謝磊，閆成琨，王迪，計(jì)江，徐立璞，錢廣闊，劉云飛(.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安7003; .陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西西安70075)

一種多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的設(shè)計(jì)計(jì)算

謝磊1，閆成琨1，王迪2，計(jì)江1，徐立璞1，錢廣闊1，劉云飛1
(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032; 2.陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710075)

介紹了多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的剪切機(jī)理、設(shè)備組成，給出了斜剪刃液壓剪剪切力的計(jì)算方法，根據(jù)力學(xué)分析推導(dǎo)出了剪切力與液壓缸驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系，在推導(dǎo)過(guò)程中充分考慮了連桿重量及摩擦力等影響因素對(duì)剪切力帶來(lái)的影響，為多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考。

單機(jī)架;可逆冷軋機(jī);多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪

0　前言

單機(jī)架可逆冷軋機(jī)在進(jìn)行帶鋼軋制時(shí)，由于來(lái)料鋼卷帶頭帶尾質(zhì)量不佳;斷帶后帶鋼斷裂處產(chǎn)生不規(guī)則變形;重卷時(shí)需要將大卷分成小卷時(shí)需要將帶鋼剪切。

在軋機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通常在機(jī)前機(jī)后，各配置一臺(tái)剪切機(jī)。目前常見的剪切裝置的結(jié)構(gòu)形式有多連桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)一組連桿傳遞動(dòng)力;直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即剪刃運(yùn)動(dòng)方向與驅(qū)動(dòng)方向相同，驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)力直接傳遞到剪刃上。而剪切裝置的驅(qū)動(dòng)方式目前常見的均為液壓驅(qū)動(dòng)，分為液壓缸驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩種。本文將介紹一種多連桿結(jié)構(gòu)式液壓缸驅(qū)動(dòng)的液壓剪。

1　多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的剪切機(jī)理及設(shè)備組成

1.1液壓剪的剪切機(jī)理

液壓剪機(jī)構(gòu)的原理圖如圖1所示，這種多連桿結(jié)構(gòu)的液壓剪為由擺架、支桿、驅(qū)動(dòng)油缸、下剪刃、上剪刃所組成。由驅(qū)動(dòng)油缸6驅(qū)動(dòng)，下剪刃7為斜剪刃，上剪刃8為平剪刃。上剪刃8把合固定在液壓剪機(jī)架上，其它零件均為鉸接連接。剪切時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿向左伸出，在連桿的帶動(dòng)下，下剪刃7向上移動(dòng)，在上剪刃的配合下進(jìn)行剪切，剪切完成后，驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿縮回，下剪刃7向下移動(dòng)，整個(gè)剪切過(guò)程完成。

圖1　剪切機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of shearingmechanism

1.2液壓剪的設(shè)備組成

中國(guó)重型機(jī)械研究院院為國(guó)內(nèi)某鋼廠成套的1 780 mm單機(jī)架可逆六輥冷軋機(jī)組所使用的多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪，如圖2所示，剪切厚度范圍0.2～5.0 mm，最大剪切寬度1 600 mm。其中，機(jī)架1把合安裝在機(jī)前機(jī)后底座上，橫梁2把合在機(jī)架1兩立板之間，上刀架3把合在橫梁2上，下刀架4與右上擺架7和左下擺架10鉸接連接，安全銷5在設(shè)備檢修時(shí)使用，用來(lái)將下刀架4與機(jī)架1固定，剪切缸6鉸接在機(jī)架1上，剪切油缸接頭與支桿9通過(guò)銷軸鉸接，右上擺架7和左上擺架10一端均與下剪刃4鉸接，另一端與支桿9鉸接，右下擺架8和左下擺架11一端均與機(jī)架1鉸接，另一端與支桿9鉸接。

如圖2所示，液壓剪在剪切時(shí)，為保證下剪刃4只能上下移動(dòng)，使用把合了鋼滑板13的止推塊12和把合了鋼滑板15的機(jī)架進(jìn)行定位，下剪刃4上把合了銅滑板14、16與鋼滑板接觸以減小下剪刃4上下移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力。

2　多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的設(shè)計(jì)計(jì)算

液壓剪設(shè)計(jì)時(shí)，可以先計(jì)算出帶鋼在剪切時(shí)所需要的剪切力，然后根據(jù)剪切力來(lái)計(jì)算所需要的液壓缸驅(qū)動(dòng)力，以此進(jìn)行液壓缸選型。

2.1帶鋼剪切時(shí)所需剪切力的計(jì)算

對(duì)于斜剪刃液壓剪的剪切力計(jì)算，一般使用諾沙里公式，公式如下

式中，P為總剪切力，N;δ為被剪切鋼板延伸率，無(wú)量綱;σb為被剪切鋼板強(qiáng)度極限，Pa;h為被剪切鋼板厚度，m;α為斜剪刃角度，(°); Z為系數(shù);Y為上、下剪刃相對(duì)側(cè)隙，無(wú)量綱; X為壓板相對(duì)距離，無(wú)量綱。

圖2　多連桿液壓剪Fig.2 Multi-link structure hydraulic shears

2.2多連桿機(jī)構(gòu)的受力分析

此多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪在力學(xué)分析時(shí)可簡(jiǎn)化為平行四連桿機(jī)構(gòu)，考慮到力學(xué)分析的特性，所有鉸鏈充分潤(rùn)滑，并且鉸鏈摩擦力比主動(dòng)力小很多的情況下，忽略鉸鏈處的摩擦。解除限位滑板對(duì)下刀架的摩擦約束，代之以主動(dòng)力正壓力及相應(yīng)摩擦力，使該系統(tǒng)所有約束成為完整約束，因而可以應(yīng)用虛功原理做受力分析。

對(duì)該機(jī)構(gòu)的力學(xué)簡(jiǎn)化圖3所示。

圖3　力學(xué)分析簡(jiǎn)化圖Fig.3 Diagram ofmechanical analysis

式中，F(xiàn)為液壓缸推桿的橫向水平分力，N;FP為下剪刃所受剪切反力，N;FN為剪切時(shí)限位滑板對(duì)下刀架的正壓力，N;f為下剪刃與機(jī)架間的摩擦力，f=μN(yùn);μ為限位滑板間的摩擦系數(shù)，無(wú)量綱;m1為下刀架質(zhì)量，kg;m2為支桿質(zhì)量，kg;m3為左上擺桿、左下擺桿、右上擺桿、右下擺桿質(zhì)量，kg;l為左上擺桿、左下擺桿、右上擺桿、右下擺桿長(zhǎng)度，m;該系統(tǒng)有兩個(gè)自由度，由于θ和φ相互獨(dú)立，可選取θ和φ為廣義坐標(biāo)。根據(jù)廣義坐標(biāo)形式的虛功原理，令廣義坐標(biāo)θ的虛位移δθ=0，廣義坐標(biāo)φ的虛位移δφ≠0，則該虛位移上的元功

根據(jù)虛功原理，該虛位移上的廣義力

因而可得

令廣義坐標(biāo)φ的虛位移δφ=0，廣義坐標(biāo)θ的虛位移δθ≠0，則該虛位移上的元功

根據(jù)虛功原理，該虛位移上的廣義力

因而可得

由于下刀架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡豎直向上，可知任意時(shí)刻θ=φ，將(2)式代入(3)式，可得

當(dāng)液壓剪剪切時(shí)，F(xiàn)P=P，將(1)、(4)式聯(lián)立可求得液壓缸所需F。由于m1、m3、m3和μ相對(duì)于F來(lái)說(shuō)很小，在初步設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，則公式(4)可簡(jiǎn)化為

可知當(dāng)F一定時(shí)，F(xiàn)P隨θ增大而增大，當(dāng)θ =90°時(shí)，F(xiàn)P趨向于無(wú)窮大。因此在設(shè)計(jì)液壓剪時(shí)，應(yīng)盡可能將液壓剪剪切時(shí)的θ角增大以減小液壓缸所提供的驅(qū)動(dòng)力。

以1 780 mm單機(jī)架可逆六輥冷軋機(jī)組所使用的多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪為例，此液壓剪剪切時(shí)θ角范圍為60.2°～82.8°，代入公式(5)可得FPmin=0.875F。

3　結(jié)束語(yǔ)

給出了斜剪刃液壓剪剪切力的計(jì)算方法，推導(dǎo)過(guò)程中充分考慮了連桿重量及摩擦力等影響因素對(duì)剪切力帶來(lái)的影響，為多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了重要參考。多連桿結(jié)構(gòu)液壓剪結(jié)構(gòu)緊湊，便于維護(hù)，是一種結(jié)構(gòu)合理的液壓剪，在實(shí)際應(yīng)用中值得大力推廣。

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［10］楊?。滠埌鍘т撋a(chǎn)工藝(1版)［M］．北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2010．

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Design and calculation of a multi-link structure hydraulic shear

XIE Lei1，YAN Cheng-kun1，WANG Di2，JIJiang1，XU Li-pu1，QIAN Guang-kuo1，LIU Yun-fei

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Shannxi Xi'an 710032，China; 2.Shaanxi Academy of Urban＆Rural Planning＆Design，Shannxi Xi'an 710075，China)

This paper introduced the shearingmechanism equipment composition ofmulti-link structure hydraulic shears，and put forward the calculationmethod of shear force on hydraulic shearswith oblique cutting edge．The relationship between shear force and hydraulic cylinder force were derived according to mechanical analysis．In the derivation process，it fully considered the influence factors working on shear force such as link weight，friction and so on，which provided an important reference on design and calculation ofmulti-link structure hydraulic shear．

single stand;reversible cold mill;multi-link structure hydraulic shears

TG333

A

1001－196X(2015)02－0053－03

2014－11－06;

2015－02－03

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目:2013KTCG01－08

謝磊(1982－)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司工程師。