楊慧潔，張艷菊，高亞男，郝瑞朝

(河北鋼鐵集團承鋼公司，河北承德 067002)

雙偏心曲柄擺式飛剪的運動學分析*

楊慧潔，張艷菊，高亞男，郝瑞朝

(河北鋼鐵集團承鋼公司，河北承德 067002)

將450 t雙偏心曲柄擺式飛剪的結(jié)構(gòu)進行簡化，根據(jù)擺剪各主要結(jié)點的幾何關(guān)系，建立了運動學數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上進行仿真，得到上下剪刃的運動軌跡。最后根據(jù)運動軌跡對軋件剪切過程進行詳細分析，為分析擺剪兩驅(qū)動的匹配提供理論參考。

擺剪;雙偏心;運動學

1 飛雙偏心擺式飛剪的工作原理

飛剪是棒材生產(chǎn)線上作為切頭、切尾，定尺的關(guān)鍵設(shè)備［1－3］。450 t飛雙偏心擺式飛剪由意大利達涅利公司研發(fā)設(shè)計。其原理圖見圖1。剪切機構(gòu)由主傳動偏心軸掛在固定機座上，剪切機構(gòu)上剪刃本體由主軸的大偏心帶動，下剪刃本體由小偏心帶動。同時，整個剪切機構(gòu)由擺動曲柄連桿機構(gòu)帶動，并于剪切的同時進行擺動。雙偏心擺式飛剪系統(tǒng)傳動采用直流調(diào)速電動機驅(qū)動，通過減速機、聯(lián)軸器與雙偏心曲軸相聯(lián)。當剪切跟蹤功能確定鋼坯快到剪切點時，電動機開始起動，從而驅(qū)動主傳動軸轉(zhuǎn)動。剪切過程中，上下剪刃咬住軋件同步運行，此時要求剪刃的水平分速度與軋件的線速度相匹配。

圖1 雙偏心曲柄擺剪的原理圖

運動學是研究機構(gòu)的主要手段。為了研究擺件剪切過程中主要部件的運動，本文采用解析法對雙偏心曲柄擺式飛剪機機構(gòu)進行運動學分析，研究剪切過程中剪刃的位置以及剪刃的運動軌跡。

2 擺剪簡化模型

為了清楚的了解雙偏心曲柄擺剪的具體結(jié)構(gòu)以及便于對其進行運動學分析，故對擺剪機構(gòu)進行簡化，如圖2所示。

圖2 雙偏心曲柄擺剪的結(jié)構(gòu)簡圖

其剪切機構(gòu)為雙偏心曲柄滑塊機構(gòu)，AB為飛剪機的雙偏心曲柄、AC為曲柄與上剪刃本體間的連桿、BC為擺剪導柱，O1點是曲柄的中心，A點是曲柄與連桿的鉸接點，B點是曲柄與擺桿的鉸接點，C點是連桿與滑塊的鉸接點，同時也是滑塊與沿導柱BO3的接觸點，K點是初始狀態(tài)時滑塊的位置。O2為擺剪擺動驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)中心，O2D為驅(qū)動臂，DO3為連接桿。O3為剪切機構(gòu)和擺動機構(gòu)的連接點。

在剪切過程中，雙偏心曲柄AB以ω1的速度旋轉(zhuǎn)，帶動上剪刃本體和下剪刃本體上下往復運動，實現(xiàn)剪切功能，而曲柄O2D的旋轉(zhuǎn)，通過連桿O3D帶動導柱BO3左右擺動，從而帶動剪切機構(gòu)擺動，下剪刀固定在導柱BO3上，隨其左右往復擺動，從而使上、下剪刃完成剪切。偏心量決定兩剪刃間的開口度大小。根據(jù)實際剪切情況，剪切過程可分為四個運動狀態(tài)。

初始狀態(tài):擺剪處于垂直位置，剪刃開口最大，如圖3(a)所示。

剪刃接觸軋件:當上下剪刃同時接觸棒材表面是，剪切開始。在這個過程中，兩個剪刃同時進行剪切運動和水平運動;同時，在水平方向，上下剪刃以不低于軋件的水平速度與軋件一起沿軋制方向擺動;如圖3(b)所示。

圖3 擺剪不同剪切位置的結(jié)構(gòu)簡圖

剪刃重合狀態(tài):軋件被咬入后，兩剪刃的距離繼續(xù)減小，直至軋件被剪斷。一般對于剪切棒材，軋件不必完全剪透也可以將軋件剪斷，但為了確保剪斷，使上下剪刃應具有一定的重合度，重合時刻如圖3 (c)所示。

剪刃脫離軋件:軋件剪斷后，繼續(xù)向出口擺動，當兩剪刃的間隙大于軋件直徑時，上下剪刃脫離軋件。該時刻擺剪結(jié)構(gòu)各零件位置如圖3(d)所示。

復位狀態(tài):剪刃脫離軋件后，上剪刃向上提，下剪刃向下降，雙偏心曲柄和擺動曲柄都回到初始位置，飛剪只能實現(xiàn)一次剪切。如圖3(a)所示。

3 剪刃的軌跡求解

即可以得到O3的坐標值。由于方程求解過程非常繁瑣，故采用MATLAB軟件進行求解，得到χO3，yO3。

再求解C點的坐標，如圖4所示，三角形ABC，其中∠BAC=α，∠ABC=β，∠BCA=γ，∠BO3D=ξ。

其中:

接下來計算剪刃的坐標，圖4為上下剪刃處的局部放大圖。由上圖根據(jù)幾何關(guān)系可以得到下剪刃和上剪刃的坐標:

至此，各點的坐標軌跡全部求得。

將式(25)和式(26)對時間t求導，就可以得到上下剪刃的速度變化規(guī)律。同樣，把得到的速度變化規(guī)律對時間求導，就可得到剪刃加速度的變化規(guī)律。

圖4 擺剪上下剪刃處局部放大圖

450 t雙偏心曲柄擺式飛剪采用啟停工作制，對于啟停式飛剪機，要求它具有快速的啟動段，充裕的穩(wěn)速段和平穩(wěn)的制動段。飛剪機通過一個減速比為4.8的減速箱由兩個530 kW的直流電機驅(qū)動。圖5是飛剪機主軸、擺動驅(qū)動主軸一個工作周期的速度曲線。

圖5 雙偏心主軸及擺動曲柄的速度曲線

將其分為3個階段:啟動加速段;平穩(wěn)剪切段;制動段。

啟動階段是系統(tǒng)的動態(tài)響應段，通常定義成系統(tǒng)對階躍信號的動態(tài)響應，即從靜止到調(diào)整時間，與其對應的轉(zhuǎn)角稱為啟動角，運動特征為變加速運動。

穩(wěn)速轉(zhuǎn)動段指轉(zhuǎn)軸達到調(diào)整時間后，制動器開始制動以前。此階段上下剪刃開合完成剪切任務，如穩(wěn)速階段短，不能完成剪切過程，對設(shè)備的沖擊較大。

制動段是從制動器開始制動到剪刃精確定位，與其對應的轉(zhuǎn)角稱為制動角。此階段通過制動器實現(xiàn)摩擦制動，曲軸減速直至為0。要求制動器的系統(tǒng)綜合響應快、制動過程中動載荷變化要連續(xù)、平穩(wěn)。

將速度曲線加入到擺剪運動，加載偏心軸和擺動驅(qū)動的運動參數(shù)，采用MATLAB進行運動仿真模擬，可以看到上下剪刃兩個點在整個剪切周期內(nèi)的運動軌跡，如圖6所示。

圖6 上下剪刃運動軌跡

A，B點分別為兩剪刃距離為0的時刻的位置，CD為剪切時剪刃的最大重疊量。根據(jù)運動規(guī)律，上下剪刃的擺動速度隨擺動曲柄的轉(zhuǎn)動速度有關(guān)，擺剪剪刃速度從0加速直至最大，當?shù)竭_最左端時又減速到0，在這個過程中上剪刃下降，下剪刃提升。之后剪芯開始向右擺，直至基本達到最大速度時，剪刃開口為軋件直徑時開始剪切，并同時等速前進，到達A點時，軋件切斷。切斷后，上剪刃繼續(xù)下降達到D點，下剪刃繼續(xù)上升達到C點，則達到最大重疊量。隨著剪切進行，上、下剪刃同時提升，到B點時，兩剪刃重疊量為0，直到最右端速度為0時，最后恢復到初始位置?？梢钥吹剑羟幸约扒袛嗍窃诔跏嘉恢玫淖髠?cè)進行的。

圖7為上下剪刃的y向坐標隨時間的變化規(guī)律。由圖可以看到，當0.215 s時下剪刃先接觸軋件并將軋件向上抬升，當0.485 s時，兩剪刃距離達到32 mm，上下剪刃接觸軋件，上下剪刃相對運動剪切軋件，在0.535 s時，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，直到0.577 5 s時剪刃重疊量達到最大9.09 mm，之后兩剪刃開始分離，直到0.92 s開口達到最大值150 mm。

圖7 上下剪刃y向坐標隨時間的變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)對雙偏心曲柄擺式飛剪的結(jié)構(gòu)進行簡化，得到剪切過程中4個主要的位置時擺剪的狀態(tài)。

(2)根據(jù)幾何關(guān)系建立了擺剪運動學方程，通過MATLAB仿真，得到上下剪刃的運動軌跡。經(jīng)過分析，當0.485 s時，兩剪刃同時接觸軋件，剪切開始，0.535 s時，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，剪斷過程歷時0.05 s。

［1］ 翁宇慶.軋鋼新技術(shù)3000問(型材分冊)［M］.北京:中國科學技術(shù)出版社，2006.

［2］ 王海文.軋鋼機械設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1986.

［3］ 周福堯，高越農(nóng).角鋼飛剪機［J］.軋鋼，1991(2):67－85.

Kinematics Analysis of Double Eccentric Crank Pendulum Flying Shear

YANG Hui－jie，ZHANG Yan－ju，GAO Ya－nan，HAO Rui－chao
(Chengde Steel of Hebei Iron and Steel Group Corporation，Chengde Hebei 067002，China)

The structure of 450 tons double eccentric crank pendulum flying shear is simplified.According to the geometric relations of the main node of pendulum shear，the kinematics mathematical model is established.The simulation is done on this basis and the trajectory of the up and down shear blade motion can be obtained.Finally，according to the trajectory，a detailed analysis of the shearing process is done which provides a theoretical reference for analyzing the matching of the two drives of pendulum shear.

pendulum shear;double eccentric;kinematics

TH123

A

1007－4414(2013)05－0004－04

2013－09－04

楊慧潔(1986－)，女，河北承德人，助理工程師，主要從事冶金機械設(shè)備設(shè)計與管理方面的工作。