高亞男，鮑遠(yuǎn)通，張艷菊，張全逾，張高悅

(1.承德石油高等專科學(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000；2. 河北鋼鐵集團(tuán) 承鋼公司設(shè)備部，河北 承德 067000)

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基于Solidworks的擺剪剪刃的磨損

高亞男1，鮑遠(yuǎn)通1，張艷菊2，張全逾1，張高悅2

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北 承德 067000；2. 河北鋼鐵集團(tuán) 承鋼公司設(shè)備部，河北 承德 067000)

為了研究450 T雙曲柄擺剪剪刃在使用過程中磨損嚴(yán)重的原因，應(yīng)用solidworks-motion對(duì)450 T雙曲柄擺剪進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。詳細(xì)分析了剪切過程，重點(diǎn)研究了軋件對(duì)下剪刃的磨損過程。研究結(jié)果表明，整個(gè)剪切過程鋼筋與下剪刃有約0.47 s存在相對(duì)滑動(dòng)，這是剪刃磨損的主要原因，隨后提出改進(jìn)方案，提高剪刃壽命50%。

擺剪；剪刃；磨損；solidworks

目前，雙偏心擺剪廣泛應(yīng)用于各類棒材生產(chǎn)線上，對(duì)冷卻后的線棒材定尺[1]。圖1為450 T雙偏心擺剪的結(jié)構(gòu)原理圖，其中剪切機(jī)構(gòu)掛在雙偏心曲軸上，上剪刃通過連桿安裝在雙偏心軸的大偏心軸段上，下剪刃安裝在雙偏心軸的小偏心軸段。通過雙偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上下剪刃進(jìn)行上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，曲柄連桿帶動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺動(dòng)，剪切機(jī)構(gòu)可以在擺動(dòng)的過程中完成剪切。

目前，一些研究機(jī)構(gòu)、高校、個(gè)人等都對(duì)飛剪進(jìn)行了理論方面研究。陳占福分析了曲柄轉(zhuǎn)角與搖桿的擺角的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系[2]。牛貴玲等人研究了雙偏心擺剪的結(jié)構(gòu)，得到擺剪實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3]。王海儒等通過對(duì)擺剪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，研究了雙偏心擺剪沖擊的問題，提出即滿足剪切要求又能改善動(dòng)力性的設(shè)計(jì)思想[4]。

以上等人都是對(duì)雙曲柄擺剪進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論方面的研究，對(duì)企業(yè)中往往出現(xiàn)的實(shí)際問題卻沒實(shí)質(zhì)涉及到。例如擺剪下剪刃的磨損，如圖2所示，剪刃的磨損非常嚴(yán)重，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，磨損狀態(tài)對(duì)剪切力大小和剪切質(zhì)量有重要的影響[5]。

因此本文重點(diǎn)研究了剪刃磨損的成因。通過solidworks建立了雙曲柄擺剪的三維模型，應(yīng)用motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找到整個(gè)剪切過程上下剪刃在不同關(guān)鍵時(shí)刻的相對(duì)位置，進(jìn)而分析剪刃與鋼筋的摩擦情況，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案。

1 擺剪模型的建立

采用三維建模軟件SolidWorks建立雙偏心擺剪的三維模型。首先，根據(jù)零件的實(shí)際尺寸建立各部件的零件圖，包括雙偏心主軸、刀座、連桿、剪刃、軸承、立柱等。然后，根據(jù)各零件的相對(duì)位置進(jìn)行裝配，裝配時(shí)按照實(shí)際接觸情況為條件設(shè)置約束。雙偏心擺式飛剪的三維模型(見圖3)。

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，要按照擺剪的實(shí)際使用情況進(jìn)行加載，分別對(duì)雙偏心主軸和擺動(dòng)曲柄施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

2 雙偏心曲柄擺剪的啟動(dòng)工作制

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作制的影響是多方面的。例如直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流非常高，易造成造成電網(wǎng)電壓跌落，使電機(jī)啟動(dòng)失敗并影響其他設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)使電機(jī)的壽命下降；沖擊轉(zhuǎn)矩會(huì)損傷相連的聯(lián)軸節(jié)或傳動(dòng)齒輪。因此，直接給電機(jī)加額定電壓，雖然啟動(dòng)快，但危害較大?；诒Ｗo(hù)設(shè)備、提高擺剪使用壽命等原因，需要制定合理的工作制度。

450 T雙偏心曲柄擺剪通過兩個(gè)530 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)速比為4.8的減速器實(shí)現(xiàn)剪切。采用啟停工作制，要求它啟動(dòng)階段響應(yīng)速度快，剪切階段速度平穩(wěn)，制動(dòng)階段精確穩(wěn)定。圖4是雙偏心軸的速度曲線。圖5為擺動(dòng)曲柄的速度曲線。

3 剪切過程

建立擺剪模型之后，將上述曲柄和主軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律加載并進(jìn)行仿真模擬，應(yīng)用軟件中的路徑跟蹤功能，得到上下剪刃在整個(gè)剪切過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

O、P點(diǎn)分別為上下剪刃處于剛剛重合位置的時(shí)刻，即O點(diǎn)為鋼筋剪斷的時(shí)刻，P點(diǎn)為二次零距離的時(shí)刻。M、N點(diǎn)分別為剪刃的最大重疊量時(shí)下剪刃和上剪刃所處的位置。根據(jù)剪切運(yùn)動(dòng)規(guī)律，上下兩剪刃的擺動(dòng)速度受到擺動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)速度影響，兩剪刃速度在開口最大位置的靜止開始加速，剪芯向左擺動(dòng)并達(dá)到最左端。之后剪芯開始向右擺，在這過程中下剪刃提升，上剪刃下降，直至上剪刃的垂直速度達(dá)到最大，剪切開始，同時(shí)兩剪刃與軋件以等水平速度前進(jìn)，到達(dá)O點(diǎn)時(shí)，軋件被切斷。切斷后，上剪刃繼續(xù)下降到N點(diǎn)，下剪刃繼續(xù)提升到M點(diǎn)，并達(dá)到最大重疊量。隨著剪切進(jìn)行，到P點(diǎn)時(shí)，兩剪刃再次出現(xiàn)零距離?？梢钥吹?，軋件的剪切過程是在初始位置的左側(cè)進(jìn)行的。

4 軋件對(duì)下剪刃磨損分析

剪刃與軋件的直接接觸會(huì)造成剪刃的磨損，同時(shí)上下剪刃的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軋件間位置的匹配又影響著剪刃與軋件的接觸情況。圖7所示，紅線為軋件的下表面，在每一個(gè)剪切周期的初始位置，軋件下表面高于下剪刃5 mm，剪切開始后0.215 s的A點(diǎn)，下剪刃與軋件下表面接觸， 0.472 5 s(B點(diǎn))剪刃水平速度達(dá)到1.4 m/s，0.472 5 s 后軋件被剪切開始，軋件與剪刃共同前進(jìn)。所以0.215～0.472 5 s期間內(nèi)，軋件與下剪刃存在0.257 5 s相對(duì)滑動(dòng)(不考慮軋件由于自身重量產(chǎn)生的撓曲)。0.663 s時(shí)(C點(diǎn))，剪刃開口大于軋件直徑，并且軋件速度大于剪刃水平速度，直到0.873 s的D點(diǎn)，下剪刃低于軋件，這期間內(nèi)軋件與剪刃同樣存在相對(duì)滑動(dòng)，所以0.663～0.873 s期間內(nèi)，軋件與下剪刃存在0.21 s相對(duì)滑動(dòng)。

因此，在一個(gè)剪切周期內(nèi)，共有0.257 5+0.21=0.467 5 s的時(shí)間軋件與下剪刃存在相對(duì)滑動(dòng)?？梢姡谡麄€(gè)1 s左右的剪切過程中，大約50%的時(shí)間內(nèi)軋件與下剪刃存在相對(duì)滑動(dòng)，這是剪刃磨損的一個(gè)重要原因。

原設(shè)計(jì)中，在擺剪的兩端設(shè)計(jì)有前磁性導(dǎo)輥和后擺動(dòng)軌道，前后輥?zhàn)痈哂诩羧? mm，理論上鋼筋與剪刃產(chǎn)生的摩擦?xí)r間如上面計(jì)算，但由于自身重力，鋼筋會(huì)發(fā)生撓曲，就易與剪刃接觸，如果這樣整個(gè)剪切周期內(nèi)只有剪切時(shí)那段時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)摩擦。由于擺剪是24 h工作制的，下剪刃受到的磨損時(shí)間是非常大的。

因此，考慮在擺剪剪芯內(nèi)設(shè)置一個(gè)機(jī)架輥?zhàn)鳛榍皩?dǎo)輥，如圖8a)所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖8b)。前導(dǎo)輥可以沿著支架上的導(dǎo)輥導(dǎo)槽上下移動(dòng)。

如圖8c)可以知道，沒有前導(dǎo)輥的情況下，擺剪剪刃提升時(shí)，軋件沒有發(fā)生移動(dòng)，下剪刃提升5 mm后就與軋件發(fā)生接觸了，因此摩擦過程出現(xiàn)。

時(shí)又把軋件抬高5 mm，軋件高于剪刃繼續(xù)前進(jìn)。經(jīng)過改造，剪刃的磨損量大幅下降，更換周期由原來2天剛換一次增加到3天剛換一次，壽命提高50%。

5 結(jié)論

1)對(duì)雙偏心擺剪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到上下剪刃的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，可直觀的分析剪切過程。

2)剪刃磨損的一個(gè)重要原因是在剪切周期內(nèi)，軋件與剪刃存在約0.47 s的相對(duì)滑動(dòng)。在擺剪剪芯內(nèi)設(shè)置一個(gè)機(jī)架輥?zhàn)鳛榍皩?dǎo)輥，可以有效的消除軋件與剪刃接觸摩擦，使剪刃的使用壽命提高50%。

[1] 王海文．軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[2] 陳占福．曲柄式飛剪剪刃運(yùn)行軌跡分析[J]．重型機(jī)械，2006(4)：31-33.

[3] 牛貴玲，張九全，馬美英．雙偏心曲柄擺式飛剪機(jī)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(10)：179-180.

[4] 王海儒，裴如妍，李波，等．雙偏心擺式飛剪機(jī)構(gòu)優(yōu)化[J]．重型機(jī)械，2008(2)：22-26.

[5] 高亞男，鮑遠(yuǎn)通，崔碩，等．雙偏心曲柄擺剪剪切過程的有限元模擬[J]．承德石油高等?？茖W(xué)校校報(bào)，2016，18(1):21-24,28.

Wear Analysis of Couple Off-Center Flying Shear Based on Solidworks

GAO Ya-nan1， BAO Yuan-tong1， ZHANG Yan-ju2， ZHANG Quan-yu1， ZHANG Gao-yue2

(1.Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000, Hebei，China; 2.Equipment Management Department, Chengde Steel of Hebei Iron and Steel Group Corporation, Chengde 067000, Hebei， China)

To study wear reason of shear blade on 450 T couple off-center flying shear in using process, a kinematics analysis was done using software of solidworks-motion. The shearing process is analyzed in detail and the wear process of rolling piece on shear blade below was mainly studied. The research results show that there is 0.47 seconds of relative sliding between shear blade below and rebar in the whole shearing process. This is the main reason of the shear blade wear, and then an improved scheme is put forward.

pendulum shear; shear blade; wear; solidworks

2016-04-11

高亞男(1982-)，男，河北承德人，承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系講師，博士，研究方向?yàn)榻饘僮冃芜^程的計(jì)算機(jī)模擬。

TG333

A

1008-9446(2016)05-0036-03