E与 X轴平行 所 ZE C 0 1 8 0 p 其 中p 为 0 C与 X轴 的夹角 线段 A C的长度用 A C 两点间的距离表示为 AC一 根据余弦定理及解析几何理论可推导出剪刃 D 的坐标计算公式如下 其中 p 为曲柄转角0 的间接函数 即剪刃的坐标 是 曲柄转角0 而变的函数 因此 fX D f 0 1 Y g 0 一 5 i b S n 卜 吖 l I L 维普资讯 2 0 0 5年第 4期 钢 铁 技 术 1 5 有一个0 角 就有一个剪刃坐标 Y o 与之对 的角速度 其表达式为 譬 翩 撒排 便 可 得 到 剪 刃 运 动 轨 迹 d t C Xc Yc ak E 图 1 曲柄连杆式飞剪机构原理图 2 2剪刃运动速度分析 根据理论力学速度合成定理 动点 D的绝对速 度 等于牵 连 速度 与 相对 速度 的矢量 和 即 手 Vr a 在机构简图中 动坐标系的原点 A相对静坐标 系作圆周运动 即牵连运动为圆周运动 剪刃 D相 对动坐标系的运动是绕动坐标系原点 A的摆动 其 摆动角速度为 o 连接机构简图中的 A点和 C点 形成两个三角形A O A C I A C A B 在三角形A O A C中 ZE C 0 ot 其中 为 曲柄 0 A的角速度 通过多次解 三角形可得到杆件 B A D与 x 轴的夹角计算公式为 p c o t 7 c c o t a r c c o s U 1 一a r c c o s U2 2 式中 U I 一 W 1 U 2 V 2 1 2 V wl r l l C O S C O t D W2 l l 一 R r 2 2 r 1 1 c o s c 0 t v r l 一 2 r l l c o s o t 3 在动坐标系 中 根据角速度的定义 剪刃的角速度等于连杆 B A D 将有关各值代入整理后可得 D V W l r d W l d t v 丽 d W r 一 d t 3 剪刃 D相对 动坐标系原点 A 的摆动速度 为 V D A l 3 C O D 方 向为过点 D垂直 A D 如图 1 所示 坐标系原点 A相对静坐标系原点 0的转动速度为 V A r C O 方向为过点 A垂直 0 A 如图 1 所示 剪 刃的绝对速度可表示为 D D 将速度矢 量沿两个垂直坐标方向分解后 可得 4 于是剪刃速度为 v 2 2 其 方向 与x轴的 夹 角 c 2 3剪刃运动加速度分析 根据理论力学的加速度合成定理 动点的绝对 加速度等于牵连加速度 相对加速度与科氏加速度 的 矢 量 和 剪 刃 的 加 速 度 可 表 示 为 aD 一 A D A a k 2 3 1 牵连加速度计算 因点 A绕定轴 0作等速圆周运动 其加速度只 有向心加速度 法 向加速度 a r 方向指向 圆心 0 与 X轴的夹角为 7 1 一 c o t 将此加速度沿 X 轴和 Y轴方 向分解可得 5 b b 叭 叭 景 宝 t c 璺 C S 2 2 r r 一 一 a a 维普资讯 1 6 钢 铁 技 术 2 0 0 5年第 4期 2 3 2相对加速度计算 根据加速度 的定义 剪刃相对动坐标系的加速 度为 一 将此加速度沿 X轴和 Y轴方向分解可得 其 中V D A x l 3 D s i n e 一 p 将其代入可得 则剪刃相对于动点 A的加速度 为 aDA 一 a a Y 其方向为 与X轴的 夹 角 Q D A a r c ta il I 兰 旦 I a DAX 2 3 3科氏加速度计算 根 据 理 论 力 学 计 算 科 氏加 速 度 应 为 五 l 2 面 n 其 中 为相对速度 科 氏加速度 的数值为 a k 一2 可 V D A s i n l 其中 为矢量0 与 V 队 间的夹角 根据图 I 9 0 因此 a k 一2 V D A 方向沿 A D直线离开 A点 将科 氏加速度矢量沿 X Y 坐标轴分解可得 2 3 4合成加速度计算 在前面分析的基础上 剪刃沿 X Y轴方向的 加速度分量可表示为 a o x a a D A x a k x 6 a DY a A y十 aD A Y ak y 于是 剪刃的合成加速度为 a 一 a 2 x a 2 v 其方向 与 X轴的夹角 Q 一 a r c t a n a a D x v 1 3 飞剪运动学参数计算程序设计 从前面的分析可 以看出 剪刃 的运动位置 运 动速度和运动加速度均为曲柄转角0 的隐式复合函 数 函数里面反复多次套函数 人工计算相当复杂 必须借助计算机通过编程来计算 本文采用高级程 序设计语言设计了计算 曲柄连杆式飞剪运动学参 数 的计算程序流程图如图 2所示 程序开始后 首 先选择将要计算的内容 根据计算 内容的不 同 程 序分两个分支 一个分支用于计算剪 刃的运动轨 迹 即不同时刻的剪刃坐标 另一个分支用于计算 剪刃的运动速度和运动加速度 在进行计算之前 都要先输入各种 已知参数 机构参 数及 计算步长 等 所有参数输入完后进行计算 计算结果 以数据 文件 的型式输出 如果计算结果符合要求 程序运 行结束 如果计算结果不满足设计要求 程序又返 回输入 已知参数的人机对话窗 口 再修正对应的机 构参数 再进行计算 如此反复 直到获得满意的 计算结果 4 飞剪运动学参数计算实例 本文以某钢铁公司高速线材 L S U 生产线上 6 号 轧机后 曲柄连杆式飞剪机为例 对飞剪的运动学参 数进行了计算 4 I 剪刃运动轨迹计算 该曲柄连杆式飞剪机 的机构特征参数分别为 曲柄长度 1 2 5 m m 连杆长度 6 2 5 m m 摇杆长度 2 1 5 m m 剪 刃臂长 度 3 1 4 m m 连杆 与剪刃臂 间夹角 1 3 5 1 计算必须的原始数据还有 C点的 X Y 坐标分别为 3 8 5 m m 5 2 5 m m 曲柄起始角为 0 曲柄终止角 3 6 0 曲柄转角计算步长 5 将这 些数据通过对话窗 口输入 然后执行计算 就可得 到剪刃轨迹的计算结果 计算结果以数据文件的形 式输出 再利用 a u t o C A D将这些数据处理成 图形 如图 3所示 从图中可 以看 出 该剪刃轨迹近视一 椭圆 因上下剪刃成对称布置 所 以剪刃轨迹也成 对称布置 从剪刃轨迹可看出 剪刃在垂直位置时 剪刃轨迹的曲率半径很大 曲率小 有利于得到平 学 X Y A A D D a a J j j 彳 卜 彳 卜 O 彳 卜 彳 卜 e L L 队 队 蜀 l 砌 一 Y a 维普资讯 2 0 0 5年第 4期 钢 铁 技 术 1 7 整的剪切面 即得到较高的轧件剪切质量 4 2剪刃运动速度和加速度计算 开始 剪 燃度 I 算内容 l 输 入 各 种 已知 参 数 机构参数及 曲 柄转角计算步长 进行剪刃轨迹计算 输 入 各 种 已 知 参 数 机构参数及 曲 柄转角计算步长 进 行剪 刃速 度 和加速度计算 否 以不 同数 据 文 件 输 出计算 结 果 结果符合要求 结 束 l 图 2 运动学参数计算程序流程图 计算剪刃速度和加速度时 除了输入与剪刃轨 迹计算用的相同机构特征参数和原始数据外 还要 输入传动 比 3 8 6 电机转速 2 0 0 r m i n 将这些数 据输入后执行计算 就可得到剪刃速度和加速度数 据 由于剪切质量仅与剪刃开始接触轧件到剪断轧 件这一段有关 因此 本文只计算的曲柄转角 4 8 5 9 O 这一段的剪刃速度和加速度 计算结 构也 以数 据文件 的形式 输 出 同样 也可 以利 用 a u t o C A D将这些数据处理成 图形 如图 4和图 5所 示 从图 4中可以看出 飞剪从开始接触轧件到剪 断这一区段 随曲柄转角增加 飞剪剪刃的速度在 X轴负方向的分量也增加 从图 5中可 以看 出 飞 剪从开始接触轧件到剪断这一区段 随 曲柄转角增 加 飞剪剪刃的加速度在 X轴负方向的分量在减小 通过改变电机的转速 变速电机 来改变剪刃开 始接触轧件 时沿轧件运行方向的速度 从而使其与 轧制速度相匹配 以期取得较好的剪切质量 上剪刃轨迹 下剪刃轨迹 C Xc Yc 图 3 剪刃轨迹 图 L L I 6 0 E 玺 j 4 习 运 动 水 半 速 度 臣 D x m s J 1 l L 一 1 I 图 5 剪刃运动水平加速度 图 一 0 吖 r I广 维普资讯 1 8 钢 铁 技 术 2 0 0 5年第 4期 5 结 论 1 本文对 曲柄连杆式 飞剪运动分析 的方法和 计算程序 具有一定的通用性 只要是 曲柄连杆式 飞剪 都可以用本文提供的计算公式及计算软件来 计算其运动学参数 2 本文设计 的曲柄连杆式 飞剪运动学参数计 算程序 为曲柄连杆式 飞剪的设计提供了一个科学 的 高效的 可靠的设计计算手段 有效地缩短了 设计时间 可 以显著地提高设计效率 3 飞剪的运动学参数 直接影响到飞剪的剪切 质量 因此对飞剪运动参数的计算及优化是非常必 接第 1 1页 5 结束语 超薄精密不锈带钢的产品附加值高 生产难度 高 需要较多的技术积 累和生产技术诀窍 建议国 内的常规不锈钢冷轧厂利用 自己的技术及原料供 应优势 涉足超薄不锈 带钢领域 拓展产品范围 更好地满足市场需求 简讯 要 的 参考文献 1 邹家祥 轧钢机械 M 北京 冶金工业出版社 2 0 0 2 2 2 刘宝珩 轧钢机械设各 M 北京 冶金工业出版 社 1 9 8 4 6 3 郝同生 理论力学 M 北京 人民教育出版社 1 9 8 3 3 收稿 日期 2 0 0 5 0 5 2 5 参考文献 1 不锈钢超 薄带 的拉伸矫直工 艺 J 上海冶金设计 1 9 9 6 年第 4期 2 陈 良 不锈钢薄带冷轧机 J 上海宝钢工程设计 2 0 0 0 年第 1期 收稿 日期 2 0 0 5 0 5 1 2 我公司总承包的攀钢三镀锌全线运行情况 良好 我公司总承包 同时承担技术总负责 做基本 设计和详细设计 承担编程与调试 采购全线设备 含 国外关键设备 的攀钢新建三号连续热镀锌线 2 0 0 5年 6月 2 0日竣工投产 该生产线是我国第一 套 由国内技术总负责 的具有 国际先进技术水平 的 年产 3 0万 吨热镀锌线 投产至今 机组设备运行 正常 生产情况 良好 投产 4 7小时就生产出合格 热镀锌板 投产 1个月 已累计生产 9 3 6 0吨热镀 锌板 平均合格品率为 8 l 最高 日产量达 8 4 0吨 最高班产量达 3 8 5吨 整个生产线的 2 9 9项控制功 能 除二级计算机的 l 7项外 基础 自动化控制功 能全部调试完成并投入使用 目前