供稿|張宏洲

剪切機(jī)主要力能參數(shù)的新研究

供稿|張宏洲

內(nèi)容導(dǎo)讀

鋼鐵行業(yè)本身是一個(gè)高能耗的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)和能源的危機(jī)，必然要對(duì)高能耗的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗的改造和開展低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)改造及新設(shè)備的低碳設(shè)計(jì)來滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求，就必須對(duì)現(xiàn)有的理論進(jìn)行深入的分析和研究，為其提供理論依據(jù)。在此前提下，作者根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)剪切機(jī)力能參數(shù)進(jìn)行深入分析和計(jì)算，無論是對(duì)新的剪切機(jī)或同類設(shè)備工藝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還是對(duì)原設(shè)備的工藝改造及產(chǎn)能裕度的計(jì)算，都具有實(shí)際意義。

剪切機(jī)是現(xiàn)代軋鋼車間連軋生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，通常用于方坯、扁坯、鋼板和一些條形鋼材的切頭、切尾和定尺長(zhǎng)度的切斷。中國從 20 世紀(jì) 70 年代引進(jìn)現(xiàn)代化的冶金設(shè)備至今，不論是引進(jìn)的和自行設(shè)計(jì)的剪切機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)使用中都會(huì)出現(xiàn)不同程度的問題。通過長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)現(xiàn)有的多種設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)測(cè)、力學(xué)分析、有限元分析，發(fā)現(xiàn)力能參數(shù)計(jì)算是值得深入認(rèn)真研究的重要問題。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剪切機(jī)不斷產(chǎn)生，一般根據(jù)工作原理、刀片形狀和用途的不同，可分為平行刀片剪切機(jī)、斜刀片剪切機(jī)、圓盤式剪切機(jī)、飛剪機(jī)這幾種基本類型。目前的剪切機(jī)一般由剪切系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、離合系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。

剪切機(jī)的主要參數(shù)包括兩類：一類是結(jié)構(gòu)參數(shù)，如刀片行程、刀片最大開口度、刀片尺寸和剪切次數(shù)：另一類是力能參數(shù)，如剪切力、剪切力矩和電機(jī)功率。

結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定主要根據(jù)軋件的斷面尺寸以及生產(chǎn)工藝決定，但其參數(shù)的變化與力能參數(shù)又緊密結(jié)合。力能參數(shù)的確定最終決定了結(jié)構(gòu)參數(shù)。每一個(gè)力能參數(shù)的確定都與剪切力有密切關(guān)系。不管其結(jié)構(gòu)再復(fù)雜，其力能參數(shù)是基本不變的。因此對(duì)剪切機(jī)力能參數(shù)的深入研究，對(duì)現(xiàn)有的在線設(shè)備改造和新研制設(shè)備都具有重要的實(shí)際意義。

剪切機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

近些年來，隨著軋鋼設(shè)備現(xiàn)代化發(fā)展，高新技術(shù)水平不斷提高，一般軋鋼車間常見的剪切機(jī)是啟停式連桿機(jī)構(gòu)，這種剪切機(jī)從原理結(jié)構(gòu)上大致可分為兩類：一類是離合器啟停式剪切機(jī)，始于 20 世紀(jì) 70 年代我國引進(jìn)消化技術(shù)和自行設(shè)計(jì)制造的設(shè)備，其主要有氣動(dòng)離合和機(jī)械離合以及帶反爬復(fù)位裝置的離合控制；另一類是電機(jī)啟停式剪切機(jī)，目前國外的先進(jìn)設(shè)備多是直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)控制，控制精度高，價(jià)格昂貴。

上切式曲柄連桿滑座式剪切機(jī)是啟停式連桿機(jī)構(gòu)典型的結(jié)構(gòu)。該類型剪切機(jī)主要由電機(jī)、飛輪、離合和制動(dòng)器、剪切機(jī)本體 (包括減速器)、檢測(cè)元件等部分組成。其特點(diǎn)是氣動(dòng)離合器和氣動(dòng)制動(dòng)器一般都安裝在高速軸上，通過對(duì)氣動(dòng)離合器和氣動(dòng)制動(dòng)器的控制來實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的兩種狀態(tài)：一種是非剪切狀態(tài)。此時(shí)，氣動(dòng)離合器處于打開狀態(tài)，氣動(dòng)制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，高速軸不轉(zhuǎn)，電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)飛輪長(zhǎng)轉(zhuǎn)，上刀座處于剪切上位。另一種是剪切狀態(tài)。此時(shí)，氣動(dòng)離合器處于閉合狀態(tài)，氣動(dòng)制動(dòng)器處于打開狀態(tài) ，高速軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，通過二級(jí)傳動(dòng)減速器帶動(dòng)曲軸及滑座、上刀座完成一次上下剪切動(dòng)作。剪切完成后通過檢測(cè)元件發(fā)信號(hào)直接進(jìn)入非剪切狀態(tài)。

剪切力的計(jì)算

依據(jù)剪切機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的典型性對(duì)其力能參數(shù)進(jìn)行深入的研究對(duì)設(shè)備產(chǎn)能的發(fā)揮和新設(shè)備的設(shè)計(jì)是有指導(dǎo)意義的。

首先是剪切力的計(jì)算。此類型剪切機(jī)的刀片形狀圖一般有以下兩種形式：一種是平行刀片剪切機(jī)見圖 1 (a)；一種是斜刀片剪切機(jī)見圖 1 (b)。

圖1 (a) 平行刀片和 (b) 斜刀片剪切機(jī)

平行刀片剪切機(jī)的兩個(gè)刀片彼此平行，通常用于剪切鋼坯，有時(shí)也用于管坯和小型圓鋼。斜刀片剪切機(jī)的兩個(gè)刀片，一個(gè)水平，另一個(gè)則傾斜某一角度 α，通常用于冷剪、熱剪鋼板和薄板坯，有時(shí)也用于棒料和型鋼。按圖 1 (a) 斷面 F (剪切力) 圖對(duì)剪切力進(jìn)行計(jì)算分析。一般按下式計(jì)算：

成果轉(zhuǎn)化服務(wù)人才隊(duì)伍建設(shè)方面存在的問題 科技成果轉(zhuǎn)化往往需要資金和市場(chǎng)，轉(zhuǎn)化需要包括技術(shù)研發(fā)、技術(shù)經(jīng)紀(jì)、技術(shù)市場(chǎng)把握、與企業(yè)溝通談判等在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作，從目前的情況分析來看，江蘇師范大學(xué)要不斷地加大比較熟悉市場(chǎng)且懂得相應(yīng)技術(shù)的中介人才隊(duì)伍的建設(shè)，從而推動(dòng)學(xué)校專利成果轉(zhuǎn)化。

式中，F(xiàn)max為最大剪切力，N；τmax為最大單位剪切阻力，N / mm2；A 為被剪切原始斷面面積，mm2；K1為考慮刀刃磨鈍、刀片間隙增大而使剪切力增大的系數(shù)，可按剪切機(jī)的能力選?。恍⌒图羟袡C(jī) (F ＜ 1.6 MN)，K1= 1.3；中型剪切機(jī) (F = 2.5 ～ 8 MN)，K1= 1.2；大型剪切機(jī)(F ＞ 10 MN)，K1= 1.1。

在設(shè)計(jì)剪切機(jī)時(shí)，首先通過坯料確定最大斷面尺寸和找出材料單位剪切阻力曲線最大值，選取合適的負(fù)荷系數(shù)就可以計(jì)算出最大的剪切力。這種計(jì)算出來的剪切力作為本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的值，會(huì)與實(shí)際測(cè)量的不符。通過對(duì)使用的狀況實(shí)測(cè)及分析，在所有的剪切過程中無論是什么類型的剪切機(jī)，在實(shí)際剪切過程中，其刀片突然遇阻，所產(chǎn)生的沖擊力是比較大的。在剪切中，一般從剪切開始到剪切結(jié)束時(shí)間為剪切周期的 1/4，時(shí)間一般都不超出 1 s，如果是高速線材和帶鋼所用的在線飛剪機(jī)，則時(shí)間有的不超出 0.01 s，時(shí)間很短。同一種材料，同一種規(guī)格，其速度越快沖擊力越大。依據(jù)動(dòng)量定律，動(dòng)量的增量等于合外力的沖量。即：

式中，t1、t2為剪切開始時(shí)間、剪切深入 30 % 時(shí)間；F 為瞬間沖擊力；Fm為平均沖擊力；m為上刀座的質(zhì)量；v1、v2為剪切開始速度、剪切深入 30 % 的速度。

從式 (2) 可以看出時(shí)間越短沖擊力越大。因此，在確定最大的剪切力時(shí)，應(yīng)該對(duì)沖擊力進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算并與原計(jì)算的最大剪切力迭加。這個(gè)值主要與剪切的速度有關(guān)：當(dāng)速度高時(shí)其值較大，速度低時(shí)其值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，可以不用考慮。若剪切速度為v，v ＜ 0.5 m / s 時(shí)，可以不考慮；v ＞ 0.5 m / s 時(shí)，根據(jù)具體剪切速度、剪切時(shí)間及參照對(duì)象，對(duì)其值進(jìn)行修正。其最大剪切力可以按式 (3) 計(jì)算：

由式 (3) 所得的計(jì)算值，與實(shí)際分析比較接近。

曲軸傳動(dòng)力矩的計(jì)算

曲柄連桿滑座式剪切機(jī)的計(jì)算，主要是傳動(dòng)曲軸的力矩計(jì)算，傳動(dòng)曲軸的靜力矩是由剪切力矩和摩擦力矩兩部分構(gòu)成。即：

式中，Mj為曲軸的靜力矩；M1為剪切力矩；M2為摩擦力矩。

式 (4) 中傳動(dòng)曲軸的靜力矩 Mj可以通過圖解法和解析法兩種方法求出。所求解的力矩值是與剪切力 F 相關(guān)的解析式，一旦剪切力確定，傳動(dòng)曲軸的靜力矩 Mj就可求解出。因此，在計(jì)算Mjmax時(shí)，把剪切力 F 的計(jì)算換成式 (3)，其值即可計(jì)算出。

電機(jī)功率的計(jì)算

驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)刀座轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為主電機(jī)。確定主電機(jī)容量的關(guān)鍵是確定傳遞到主電機(jī)軸上的力矩，也就是電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，要使剪切機(jī)的力矩負(fù)荷與相應(yīng)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性相匹配。

剪切機(jī)的力矩負(fù)荷變化很大，為使電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷均勻，往往采用飛輪裝置。飛輪的作用：在非剪切時(shí)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能；在剪切時(shí)，飛輪釋放其動(dòng)能，幫助電機(jī)克服尖峰負(fù)荷。

在剪切的瞬間，由于沖擊力是很大的，特別是剪切時(shí)間越短其值越大，在選擇電機(jī)容量時(shí)必須考慮其作用。一般飛輪要安裝在電機(jī)端或高速軸上，通過實(shí)測(cè)和計(jì)算，其產(chǎn)生的瞬間動(dòng)能是相當(dāng)大的，如飛輪力矩選取合適，其瞬間釋放的剪切能量與所要求的剪切功是匹配的，這樣可以將電機(jī)容量選取的比計(jì)算值更小一些。剪切機(jī)剪切過程飛輪釋放的能量按式 (5) 計(jì)算得出：

對(duì) 8.5 MN 上切式曲柄連桿滑座式剪切機(jī)，如不考慮沖擊作用，其常規(guī)計(jì)算電機(jī)功率是所選的實(shí)際電機(jī)功率的 1.6 倍?？紤]到?jīng)_擊作用，選用電機(jī)功率是 90 kW 的電機(jī)，經(jīng)過實(shí)踐使用，運(yùn)行狀況良好。

結(jié)束語

依據(jù)上切式曲柄連桿滑座式剪切機(jī)典型性，其主要力能參數(shù)的研究結(jié)果，同樣適用于其他類型的剪切機(jī)，不論是飛剪機(jī)，還是滾切剪。并且其分析方法也適用其他行業(yè)的同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算。

[1] 黃華清. 軋鋼機(jī)械. 北京: 冶金工業(yè)出版社，1979

[2] 鄒家祥. 軋鋼機(jī)械. 北京: 冶金工業(yè)出版社，1988

Research Newly on the Essential Mechanical Parameters of Shears

ZHANG Hong-zhou

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張宏洲(1973—)，男，本科，工程師，現(xiàn)從事冶金工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471039