王令寶　裴家路　孫維陽(yáng)

(北方重工集團(tuán)有限公司壓延設(shè)備分公司，遼寧110141)

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25 mm×3 500 mm液壓斜刃剪設(shè)計(jì)

王令寶裴家路孫維陽(yáng)

(北方重工集團(tuán)有限公司壓延設(shè)備分公司，遼寧110141)

摘要：通過(guò)理論計(jì)算和有限元方法對(duì)25 mm×3 500 mm液壓斜刃剪的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅減輕了設(shè)備重量，降低了制造成本，提高了設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞：液壓斜刃剪；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中厚板切頭剪主要包括機(jī)械式和液壓式兩種結(jié)構(gòu)形式[1]。機(jī)械式切頭剪，一次性投資較大，運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)費(fèi)用高，使用頻率不高。一般鋼廠在綜合考慮后都會(huì)選擇液壓式斜刃剪作為切頭剪[2]。北方重工通過(guò)與SMS、SVAI、DANIELI等國(guó)際廠家的合作，吸取國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，此次對(duì)25 mm×3 500 mm液壓切頭剪進(jìn)行了全面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而使液壓切頭剪的功能更加合理可靠，維護(hù)更加簡(jiǎn)單方便。

1設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1理論計(jì)算

該設(shè)備主要針對(duì)中板廠切頭實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)。鋼板品種：低合金鋼、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

強(qiáng)度極限Rm=1 200 MPa，延展率A=15%，鋼板最大厚度h=25 mm，剪切角α=2.5°，刀片側(cè)間隙△=0.5 mm。

總剪切力P為[3]：

=3.707×106N

考慮到剪刃變鈍時(shí)，剪切力會(huì)增大，因此在理論計(jì)算剪切力時(shí)加大20%。最終計(jì)算得P=4.45MN，系統(tǒng)壓力16 MPa，由此可以反推確定該剪切機(jī)主剪切缸活塞直徑為600 mm[4]。

1.2設(shè)備技術(shù)參數(shù)

剪切板厚/mm：4.5～25

板寬/mm：1 600～3 250

剪切能力/MPa：Rm≤1 200 (板厚25 mm)

剪切溫度/℃：≤150

空剪次數(shù)：4～6次/min

剪刃側(cè)隙/mm：0.4～5

上剪刃傾角：≤2.5°(范圍可調(diào))

系統(tǒng)壓力/MPa：16

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

機(jī)架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，由左右箱形立柱、上橫梁、工作臺(tái)、下刀架等組成，是機(jī)架的主體部分，機(jī)架如圖1所示。各部件進(jìn)行整體正火處理，機(jī)身強(qiáng)度高，精度保持性好。

(1)上橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在液壓剪中，上橫梁是鋼板焊接件，由多塊鋼板焊接而成，最后再進(jìn)行機(jī)械加工。上橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。上橫梁是把合主工作液壓缸的受力部件，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛度要求較高。為了保證設(shè)備能夠滿足技術(shù)要求，過(guò)去設(shè)計(jì)的上橫梁重量較大，達(dá)到60.25 t。但從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)于保守。因此液壓剪開發(fā)設(shè)計(jì)中，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得知：原液壓剪上橫梁應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在左右機(jī)架與橫梁連接處，即上蓋板和右機(jī)架相連接的部位，最大應(yīng)力為342.2 MPa。通過(guò)優(yōu)化，降低鋼板厚度，變更筋板承力結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后計(jì)算可知，應(yīng)力主要集中在橫梁上下蓋板和左右機(jī)架的連接處，此處應(yīng)力最大，其值為215.1 MPa，而橫梁下鋼板固定油缸處的應(yīng)力大約為50 MPa～150 MPa，因此上橫梁減重24.65 t。

(2)下刀架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

下刀架是液壓剪設(shè)備的重要承力部件，在設(shè)備工作過(guò)程中，整個(gè)剪切力都要加載到下刀架上。以往設(shè)計(jì)時(shí)，下刀架設(shè)計(jì)比較保守，重量較大，原設(shè)計(jì)液壓剪下刀架重量為65.4 t。經(jīng)過(guò)研究分析，并且通過(guò)有限元計(jì)算，改進(jìn)了下刀架結(jié)構(gòu)，設(shè)備重量降為40 t。原設(shè)計(jì)液壓剪在滿負(fù)荷工作過(guò)程中，機(jī)架最大應(yīng)力出現(xiàn)在下底板和左右機(jī)架連接處及下刀板、支撐板的通氣孔處，其值為164.6 MPa。下刀架最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在下刀板邊緣處，最大變形量為0.991 mm。此液壓剪開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)有限元計(jì)算，對(duì)其承力鋼板位置進(jìn)行優(yōu)化，最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀架底板和左右支撐連接處，其最大應(yīng)力為149.2 MPa，最大變形為0.369 mm。由此可以看出，通過(guò)有限元仿真計(jì)算，改進(jìn)了設(shè)備結(jié)構(gòu)，重量減少了25 t，設(shè)備的剛度和強(qiáng)度都有了較大地提高。

(3)機(jī)架中柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)架中柱是連接上橫梁和下刀架的中間支撐，其受力較大。原設(shè)計(jì)中液壓剪中柱總重35 t。優(yōu)化后液壓剪中柱總重24 t。經(jīng)過(guò)有限元仿真分析，均能很好地滿足條件，中柱減重11 t。

(4)大拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

整個(gè)機(jī)架是由4根大拉桿和2根小拉桿連接形成一個(gè)封閉架體，此結(jié)構(gòu)形式，把工作時(shí)產(chǎn)生的剪切力封閉在整個(gè)架體內(nèi)。原液壓剪設(shè)計(jì)大拉桿直徑?330 mm，單重為4 898 kg，共四根，總重19 592 kg。優(yōu)化后的液壓剪大拉桿直徑?180 mm，單重為1 212 kg，共四根，總重4 848 kg。整個(gè)拉桿重量減少了約14 t，設(shè)備性能不變，滿足工作要求。

2.2主油缸的控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切油缸是液壓剪實(shí)現(xiàn)剪切動(dòng)作的動(dòng)力，剪切油缸帶動(dòng)上刀架向下運(yùn)動(dòng)，使上剪刃完成剪切工作。為滿足剪切力的要求，此設(shè)備剪切油缸采用主副油缸串聯(lián)形式，主油缸為活塞缸，副油缸為柱塞缸，主缸下部與副缸進(jìn)油口連通，這樣可以提高油缸的推力。主缸活塞桿及副缸柱塞桿下端均裝有球面墊、球面座及支承座，支承座直接座于上刀架平面上。由于此設(shè)備的上刀架在初始安裝時(shí)即傾斜1°，所以安裝在機(jī)架上橫梁的剪切油缸的中心線也相應(yīng)傾斜1°。當(dāng)上刀架快速返程時(shí)，通過(guò)一個(gè)充液閥控制，油缸快速補(bǔ)液，以滿足剪切次數(shù)的要求。在上刀架擺動(dòng)時(shí)為保證剪切缸的使用壽命，主副缸均采用焊銅導(dǎo)向，可以提高所有密封及防塵圈的使用壽命。為顯示上刀架的下降行程，在副油缸上裝有位移傳感器。主油缸控制原理見圖3。

1—上橫梁　2—主油缸　3—機(jī)架中柱下刀架

圖2　上橫梁

2.3側(cè)隙調(diào)整裝置

為保證剪機(jī)剪切質(zhì)量，此設(shè)備還裝有剪刃側(cè)隙調(diào)整裝置，側(cè)隙調(diào)整裝置如圖4所示。其工作原理是：齒輪電機(jī)裝于機(jī)架左右立柱上偏心軸上，兩根偏心軸通過(guò)聯(lián)軸器連在一起，每個(gè)偏心軸上都裝有滑塊，滑塊裝在左右導(dǎo)軌內(nèi)，左右導(dǎo)軌與上刀架后側(cè)的導(dǎo)軌板貼在一起，當(dāng)偏心套在電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊隨之平移，推動(dòng)左右導(dǎo)軌繞著機(jī)架左右立柱上的下鉸點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)上刀架帶動(dòng)上剪刃產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，這樣上下剪刃之間的間隙就發(fā)生了改變，可以滿足剪切不同板厚的需要。

圖3　主油缸控制原理圖

圖4　側(cè)隙調(diào)整裝置

通過(guò)限位開關(guān)控制剪刃間隙最小位置。為滿足剪刃側(cè)隙的調(diào)整范圍，在初始安裝時(shí)，此設(shè)備的上刀架與垂直線傾斜1°。剪切鋼板時(shí)，由于被剪切鋼板對(duì)剪刃產(chǎn)生一個(gè)后推力，使上刀架產(chǎn)生一定的位移，從而使上下剪刃的間隙值發(fā)生改變，影響了設(shè)備的剪切功能。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，此設(shè)備配有兩個(gè)前支點(diǎn)裝置，兩個(gè)常壓油缸活塞桿的前端裝有滾輪，滾輪始終頂在上刀架前部的兩塊導(dǎo)軌板上。剪切鋼板時(shí)，這兩個(gè)油缸始終給上刀架一個(gè)推力，這樣可以保證上刀架在剪切過(guò)程中的位置，保持剪刃間隙不變。

3結(jié)論

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)同類設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)仿真軟件，開發(fā)設(shè)計(jì)了25 mm×3 500 mm液壓斜刃剪，使用效果良好。該設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

(1)機(jī)架采用預(yù)應(yīng)力組裝結(jié)構(gòu)，由左右箱形立柱、上橫梁、工作臺(tái)、下刀架等組成，通過(guò)有限元計(jì)算，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法減重70 t以上，在滿足使用要求的前提下，降低了設(shè)備生產(chǎn)成本。

(2)主剪切油缸裝置采用串聯(lián)油缸同步方式，具有較強(qiáng)的抗偏載能力，運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小。

(3)采用了增加液壓式前支點(diǎn)及側(cè)擋支點(diǎn)來(lái)控制剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，成功實(shí)現(xiàn)了剪切機(jī)在剪切鋼板時(shí)剪刃側(cè)隙量趨于等值的關(guān)鍵條件。

參考文獻(xiàn)

[1]劉春榮．5 MN鍛鋼坯液壓剪切機(jī)組的工作原理與特點(diǎn)[J]．冶金設(shè)備，1998(12).

[2]胡品龍，顧瑞華．5 000 kN液壓剪斷機(jī)在連鑄線上的應(yīng)用[J]．機(jī)床與液壓，2004(10).

[3]陳曼龍，滕德義．液壓擺式剪板機(jī)剪切力計(jì)算[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(3).

[4]俞新路．液壓機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

Design of 25 mm×3 500 mm Hydraulic Inclined Blade Shear

Wang Lingbao, Pei Jialu, Sun Weiyang

Abstract：The function and structure of 25 mm×3 500 mm hydraulic inclined blade shear are performed integrated optimization design by theoretical calculation and finite element method. It reduces the equipment weight significantly, and decreases the manufacturing cost, and improves the reliability of equipment.

Key words：hydraulic inclined blade shear; structure; design

中圖分類號(hào)：TG333.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

作者簡(jiǎn)介：王令寶(1983—)，男，碩士研究生，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作，主要研究大型液壓機(jī)、鋼板剪切機(jī)、軋機(jī)等壓延設(shè)備。電話：13889153635，E-mail:13889153635@163.com

收稿日期：2015—09—08