Φ490回转式倍尺飞剪及电控系统设计

490 回转式倍尺飞剪及电控系统设计中文摘要飞剪是线棒材生产工艺线上的关键设备，一般是安装在连续式轧机的轧制线上或连续式独立加工机组的作业线上。其主要功能是对轧件进行切头、切尾、剪切倍尺或处理事故，以保证轧制工艺的畅通，减少堵钢工艺事故，同时对棒材实现倍尺剪切，提高产品质量，提高成材率。近几年来，高速线材生产线上一般采用启停式飞剪。启停式飞剪相对于连续式飞剪结构比较简单，没有机械匀速机构。启停式飞剪的控制系统采用计算机编程智能控制系统，可以控制飞剪电机的转速、刀刃的位置、启动时间和倍尺长度等因素。这样保证了剪切速度与轧件速度的关系和轧件的倍尺长度，提高了剪切精度，降低了工艺事故，并且定尺范围宽、定尺精度高。本论文较系统地论述了启停式倍尺飞剪设计的理论基础。详细地论述了启停式飞剪的主要特点、确定飞剪的剪切速度、电机的选择与校核、传动齿轮的设计、启停式飞剪电气控制原理和气动导卫装置的设计。本文采用可编程控制器 PLC 来对飞剪进行生产控制，大大提高了设备工作的可靠性和自动化程度，并按照所设计的飞剪机的参数要求进行控制设定和棒材进行倍尺优化。本飞剪的设计主导思想来源于生产实际，从企业的生产经验出发，结合现有回转式飞剪机进行设计，实现结构简单化，性能全面化。关键词：飞剪，回转式，PLC，倍尺，优化The 490 Rotary Double Length Flying Shear And Electrical Control System DesignAbstractFlying shear is a key equipment of wire and rod mills product line, are usually installed in the rolling line of the continuous mill or operating line of the continuous independent processing units. The main function of flying shear is use to top cutting、end cutting、double length cutting or handing the accident of work pieces which will ensure a unimpeded rolling process, reduce steel blocking accident. At the same time, realization of double length shear for bar can improve product quality and increase the rate of finished.Recently, high-speed wire rod line adopts start-stop flying shear. The structure of Start-stop flying shear is simpler than continuous flying shear, and does not have mechanical uniform institutions in it. The control system of start-stop flying shear is using computer programming intelligent control system, and can control the factor of flying shear motor speed、blade position、startup time and double length etc. This ensure the relationship between shear rate with rolled piece speed and the double length of rolled piece, improving cutting precision, reducing process accidents, and have wildly range of length, highly length precision.This thesis systematically discusses the theory basis for start-stop flying shear design. Discussed in detail the start-stop flying shears main characteristics、determine the flying shear speed、 selection and check motor、transmission gear design、the electrical control principles of start-stop flying shear，and finally, the design of pneumatic guiding systemThis thesis uses the programmable logical controller (PLC) to control flying shear. By this way, it will remarkably improve the reliability and the degree of automation of equipment. And, in this thesis not only setting control in accordance with flying shear design parameters required, but also making double length optimization to bar.This flying shears main design idea comes from the actual production, and starting from the production experience, combined with the existing rotary flying shear for design, at this condition to simplify the structure and make performance comprehensive.Key words：Flying shear，Rotary ，PLC ，Double length， optimization目录中文摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 研究意义 .11.3 研究内容 .1第 2 章 飞剪机概述 .32.1 飞剪类型 .32.1.1 滚筒式飞剪 .32.1.2 圆盘式飞剪 .32.1.3 曲柄连杆式飞剪 .42.1.4 摆式飞剪 .42.2 回转飞剪的特点 .42.2.1 剪切特点 .52.2.2 结构特点 .72.2.3 传动特点 .102.2.3.1 启停式回转飞剪的工作原理 .102.2.3.2 连续式回转飞剪的工作原理 .112.3 回转式飞剪方案确立 .122.3.1 结构方面 .122.3.2 传动方面 .122.3.3 控制方面 .132.4 飞剪设计应满足的基本要求 .13第 3 章 回转式倍尺飞剪的设计计算 .143.1 启停式回转飞剪的最大剪切力矩计算 .143.1.1 飞剪刀刃转速 .143.1.2 垂直剪切力 .153.1.3 水平方向合力 .163.1.4 飞剪剪切力矩的计算 .193.1.5 飞剪最大剪切力矩的计算 .193.2 飞剪电机的选择 .223.2.1 电机选择计算 .223.2.2 启停式飞剪的剪切周期 .233.2.2.1 飞剪启动时间与启动转角 .233.2.2.2 飞剪制动时间与制动转角 .25第 4 章 飞剪本体齿轮与传动轴设计 .274.1 齿轮设计计算 .274.2 传动轴设计计算 .304.2 导位装置设计计算 .37第 5 章 回转式倍尺飞剪电控系统设计 .405.1 电控系统总体结构设计 .405.1.1 控制系统框图 .405.1.2 电器原理图设计 .405.1.3 PLC 控制模块设计 .415.2 控制原理说明 .425.2.1 轧件速度检测 .425.2.2 刀刃位置控制原理 .435.2.3 倍尺剪切和优化过程 .435.2.4 剪切精度分析 .45结论 .46谢辞 .47参考文献 .48第 1章 绪论1.1 研究背景随着我国工业的迅速发展，各行业间的竞争也日趋激烈。我国的钢铁产量及消费量现已稳居世界第一位，虽然我国钢铁加工产业也一直迅速发展扩大着，但是由于钢铁加工设备的设计制造水平较低，且大部分先进技术被发达国家所垄断者，使得我国钢铁行业的制造水平远远落后于西方国家，制约着我国钢铁行业在国际上的竞争力。现在，随着国内钢铁加工企业的不断增加，对飞剪的需求和制造要求也不断增加。飞剪是轧钢车间的重要设备之一，一般安装在连续性轧制生产线及多种连续精整作业线上，主要用于对半成品或成品轧件进行切头、切尾、倍尺剪切和事故碎断等工序。飞剪的合理选型、剪切精度、运行速度和自动化程度等因素都影响着生产线上产品的成品率、定尺率，总的来说就是影响着轧钢厂的生产效益和经济效益。 11.2 研究意义随着社会主义现代化建设的发展，我国中小型和线材轧钢车间飞剪的广泛应用及改造工作已显得特别突出。飞剪往往处于轧钢工艺线上的“咽喉”位置，常常关系到钢材质量和成材率，但由于大多数飞剪存在结构复杂、设计难度高、制造精度和装备精度要求高、控制困难等问题，因而不满足国内生产的要求。因此，为了适应国内生产发展的要求，特别是中小型企业的需要，降低其加工及设备成本、促进企业生产力、提高其产品在国际市场上的竞争力，因而急需设计和采用新型的、结构与控制较为简单的、便于加工和维护的飞剪设备。飞剪的电气控制是线材工艺线上所有电气控制中较复杂、较难实现的控制方式，飞剪设备的简单化能促进控制的简便化，并且对飞剪设备采用可编程控制器（PLC）大大提高了设备的可靠性和自动化程度。1.3 研究内容飞剪设备是用于棒线材生产线中截断的重要设备，以保证飞剪的高可靠性，降低工艺、设备事故，切头、切尾、倍尺长度符合品种的要求是飞剪设计的指导思想。本设计围绕设计原始资料，如被剪棒料钢种、被剪棒料规格、被剪棒料温度、被剪棒料速度等10 项要求进行合理计算及考虑，设计 490 回转式倍尺飞剪，并且设计其电控系统。其中飞剪部分需要回转式飞剪机体、倍尺飞剪主机和倍尺飞剪导卫装置组成。采用回转式飞剪剪切速度快、应用于高速生产线；倍尺飞剪主机的设计可以满足客户的不同加工定尺要求，使其加工性能更加灵活。并且，飞剪机的设计需要参照现有机型的构造和加工方式来进行适当的创新和改造，以保证其可行性和创新性，可应用于实际生产加工。飞剪机的电控部分设计是采用 PLC 系统控制，使其能对钢胚的线速度进行准确检测，对飞剪的启停及定位进行准确控制，对传动装置的参数进行最佳调整以保证剪切后钢胚的精度，以达到生产要求。本篇论文共分为 6 章。第 1 章，绪论，主要介绍了本课题的研究背景和意义，并给出了此次设计的主要指导思想和主要设计内容；第 2 章，主要对飞剪的类型和回转式倍尺飞剪的剪切特点、结构特点和传动特点进行叙述，并且确定所设计的回转式倍尺飞剪机的结构类型；第 3 章，对飞剪的最大剪切力矩进行计算和电机的选取与校核；第 4 章，对飞剪机的齿轮和传动轴进行设计计算与校核；第 5 章，对飞剪的电气控制系统进行设计论述；最后是对设计的总结。第 2章 飞剪机概述2.1 飞剪类型现代线材生产的特点是高速度、高质量、高产量。为此，在轧制工艺生产线上配置若干台飞剪机，以对轧件进行切头、切尾、倍尺剪切，以保证轧制顺利和成材，或是在发生工艺事故时进行事故碎断。目前生产上应用比较广泛的飞剪机型有滚筒式飞剪、圆盘式飞剪、曲柄连杆式飞剪和摆式飞剪等。2.1.1 滚筒式飞剪滚筒式飞剪是一种比较常用的机型。它通常安装在横切机组或连轧机组上，用于剪切厚度小于 12mm 的钢板或小型型钢。当滚筒式飞剪用于轧件切头时，其剪切的轧件厚度可达 45mm。由于滚筒式飞剪的刀片在剪切时只作简单的圆周旋转运动，因此可以剪切速度高达 15m/s 以上的轧件。当滚筒式飞剪用于轧件的切头切尾时，在滚筒上通常装有两把刀片，分别用于轧件的切头和切尾，此时飞剪采用的是启停式工作制；当滚筒式飞剪用于剪切定尺时，一般采用连续式工作制。在小型车间，由于轧件宽度一般不是很大，故通常将滚筒式飞剪的刀片装在做圆周运动的杠杆上。由于滚筒式飞剪在剪切时其刀片不是作平行移动，因此在剪切厚轧件时轧件的端面较不平整，故滚筒式飞剪通常以剪切薄板材和小型型钢为宜。2.1.2 圆盘式飞剪圆盘式飞剪通常用于小型车间，安装在冷床之前，对轧制后的长轧件进行粗剪切，使进入冷床的轧件不至于太长；或者安装在精轧机组前，对轧件进行切头处理，以保证精轧机组轧制过程的顺利进行。圆盘式飞剪的主要剪切机构是由一对上下布置的相对连续旋转的圆盘组成，圆盘的外圆周互相有几个毫米的重叠，并且在同一平面上相互靠拢，这样就组成了一个剪刃系统。由于刀盘轴线与轧件的运动方向呈一定角度，并且圆盘刀片的圆周速度在轧件运动方向上的分速度与轧件运动速度基本相等，因此使其能剪切运动着的轧件。轧件通过导卫装置实现进入和离开圆盘刀片。当运动着的轧件头部穿过上下圆盘刀片重叠部分的外侧碰到诱导板后，就沿着诱导板一边前进一边进入圆盘刀片重叠部分进行剪切。圆盘式飞剪的主要缺点是剪切断面呈倾斜状，但对于切头或冷床前粗剪轧件影响不大。圆盘式飞剪由于结构简单、制造成本低、工作可靠，并且可用于轧制速度达 10m/s以上的轧件，因此在广泛应用于小型车间。2.1.3 曲柄连杆式飞剪曲柄连杆式飞剪的剪切刀架系统是一套曲柄连杆机构，在剪切角内，剪刃随曲柄做近乎垂直于轧件的剪切动作，因而可以获得较高的剪切质量，但由于其存在不均衡质量，因此剪切速度不能太高，在线材生产中，常将此种形式的飞剪配置在粗轧机出口处，此时，轧件端面还比较大，但轧机轧制速度不是很高，一般不超过 3m/s，使用曲柄连杆式飞剪，可以获得较好的剪切端面，其用途是切头、切尾及事故碎断。曲柄连杆式飞剪按其工作制度可分为启停式和连续式。启停式曲柄剪用于切头、切尾时，电机为启停式工作制；用于事故碎断时，电机则连续工作至一根轧件剪完。连续式曲柄剪又称为起动离合器式曲柄剪，它的传动特点是电机连续运转，通过传动皮带、飞轮、气动离合器和制动器来驱动或制动剪机本体内的齿轮和曲柄连杆的刀架系统。2.1.4 摆式飞剪摆式飞剪分为单偏心曲轴随动式和双偏心曲轴摆动式两种。单偏心曲轴随动式飞剪的主要结构是一根偏心曲拐轴，上剪座通过摆动架铰接在曲拐轴的偏心上，下剪座通过另一摆动架铰接在曲拐轴与轴承位同心的部位，曲拐轴旋转一圈，上剪刃就上下运动一次，与下剪刃共同完成一次剪切运动。双偏心曲轴摆动式飞剪的主要结构是一根双偏心的曲拐轴，上、下剪座通过各自的拉杆铰接在曲拐轴的两个偏心上，当曲拐轴旋转一周时，上、下剪刃就相对完成一次剪切动作。摆式飞剪的传动系统是由连续运转的电机通过带飞轮的减速机、气动离合器和制动器驱动曲拐轴，剪切完后，离合器脱开，制动器接入，直至两个剪刃张开，曲拐轴停止，剪刃系统退回原位处于待机位置。摆式飞剪可以适应更大的剪切力，剪切可靠性好。但由于其具有不均衡质量，因此不适宜高速剪切，通常将其布置在断面较大、轧件速度较低的场合。 122.2 回转飞剪的特点现国内钢材生产企业主要采用的圆盘式飞剪、滚筒式飞剪、曲柄连杆式飞剪、摆式飞剪等虽然从切口质量、剪切精度来看均能满足生产要求，但是这些飞剪存在结构复杂，制造成本较高，制造精度和装配精度要求高，控制复杂等特点。因此，为了适应发展的需要，从而在滚动式飞剪的基础上开发了回转式飞剪。回转式飞剪属于滚筒式飞剪中的一种。将刀刃径向固定在滚筒上的，称为滚筒式飞剪；刀刃径向固定在两个旋转的曲柄上的，则称为回转式飞剪。回转式飞剪的主要优点是：传动结构简单，剪刃动平衡特性好，剪切速度一般可达到 15m/s 以上。因此，能广泛应用于中小型企业的线材生产线中。回转式飞剪主要由飞剪本体、传动装置、辅助装置和控制系统组成。目前，回转式飞剪大多采用可编程控制器作为控制系统，大大提高了其应用率。2.2.1 剪切特点回转式飞剪的剪切动作是通过两根平行的刀轴，转动带有刀刃的刀臂相对旋转而实现的。剪刀刀刃的运动轨迹是以刀轴中心线为圆心的圆。回转式飞剪按工作制度分为启停式飞剪和连续式飞剪，启停式飞剪的电机运行方式为启停制，而连续式飞剪的电机运行方式为连续制。飞剪在剪切工作的时候，为了不影响轧件的顺利通过，通常要求飞剪剪刃的起始位置（即刀架静止等待剪切动作启动的位置）与垂直方向的夹角 不小于剪切时刀刃与轧1件接触的剪切初始角 ，如图 2-1 所示。并且为了避免二次剪切，剪刀的剪切完轧件后2制动结束的位置（即轧件剪切结束后，在电机恒转矩的制动下，刀架因回转件的惯性作用而达到的制动停止点）按照控制要求应与启动位置相同或是与启动位置在对称方向。飞剪在剪切过程中，由于电机的工作制、惯性因素及刀刃的数量不同，刀刃的控制运行路线也是不同的。1 对于单刀式回转飞剪，在对轧件进行切头、切头或是倍尺剪切时，其刀刃的运行路线为：启动加速至剪切速度剪切减速制动回到设定的待剪切起始位置。对于连续式飞剪，其剪切一次的转角为 ，剪切方式如（图 2-1a）所示方案；对于启停360式飞剪，飞剪的剪切运动一般也可以采用（图 2-1a）所示的方案，即飞剪剪切时由位置1 启动加速至位置 2 进行剪切，剪切完毕后制动到位置 3（与位置 1 重合），此时剪刃的转角为 360，但当飞剪的 很大，并且剪切速度较高时，剪刃来不及在很短的时间内2GD加速到剪切速度或制动到停止位置。此时，剪刃的运动可采用（图 2-1b）所示的方案，即剪刃由位置 1 启动加速到位置 2 达到剪切速度并进行剪切，然后在位置 2 到位置 3 的过程中进行制动，制动后再重新启动返回到起始位置 1 准备下次剪切。若此方案还不能满足要求的话，则可以采用空切机构，使加速行程和制动行程在飞剪转一转、两转或更多转的时间内进行。2 对于双刀刃回转飞剪，则有如下两种情况：采用简单剪切制度的飞剪刀刃运行路线为：启动加速到剪切速度剪切减速制动到另一刀刃的起始位置，此时飞剪刀刃剪切一次的转角为 。此时刀刃的运动路线如（图 2-2a）所示的方案 ，当飞剪在启180动时，号刀刃（用“”表示）在位置 1，号刀刃（用“”表示）在位置 1，启动后号刀刃加速到位置 2，达到预设剪切速度并进行剪切，剪切完后进行制动，并停止在位置 3，此时，号刀刃转到位置 3，停止等待下次剪切。采用复杂剪切制度的飞剪刀刃的运行路线为：启动加速到剪切速度剪切减速制动停在另一刀刃的初始位置。其剪切一次的刀刃最大转角应不超过 ，并且12360号刀刃停在号刀刃的初始位置，号刀刃停在号刀刃的初始位置。刀刃一般采用（图 2-2b）所示的方案，即：飞剪启动前，号刀刃（用“”表示）处于位置 1，号刀刃（用“”表示）处于位置 1，启动后号刀刃加速至位置 2，达到剪切速度并进行剪切，剪切完毕后刀刃制动到位置 3，然后重新启动复位到位置 4，此时，号刀刃转至在位置 4，停止等待下次剪切。1、刀刃起始位置 2、剪切开始位置 3、制动结束位置a、简单剪切制度 刀刃从 123 的转角为 360b、复杂剪切制度 刀刃从 123 的转角不大于 720-2 1图 2-1 单刀刃式飞剪刀刃运动线路图1、刀刃起始位置 2、剪切开始位置 3、制动结束位置a、简单剪切制度 刀刃从 123 的转角为 180b、复杂剪切制度 刀刃从 123 的转角不大于 360-2 1图 2-2 双刀刃式飞剪刀刃运动线路图在一般情况下，轧件速度较低时采用简单的剪切制度，轧件速度较高或是 较大2GD时采用复杂的剪切制度。飞剪进行事故碎断时，刀架轴带动刀架连续旋转，将轧件碎断成规定的长度，知道整条轧件剪切完位置。 232.2.2 结构特点回转式飞剪按结构可分为二齿轮驱动单刀式、四齿轮驱动单刀式、二齿轮驱动双刀是、四齿轮驱动双刀式以及多刀式。二齿轮驱动与四齿轮驱动的区别在于：二齿轮驱动是通过减速齿轮或是直接接电机来驱动飞剪本体内的一对互相啮合的齿轮来使上、下刀轴进行旋转（图 2-3），而四齿轮驱动是通过减速器、可变比的减速器或是直接接电机来驱动飞剪本体内的四个相互啮合的齿轮来使上、下刀轴旋转（图 2-4）。通常，在刀刃旋转半径相同的情况下，四齿轮驱动的1、下刀架轴 2、下刀架 3、上刀架轴 4、上刀架 5、齿轮 6、刀刃图 2.3 两齿轮驱动的回转式飞剪（双刃）齿轮直径是二齿轮驱动的齿轮直径的二分之一，因此，剪机的转动惯量大大降低，减少了启动惯量、加速力矩和飞剪启动、制动的时间。所以，四齿轮驱动的飞剪比二齿轮驱动的飞剪更适用于较高的剪切速度。单刀式飞剪（如图 2-5 所示）是每根刀轴上只有一个刀臂和一个刀刃，刀轴旋转一周剪切一次。但由于其刀架存在偏心问题，其转动惯量比双刀式的大，对电机启动、轴承和齿轮均有较大的影响，不宜用于需要高速剪切的飞剪。但是单刀式飞剪剪刃的允许转角较大，启动、制动时间相对较长，对需要高速运转的飞剪的启动、制动有利。因此，为解决单刀式飞剪的偏心问题，如图 2-4b 和图 2-4c 所示，将刀柄做厚，使质量中心向转轴中心移动，减少偏心；或是将刀柄做成滚筒式，都能满足解决偏心的问题。1、斜齿轮（两对） 2、上刀架 3、下刀架 4、下刀架轴 5、刀刃 6、上刀架轴图 2-4 四齿轮驱动的回转式飞剪（单刃）1、刀柄 2、刀刃 3、滚筒图 2-5 刀架改造示意图双刀式飞剪是在每一根刀轴上装有两个刀臂和两个刀刃。双刀式飞剪根据刀刃长度的不同，有可以分为一下两种类型：一种是刀轴上的两个刀臂和两个刀刃完全相同，且互成 180，可以按照简单剪切制度或是复杂剪切制度进行剪切，但是在复杂剪切制度下所能达到的剪切速度比简单剪切制度的剪切速度高。另一种是刀轴上的两个互成 180角的刀臂中，一个刀臂上装有长刀刃，一个刀臂上装有短刀刃。剪切时，上、下刀轴的长刀刃与长刀刃相遇，短刀刃与短刀刃相遇。在剪机入口处有一拨料导管，若将轧件拨向外侧时，只有长刀刃能够剪切到，因此在刀臂旋转一周时只剪切一次，此时通常只用于切头切尾，能够避免产生连剪；若将拨料导管往内拨时，长刀刃与短刀刃均能剪切到，顾刀臂在旋转一周时飞剪剪切两次，此时主要用于事故碎断，是碎断的废料长度减半，便于收集处理。其原理如图 2-6 所示。1、拨料导管 2、气缸 3、短刀刃 4、长刀刃图 2-6 拨料导管工作原理图多刃回转剪，是在两根平行的刀轴上装有三个以上的刀臂和刀刃，故能在旋转一周时进行三次或者更多次的剪切。这种剪机主要用于碎断，剪切的长度较短，容易收集和处理，因此也叫碎断剪（见图 2-7）。 231、下刀架轴 2、下刀架 3、上刀架 4、上刀架轴 5、刀刃 6、齿轮图 2-7 多刃碎断剪2.2.3 传动特点2.2.3.1 启停式回转飞剪的工作原理启停式工作制指的是飞剪本体和电机均为启停式工作制，即飞剪接受剪切信号而进行剪切后，飞剪制动停止到设定的位置，直到一段时间后再启动重复先前的动作。对于启停式飞剪，其刀刃运动过程为：启动加速到剪切转速同步运作（即飞剪以剪切转速运转一定角度）剪切减速制动回到起始位置。其剪切路线方案可采用简单剪切制度或复杂剪切制度。启停式飞剪的传动系统有两种：一种是电机通过减速箱来驱动飞剪本体的一对或四个相互啮合的齿轮使上下刀架轴旋转；另一种是电机直接驱动飞剪本体的一对或四个相互啮合的齿轮来使上下刀架轴旋转。启停式飞剪的结构和传动系统相对于连续式飞剪比较简单。其结构示意图见图 2-8.1、位置编码器 2、飞剪本体 3、联轴器 4、减速机 5、联轴器 6、电机7、测速编码器 8、入口导管 9、机座 10、出口导槽图 2-8 启停式回转飞剪示意图（单刃两齿轮）启停式回转飞剪的控制系统采用计算机编程智能控制，能准确控制飞剪电机的转速、刀刃的位置、启动时间和倍尺长度等重要因素。因此，能保证了飞剪剪切速度与轧件速度的关系，提高了剪切精度和工艺行。启停式飞剪具有停位准确、剪切长度误差小、维修工作量少、能耗低等有点，因而在线材生产中得到越来越广泛的应用。为了保证启停工作制飞剪的剪切精度，在设计中应注意下列问题：1）应选择合适的传动比，以保证最快的加速、制动过程；2）电动机应有较硬的起动特性，以保证较短的加速、制动时间；3）可编程控制器（PLC）的延时调整必须准确，控制精度要高；4）飞剪的控制系统应该严格控制使每次剪切后，剪刃能严格地停止在起始位置上，即剪刃的复位要准确。 232.2.3.2 连续式回转飞剪的工作原理连续式工作制指的是电机为连续式工作制。对于飞剪本体，其运转情况则有两种：一种是事故碎断时，飞剪剪刃是连续运作的；另一种是切头、切尾时，飞剪剪刃是按启停式工作的，一般由气动式离合、制动器来实现控制。连续式飞剪的剪切制度为简单剪切制度，其刀刃的运行路线为：启动（气动离合器充气、气动制动器放气）加速至剪切速度剪切减速制动（气动制动器充气、气动离合器放气）回到设定的待剪切起始位置。连续式回转飞剪的传动系统是由连续运转的电机通过电动机、减速箱、气动离合器和制动其驱动飞剪本体内的一对或四个互相啮合的齿轮转动上、下刀轴旋转。当进行剪切启动时，启动离合器充气，离合器放气，电机通过减速箱驱动飞剪刀架进行剪切运动，剪切完后，气动离合器放气，制动器充气，将刀架制动至起始位置。其结构示意图如图2-9 所示。1、飞剪本体 2、气动制动器 3、感应盘 4、接近开关 5、气动离合器 6、联轴器 7、电机图 2-9 连续式回转飞剪（双刃四齿轮）连续式飞剪也可采用可编程控制器（PLC）进行控制，与早起所采用的继电器控制相比，继电器存在反应时间较长、延时调整不准确等缺陷，因而现今对连续式飞剪的控制精度也逐步提高。但是，连续式回转飞剪存在以下缺陷：1）在轧制产品的规格变化时，轧件的轧制速度也会随之变化，此时由于连续式回转飞剪的电机是连续运作的，其转速不能按轧件速度的变化而即时做出调整，剪切转速和轧件速度的关系得不到保证。因此，使得在线控制变得困难。2）连续式回转飞剪的剪刃启动和停止是完全靠气动离合器和制动器来控制的，因而需要气动离合器和制动器具有优异的性能，同时对气动系统的控制元件也有着严格的灵敏度要求，要求其动作必须灵敏、可靠。如因某种原因（如气动离合器或制动器内有油污、磨损或气压不足等）造成离合与制动时存在偏差，将会使剪切过程或制动过程产生问题，出现轧件剪不断或是制动不灵敏产生连剪现象。3）离合器和制动器的摩擦块是易磨损件，其更换的工作量比较大，且费用较高。4）连续式飞剪的电机是连续运行的，其中大部分的时间由于剪刃不作功，使得电能浪费较多，产生较大的成本消耗。 232.3 回转式飞剪方案确立结合公司回转式飞剪的设计要求与上述回转式飞剪的特点，经过严密的思考，现确定所设计的回转式飞剪的方案如下：2.3.1 结构方面在结构方面需要考虑的主要问题：剪刀刀刃个数、刀柄结构和齿轮传动形式。1 根据公司所需要设计的飞剪功能要求，由于本飞剪主要实现对轧件进行倍尺剪切，且所剪切的轧件速度在 5m/s-15m/s 之间，在控制过程中，速度较高时所需要的启动角和制动角通常都比较大，多刀刃形式的飞剪不能满足其要求，故在刀刃方面采用单刀刃形式。2 刀柄结构方面采用如图 2-5b 所示的刀柄结构方案，因为刀柄存在着偏心问题，这将会大大增加刀柄的转动惯量，虽然图 2-5c 所示方案能很好地消除刀柄的偏心问题，但是显然在同样的刀柄旋转半径下，图 2-5c 的方案不仅制造相对困难，且刀柄的重量相对较重，材料浪费问题也相对严重。相比之下，图 2-5b 的方案在能减少偏心带来的问题的情况下，其在制造和材料用量方面都比较占优势，且在刀柄装配完后进行动平衡测试，就能在一定条件下尽量减少质量偏心。3 齿轮方面则采用一对齿轮驱动。因为对于四齿轮传动，其在齿轮、传动轴、箱体的制造加工方面相对比较麻烦，需要更大的成本，且由于倍尺飞剪的传动精度要求较高，齿轮越多则其传动过程中的齿轮侧隙影响越明显，故不采用此方式。而对于一对齿轮传动的情况，虽然其转动惯量相对较大，但是经过热处理后，在满足齿轮强度的条件下，可以尽量减少其质量以符合飞剪的启动和制动要求。并且，齿轮采用硬齿面可以增加其传动精度，因此，选择采用一对齿轮驱动。2.3.2 传动方面在传动方面则需要考虑的问题：传动系统和飞剪工作制度。1 传动方面是采用电机直接驱动飞剪本体的一对相互啮合的等比齿轮来使上下刀架轴旋转的方式，因为对于轧件速度在 15m/s 的情况下，飞剪的剪切速度要求比较高，不经过减速箱能使飞剪获得更高的剪切速度，以满足要求。并且不采用减速箱同时也可以降低成本。2 此回转式飞剪的工作制度采用启停式工作制度。因为此飞剪主要用于对倍尺剪切，只需要对轧件进行一定的长度剪切，在启动和制动满足时，可以采用启停式的工作制度来进行剪切。此时，不仅可以减少对电能的浪费，同时也可以免除气动式离合器、制动器的使用，在一定程度上降低制造成本，同时也满足生产需求。2.3.3 控制方面在飞剪机的控制方面采用的是可编程控制器（PLC）对飞剪进行控制。由于飞剪的倍尺剪切对剪切精度要求、轧件分段控制的要求较高，且飞剪的启停式工作制度对飞剪的启动时间、制动时间、轧件的速度、位置检测、剪刃的位置检测、剪刃的速度控制要求都相对较高，故采用 PLC 对飞剪进行控制，以提高其剪切精度、可靠性和自动化程度。2.4 飞剪设计应满足的基本要求1 为了保证轧钢工艺线的正常生产，飞剪设计应满足下列工艺要求：1）满足轧机或机组生产率的要求。2）满足产品规格的要求，能够剪切所要求的断面尺寸及定尺长度。3）满足剪切质量的要求，即长度公差和断面质量要符合国家有关规定，4）满足剪切同步性的要求，为保证飞剪能够在轧件运行过程中顺利地进行剪切，剪刃剪切速度在轧件运动方向上的瞬时分速度 应与轧件的运动速度 同步，否则将产生xvov“拉钢”或“堆钢”现象。2 为了满足上述工艺要求，在飞剪的结构设计中，应遵循下列一些原则：1）飞剪的上下刀刃除了必须在轧件垂直方向上作相对运动，以保证把轧件切断外，在剪切过程中，剪刃还必须和轧件一起移动，以保证剪切同步性的要求。2）上下刀刃的运动轨迹必须为闭合曲线（回转飞剪的刀刃运动轨迹为闭合的圆），以保证剪刃返回时不阻碍轧件继续运动。3）剪切过程中，上下剪刃应保证所要求的侧向间隙。4）飞剪必须严格按照启停式工作制度进行工作，以保证倍尺剪切的要求。5）尽量减少飞剪回转件的质量和加速度，以减少飞剪的动载荷，提高飞剪的剪切能力，以适应生产要求。 2第 3章 回转式倍尺飞剪的设计计算当确定飞剪的结构和剪切形式以后，为了结构的设计，必须选择飞剪的主要运动参数。这些参数包括飞剪的基本转速 、jn剪刃圆周速度 、剪刃剪切时的轨迹半径 、vR剪刃重叠量 、剪刃回转中心距 、确定剪切开始角 、剪刃侧向间隙 及其调整范围等Sa1e（如图 3-1）。对此飞剪的参数设计主要根据公司所需要的飞剪性能进行设计计算。其中主要对所设计的飞剪的基本转速 、剪刃圆周速度 、刀刃的剪切角 、剪切力矩和电机进行计jnv1算、校核。其中与计算有关的公式、参数的使用主要参考2中 P231-P244 的剪切机平刀刃设计和 P322-P330 的飞剪机设计计算。图 3-1 飞剪主要运动参数示意图3.1 启停式回转飞剪的最大剪切力矩计算3.1.1 飞剪刀刃转速飞剪在进行剪切时，为了避免因刀刃转速过小或过大而产生的“堵钢”或“拉钢”等事故，在设定飞剪的剪切转速时，应尽可能使飞剪刀刃的水平分速度 与轧件速度xv一致。但是在控制过程中要实现 是很困难的。因此，在设定飞剪转速时，可采ov oxv用剪刃在轧件运动方向的分速度 略大于轧件运动速度，即：公式(3-1）ox)03.1(并且在剪切时刀刃转速与水平分速度的关系为：公式（3-2）1cos/xv由于剪刃的运动轨迹为圆，故由图 3-2a 刀刃剪切初始角 为：1公式（3-3）RhA2cos1由于 sRA2则：剪切初始角也可以表示为：公式（3-4）Rsh21cos式中：上下刀架轴的中心距（mm） ；A 被剪轧件的直径（mm） ；h刀刃重叠量（mm） ；s刀架的回转半径（mm） 。R刀刃的转速为：公式（3-5）Rvnj210合并式（3-2）和式（3-5）可得刀刃的转速 公式为：j公式（3-6）10cos26)3.10(vnj式中：轧件的速度（m/s） ；0v刀刃剪切初始角 ；1)(0刀架的回转半径（mm） 。R3.1.2 垂直剪切力在计算剪刃剪切力时，最大剪切力通常是用于设计或校核剪切机构的零件强度。为了选择电机功率和计算传动系统的零件强度，则必须找出剪切力随飞剪刀轴转角的变化规律。因此，根据平刀刃剪切力计算公式有：公式（3-7）APt1式中：随着飞剪刀刃相对切入深度变化的剪切力（ ） ；1P N不同相对切入深度下的单位剪切抗力（ ） ；t 2/m被剪轧件的原始截面面积（ ） ； 。A2)5.0(A 图 3-2a 剪切过程示意图 图 3-2b 刀刃的受力示意图3.1.3 水平方向合力飞剪剪刃在剪切过程中不仅有垂直方向的运动，还有水平方向上的运动，故在水平方向上还有受到侧压力 、水平拉力 和动载荷 。TQU1 侧压力侧压力是剪切过程中轧件对剪刀刀刃侧面的压力。侧压力 与刀刃的侧间隙和剪切时T上、下刀刃与轧件的同步性有关。对于回转式倍尺飞剪，其本体中的齿轮啮合间隙较小，因此上下剪刃的同步性较好，故刀刃的侧隙也很小。根据实测数据有：公式（3-8）1%7PT式中： 在不同相对切入深度下刀刃的侧压力 。T )(N2 水平拉力 Q若飞剪剪刃在水平方向运动严格和轧件同步，则剪刃在水平方向上基本是不受力的。然而，这是很难保证的，因此轧件中通常会产生拉力。准确计算此水平拉力，对考虑轧件产生拉应力是否超过该剪切温度下的弹性极限，以及准确计算飞剪的结构强度和电机功率都是非常必要的。1） 剪切角：由前面式（3-4）有剪切初始角 ：1Rsh2cos因此，在剪切过程中剪切瞬时角为：公式（3-9）Rshi2)1(cos式中：相对切入深度：刀刃切入深度占轧件高度的百分比；被剪轧件的直径（mm） ；h刀刃重叠量（mm） ；s刀架的回转半径（mm） 。R2） 刀刃在水平方向的位移 ：1L公式（3-10）)sin(i1R3） 轧件在剪切时间内的位移 ：0L公式（3-11）rtv0其中：公式（3-12）vRtir180)(综合式（3-11）、（3-12）可得：公式（3-13）vLi180)(0式中：轧件的速度（ ） ；0vsm/剪切时间（ ） ；rt飞剪刀刃剪切速度（ ） 。/4） 剪切终了时轧件的伸长量 ：L公式（3-14）015） 根据虎克定律，水平拉力为：公式（3-15）EAQ又有： 公式（3-16）L综合式（3-15）、（3-16）两式可得：公式（3-17）EALQ式中：从飞剪前最近的轧机中心线至飞剪中心的距离（ ） ；L m水平拉应力（ ） ；EN剪切温度下轧件的弹性模量（ ） ， ；Gpa2/450NE轧件截面积（ ） 。A2m3 动载荷 u由于剪刃的回转速度大于轧件速度，因此在水平方向上还有使轧件加速而产生的动载荷。当轧件速度由 加速到剪刃速度 是，根据参考公式有：ovv公式（3-18）ntgGu0式中：被加速轧件的重量（ ） ；Gk公式（3-18a）LG被加速轧件的单位理论重量（ ） ； mkg/被加速轧件长度（ ） ；rL轧件被加速的时间（ ） 。nt s公式（3-18b）jnt15将式（3-18a）、（3-18b）带入式（3-18）可得：公式（3-19）105)(jrvgLu在水平方向上的总和力为：公式（3-20）uQTP23.1.4 飞剪剪切力矩的计算由图 3-2b 可以看出，刀刃在剪切过程中所受合力为：公式（3-21）21PF剪切合力与垂直剪切力的夹角为：公式（3-22）F2arcsin公式（3-23）i则剪切过程中刀刃剪切力矩为：公式（3-24）sinFRM因此剪切过程