郝建偉 周西康 陳 曦 陳玉柏 倪延峰

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100083)

5m滾切剪運(yùn)動學(xué)仿真分析

郝建偉①周西康 陳 曦 陳玉柏 倪延峰

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100083)

對5m滾切剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，根據(jù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建立了滾切剪機(jī)構(gòu)模型，對機(jī)構(gòu)模型加載、關(guān)鍵點軌跡、特殊位置及剪刃重合度進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)論表明，機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理?，F(xiàn)場實踐也證明，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，剪切質(zhì)量優(yōu)異。

滾切剪 自由度 機(jī)構(gòu)分析 仿真

1 引言

滾切剪目前已廣泛應(yīng)用于中厚板剪切線上，相比于以往使用較廣泛的斜刃剪具有剪切質(zhì)量高，速度快，維護(hù)方便，剪切端面光潔平整，成材率高等特點。已逐步取代斜刃剪成為中厚板生產(chǎn)線的常用機(jī)型[1-2]。

5m規(guī)格滾切式剪機(jī)為目前世界上最大級別的剪機(jī)。對于如此大的剪機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析、詳細(xì)研究其機(jī)構(gòu)運(yùn)動特征是非常有意義和有必要的，主要針對國內(nèi)某鋼廠2臺5m滾切剪運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。

2 運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型及參數(shù)

該滾切剪為雙軸雙偏心滾切式剪機(jī)，其工作原理為雙電機(jī)驅(qū)動雙輸入軸經(jīng)過三級齒輪減速，將動力和運(yùn)動同向同步傳遞給具有一定相位差的左右兩偏心軸，左右連桿分別于左右偏心軸連接，圓弧形上剪刃安裝在上刀架上，上刀架在左、右連桿和導(dǎo)向桿共同作用下，實現(xiàn)滾動剪切鋼板的過程。

圖1 實體模型

目前滾切剪結(jié)構(gòu)形式大部分均為雙軸雙偏心結(jié)構(gòu)形式，其實體模型見圖1，簡化尺寸結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 簡化模型

滾切剪運(yùn)動機(jī)構(gòu)是一個多連桿機(jī)構(gòu)，相對來說比較復(fù)雜，采用普通的計算方法很難模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。該剪切機(jī)構(gòu)由左右偏心軸偏心距DE和AB、左右連桿EH和BG、上刀架、導(dǎo)向桿CF總計6個構(gòu)件組成的平面6連桿機(jī)構(gòu)，其中剪機(jī)機(jī)構(gòu)是由8個轉(zhuǎn)動副R組成，按平面運(yùn)動鏈自由度公式計算：

F=3n-2p5-p4=3×6-2×8=2

根據(jù)運(yùn)動鏈能成為機(jī)構(gòu)的條件：原動件的數(shù)目應(yīng)等于運(yùn)動鏈的自由度數(shù)[4,5]。因此，雙軸雙偏心滾切式定尺剪在雙曲軸的帶動下，整個運(yùn)動鏈具有確定的運(yùn)動軌跡。

其中，該剪機(jī)優(yōu)化后機(jī)構(gòu)參數(shù)見表1，性能參數(shù)見表2。

表1 5m滾切剪機(jī)構(gòu)參數(shù)

3 機(jī)構(gòu)模型加載

許多學(xué)者在模擬運(yùn)動學(xué)仿真時大都采用理想狀態(tài)即：只按最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行加載，此方法不能真實反映設(shè)備實際工作狀態(tài)。而剪機(jī)實際運(yùn)動過程中，初始為加速階段，中間段為恒速階段，最后為減速階段。

表2 5m滾切剪性能參數(shù)

該滾切剪理論空剪切次數(shù)為24刀/min，即在額定轉(zhuǎn)速(最大轉(zhuǎn)速1000r/min)下滾切剪的剪切能力，屬于理想狀態(tài)下滾切剪工作能力。但實際情況下，由于滾切剪屬于啟停工作制，剪機(jī)實際啟停剪切次數(shù)為10～12次/min，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及理論數(shù)據(jù)，滾切剪完成一次剪切(偏心軸旋轉(zhuǎn)一周)所用時間約為3.7s。在本次運(yùn)動學(xué)仿真中，實際模型加載驅(qū)動轉(zhuǎn)速見圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動加載轉(zhuǎn)速曲線

圖4 偏心軸實際轉(zhuǎn)動角度曲線

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動加載情況，可得出偏心軸實際輸出轉(zhuǎn)動角度在剪切過程中的情況如圖4所示。

4 關(guān)鍵點軌跡

如果在傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分析中，通過解方程組或者通過畫圖方法求解結(jié)論，兩種方法不僅費(fèi)時、費(fèi)力，工作量非常大，而且基本求解不到精確的結(jié)論，實際是很難實現(xiàn)的。目前可以通過大型仿真軟件通過建立實體模型來進(jìn)行求解，可以很準(zhǔn)確地得出任何位置精確的運(yùn)動軌跡[5]。

將優(yōu)化后的模型參數(shù)進(jìn)行建模仿真分析，通過計算可以得到圖5所示的關(guān)鍵點(H 、G、F、J 、P、I)在模型中實際位置軌跡。

圖5 運(yùn)動機(jī)構(gòu)各個點運(yùn)動軌跡

從圖5可以看出，在整個剪機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡中，點H和點G的運(yùn)動軌跡為不規(guī)則的橢圓形，而F點則是圍繞C點轉(zhuǎn)動的圓弧軌跡。點H、G、F及P具體運(yùn)動軌跡具體如下，見圖6、圖7、圖8、圖9。

圖6 H點運(yùn)動軌跡

按照純滾動的剪切理論，上剪刃中心點P的橫坐標(biāo)在滾切時整個過程應(yīng)始終保持不變，這屬于理想狀態(tài)，但是實際情況是不可能的，實際上P點的橫坐標(biāo)肯定會有微小變動，只是盡量將P點在剪切過程中的橫坐標(biāo)變化范圍盡量縮小。該剪機(jī)機(jī)構(gòu)在優(yōu)化后，由圖9可以得出，P點在整個剪切過程中橫坐標(biāo)變化范圍最大為46mm，但是在切入至切斷鋼板過程中P點的橫坐標(biāo)變化范圍僅為0～0.45mm，可以看出，在純剪切過程中橫向位移基本已經(jīng)接近零，剪切過程中基本接近純滾動剪切，此數(shù)據(jù)也表明該剪切機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置合理，設(shè)計已達(dá)到最優(yōu)。

圖7 G點運(yùn)動軌跡

圖8 F點運(yùn)動軌跡

圖9 P點(上剪刃中心)運(yùn)動軌跡

5 特殊位置分析

在滾切剪機(jī)構(gòu)整個運(yùn)動過程中存在幾個關(guān)鍵的位置非常值得研究，其對于研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性以及指導(dǎo)主電機(jī)的控制特性具有很重要的意義。總共有四個狀態(tài)，如表3所示，即：接觸鋼板開切時刻、進(jìn)入穩(wěn)定剪切時刻、穩(wěn)定剪切結(jié)束時刻、剪切完成時刻。如圖2簡化模型中，β為偏心軸轉(zhuǎn)動角度。

表3 關(guān)鍵點位置

由于該剪切機(jī)構(gòu)采用啟停式控制方式，在剪切過程中用到了剪機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行剪切。其中β1位置的作用是系統(tǒng)加速務(wù)必在此之前完成，如加速完成時偏心軸轉(zhuǎn)動角度大于β1，則在剪切開始時系統(tǒng)未能達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，非常不利于剪切；如加速完成時偏心軸角度比β1小很多，則系統(tǒng)加速必須采用過大的過載倍數(shù)來完成，這樣主電機(jī)能耗會增加很多，非常不利于節(jié)能。而β3的作用表明在此時刻剪切已經(jīng)完成，系統(tǒng)可以進(jìn)行降速，如過早減速不利于剪切，過晚降速主電機(jī)則會額外增加過載倍數(shù)，同樣不利于節(jié)能。因此，系統(tǒng)加速階段盡量接近但不大于β1位置；而系統(tǒng)開始減速階段也需要盡量接近但要大于β3位置。在電氣調(diào)試時提供以上數(shù)據(jù)，可以對剪機(jī)控制優(yōu)化起到很好的作用，可達(dá)到節(jié)能降耗的作用。根據(jù)模擬計算，采用此參數(shù)設(shè)置控制電機(jī)啟、制動，至少能節(jié)能11.2%。

6 剪刃運(yùn)動特征及重合度

滾切剪剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計尺寸是否合理的另一個重要參數(shù)是上下剪刃的重疊量，即重合度，理想狀態(tài)下是將其變化值控制在一個很小范圍內(nèi)。如果重疊量變化較大，在剪切力矩及摩擦力矩共同作用下將導(dǎo)致鋼板斷面發(fā)生彎曲變形，使成品鋼板的剪切質(zhì)量大大降低[6-9]。

6.1 剪刃運(yùn)動特征

剪刃的運(yùn)動特性也直接決定著剪機(jī)的剪切質(zhì)量，通過計算可以得到剪刃各點的運(yùn)動特征，圖10為剪刃上從左到右分布的40個點在偏心軸轉(zhuǎn)動過程中豎直方向位置的變化。

理想狀態(tài)下，在滾動剪切時，動態(tài)最低點的軌跡是一條水平的直線。這條近似直線與參考水平線的偏差就反應(yīng)了剪刃重疊量沿剪刃寬度方向上的變化。剪刃重疊量的均勻度是鋼板剪切質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。由圖10可以看出剪刃各點最低點的運(yùn)動軌跡是一條近似的直線，上剪刃在剪切過程中就是沿這條直線滾動。

圖10 剪刃運(yùn)動曲線

由圖也可以看出，在切入鋼板時段剪刃位置變化比較均勻，非常平穩(wěn)，這一點非常有利于鋼板的剪切質(zhì)量。

6.2 剪刃重合度

剪刃重疊量在一個合理的范圍內(nèi)非常有利于剪切質(zhì)量，如果重疊量過小，則會導(dǎo)致不能切斷的情況發(fā)生；而如果重疊量過大，即影響剪切的效率，更主要的是在剪切完后剪刃回程時對剪切件斷面有摩擦，發(fā)生“帶刀”現(xiàn)象發(fā)生，影響斷面質(zhì)量及板型。因此，一個合理的重疊量非常有利于剪切質(zhì)量的提高。

圖11 剪刃重疊量

圖11為該剪機(jī)上、下剪刃的重合度，由圖11可以看出，在整個剪刃寬度范圍內(nèi)剪刃重疊量變化范圍在1.4～5.82mm之間，不均勻值最大約有4.42mm。對于大型滾切剪，在此浮動量的變化下基本說是可以保證滾切質(zhì)量。

7 結(jié)語

1)按照純滾動的剪切理論，上剪刃中心點P的橫坐標(biāo)在滾切時整個過程的理想狀態(tài)保持不變是不可能的，只能盡量縮小變化的范圍。本優(yōu)化結(jié)構(gòu)的P點在切入至切斷鋼板過程中變化范圍僅為0.45mm，在剪切過程中已經(jīng)基本接近純滾動剪切。

2)剪切機(jī)構(gòu)特殊位置的分析非常有意義，它可以幫助電氣調(diào)試時實現(xiàn)位置精確控制，可以使機(jī)構(gòu)發(fā)揮最大的能力，對系統(tǒng)的啟、制動進(jìn)行控制優(yōu)化，同時也避免了系統(tǒng)能量的浪費(fèi)，對設(shè)備節(jié)能起到關(guān)鍵的作用。

3)上、下剪刃的重疊量是一個很關(guān)鍵的參數(shù)，該剪機(jī)機(jī)構(gòu)剪刃重疊量的不均勻度在整個5200mm長剪刃方向僅為4.42mm，對于大型滾切剪，也基本實現(xiàn)了近似的純滾動剪切。

4)現(xiàn)場實踐表明，按此設(shè)計已投產(chǎn)的2臺剪機(jī)運(yùn)行良好，剪切質(zhì)量優(yōu)異。進(jìn)一步驗證了剪機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的合理性。

所采用的運(yùn)動機(jī)構(gòu)的仿真分析方法同樣適用與其它規(guī)格的滾切剪，值得推廣使用。

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械 [M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

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AnalysisonKinematicsSimulationof5mRollingShear

Hao Jianwei Zhou Xikang Chen Xi Chen Yubai Ni Yanfeng

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100083)

In this article, the mechanism kinematics simulation for 5m rolling shear is analyzed, according to the motion parameters of rolling shear, the mechanism model is built, the organization model loading, key point locus, special position and cutting edge coincidence degree are analyzed in detail. Conclusion reasonable parameters design is right. The practice also proved, mechanism run smoothly, the shearing quality is very good.

Rolling shear Freeness Mechanism analysis Simulation

郝建偉，男，1979年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金機(jī)械專業(yè)，碩士，高級工程師

TG333.71

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.005

2014-07-24)