吳永杰，嚴 升，孫亞波，崔衛(wèi)華

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣西柳州鋼鐵集團有限公司,廣西 柳州 545000)

滾筒飛剪傳動設計參數(shù)計算方法

吳永杰1，嚴 升2，孫亞波1，崔衛(wèi)華1

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣西柳州鋼鐵集團有限公司,廣西 柳州 545000)

在滾筒飛剪原有傳動參數(shù)計算方法基礎上，考慮連續(xù)工作制，研究了用戶要求的最小目標定尺長度對傳動設計參數(shù)的影響。根據(jù)滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，建立目標定尺長度計算模型，形成了比較完善的基于最小目標定尺長度的滾筒飛剪傳動設計參數(shù)計算方法。以某汽車板重卷檢查機組的滾筒式飛剪機為例，進行了仿真計算。結果表明，考慮最小目標定尺長度時，滾筒飛剪的傳動功率增大，傳動速比減小。

滾筒飛剪；連續(xù)工作制；最小目標定尺長度；傳動設計參數(shù)

0 前言

經(jīng)冷軋機組軋制后的帶鋼，必須經(jīng)過精整處理加工，才能得到高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。精整機組主要進行重卷、縱切、橫切、表面檢查等工序。

現(xiàn)代化冷連軋機組不斷向高速、自動化方向發(fā)展，且運行速度越來越高，對精整設備提出運行速度更快、精度更高、質(zhì)量更好的要求。飛剪作為橫切機組的重要設備對于機組的速度、精度和質(zhì)量都起著關鍵的作用，滾筒飛剪正是在這種形勢下研制開發(fā)的。之所以稱為滾筒飛剪，是因為飛剪的剪刃安裝在滾筒狀剪軸螺旋形的槽中，隨著剪軸的轉動兩個剪刃像齒輪嚙合一樣將帶材剪斷。

滾筒飛剪的傳動設計參數(shù)包含傳動功率、速比。其常規(guī)計算方法[1～12]按照啟停工作制計算傳動功率、速比。沒有考慮連續(xù)工作制時，用戶要求的最小目標定尺長度對傳動設計參數(shù)的影響，從而造成最小目標定尺長度剪切無法實現(xiàn)。

本文深入研究了滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，建立了目標定尺長度計算模型，形成比較完善的基于最小目標定尺長度的滾筒飛剪傳動設計參數(shù)計算方法。

1 原有傳動參數(shù)計算方法

如圖1所示，雙剪刃滾筒飛剪在滾筒上對稱安裝了兩把剪刃，沿滾筒軸線呈螺旋狀布置，螺旋升角為3°，滾筒旋轉一周，剪切兩次，剪刃零位為兩剪刃位于水平位置。

圖1 飛剪滾筒結構圖

如圖2所示，剪切時，剪刃從零位開始旋轉，轉過角度α0接觸帶材表面，繼續(xù)轉過角度γ，完全剪斷帶材。則α0為上、下剪刃接觸帶材表面的加速角，γ為切入角，Δ為上下剪刃重疊量，mm。

圖2 飛剪剪切示意圖

切入角γ計算如下

(1)

式中，D為滾筒直徑，mm；hmax為鋼最大厚度，mm。

加速角α0為

α0=90°-γ

式中，α0為剪切帶材寬度等于剪刃長度時的加速角，考慮最寬帶材比剪刃長度小，剪切最寬帶材時，剪刃接觸帶材的加速角α變?yōu)?/p>

(2)

式中，Bmax為帶鋼最大寬度，mm。

按照最大剪切速度核算加速時間Ta為

式中，νmax為最大剪切速度，m/min。

加速力矩Ma為

式中，GD2為飛剪換算到電機軸上的飛輪矩，kg·m2；N為傳動電機額定轉速，r/min。

則飛剪加速功率Pa為

剪切最寬帶材時，剪切角β為

剪切制動角φ為

φ=180°-α-β

按照最大剪切速度核算制動時間Td為

制動力矩Md為

式中，GD2為滾筒換算到電機軸上的飛輪矩，kg·m2；N為傳動電機額定轉速，r/min。

制動功率Pd

飛剪傳動功率P取加速功率Pa與制動功率Pd較大者，即

P=max{Pa,Pd}

(3)

飛剪傳動速比為

(4)

原有計算方法按照啟停工作制計算，沒有考慮連續(xù)工作制時，用戶要求的最小目標定尺長度對傳動設計參數(shù)的影響，從而造成最小目標定尺長度剪切無法實現(xiàn)。

2 連續(xù)定尺剪切計算分析

2.1 基本定尺長度計算

帶材定尺剪切需要剪切兩刀，第一刀剪切完成后，滾筒保持剪切速度運行，旋轉180°后，進行第二刀剪切，則，基本定尺長度為

當目標定尺長度Ls>L0時，第一刀剪切后，滾筒必須先降速，保持勻速，再升速到剪切速度，進行第二刀剪切。

當目標定尺長度Ls

則，滾筒速度可調(diào)角域ξ為加速角α和制動角φ之和，即

ξ=α+φ

滾筒速度可調(diào)位域Ψ為

滾筒速度可調(diào)時域Tξ為

(5)

2.2最大目標定尺長度Lmax計算

為了得到最大目標定尺長度，第一刀剪切后，滾筒必須先降速，保持勻速，再升速到剪切速度，進行第二刀剪切。即第一刀剪切完成后，滾筒轉動線速度從νs降速到νcon，降速時間為T1；保持勻速運行，運行時間T2，線速度再從vcon升速到vs，升速時間為T1，然后進行第二刀剪切，完成定尺剪切，如圖3所示。

圖3 最大目標定尺剪切速度變化曲線

則

(6)

Tξ=2T1+T2

(7)

(8)

式(6)、(7)代入式(8)得到

整理得到方程式

(9)

求解得到

設

p=Tξa-2νs

則方程式(9)變形為

此方程對稱軸為νcon=-0.5p。

求解

同時，必須滿足

0≤νcon≤νs

(10)

方程有解，且式(10)滿足的最大Lmax即為最大目標定尺長度，如圖4所示為計算流程。

圖4 最大目標定尺長度計算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)，D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(3)給定最大目標定尺長度初值Lmax=Ls0；

(5)令Lmax=Lmax+0.1，轉到步驟(3)重新計算，直到方程無解，或者判別式0≤νcon≤νs不成立；

(6)令Lmax=Lmax-0.1，得到最大目標定尺長度。

2.3 最小目標定尺長度計算

為了得到最小目標定尺長度，第一刀剪切后，滾筒必須先升速，保持勻速，再減速到剪切速度，進行第二刀剪切。即第一刀剪切完成后，滾筒轉動線速度從νs升速到νcon，升速時間為T1；保持勻速運行時間T2，線速度再從νcon降速到νs，降速時間為T1，然后進行第二刀剪切，完成定尺剪切，如圖5所示。

圖5 最小目標定尺剪切速度變化曲線

則

(11)

Tξ=2T1+T2

(12)

(13)

式(11)、(12)代入式(13)得到

整理

(14)

求解得到

設：

p=-(Tξa+2νs)

方程式(14)變形得到

此方程對稱軸為νcon=-0.5p>0。

求解得到

同時，必須滿足

νcon≥νs

(15)

方程有解，且式(15)滿足的最小Lmin即為最小目標定尺長度，如圖6所示為計算流程。

圖6 最小目標定尺長度計算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(3)給定最小目標定尺長度初值Lmin=Ls0；

(5)令Lmin=Lmin-0.1，轉到步驟(3)重新計算，直到方程無解，或者判別式νcon≥νs不成立；

(6)令Lmin=Lmin+0.1，得到最小目標定尺長度。

3 基于最小目標定尺長度的飛剪傳動設計參數(shù)計算

式(3)、式(4)的飛剪傳動設計參數(shù)計算的前提是：按照啟停工作制，飛剪位于零位，從靜止開始加速，到剪刃接觸帶鋼時，加速到剪切速度，剪切完成后，飛剪開始減速，到零位時，減速到靜止。

上述計算前提忽略了飛剪連續(xù)定尺剪切時，目標定尺長度對傳動功率P及傳動速比i的要求。

最大目標定尺長度Lmax的大小取決于勻速段速度νcon及其保持時間T2。當νcon=0，T2任意保持時，理論上可以得到任意的最大目標定尺長度Lmax。

最小目標定尺長度Lmin的大小取決于勻速段速度νcon及其保持時間T2。νcon越大，T2越大，Lmin越小，這就要求更大的滾筒加速度a。

得到滾筒加速度a后，傳動速比i及傳動功率P

(16)

(17)

計算步驟如圖7所示。

圖7 基于最小目標定尺長度的滾筒飛 剪傳動設計參數(shù)計算流程圖

(1)輸入各已知參數(shù)，D,Δ,hmax,Bmax,νmax等；

(2)給定最小目標定尺長度Lmin；

(5)令a=a+0.1，轉到步驟(4)重新計算，直到方程有解，且判別式νcon>νmax成立；

(6)得到加速度值a，按照式(16)、(17)計算飛剪傳動速比及傳動功率。

4 算例

通過采用本文所提出的基于最小目標定尺長度的滾筒飛剪傳動設計參數(shù)計算方法對某汽車板重卷檢查機組的滾筒式飛剪機傳動設計參數(shù)進行計算分析。滾筒飛剪結構參數(shù)及工藝參數(shù)如下：滾筒直徑D=321.5 mm，剪刃長度L=2 100 mm，Δ=1.5 mm，飛剪換算到電機軸上的飛輪矩GD2=2.17 kgf·m2。剪切帶鋼最大寬度Bmax=2 030 mm，最大厚度hmax=2.5 mm。最大剪切速度νmax=60 m/min，要求最小目標定尺長度為350 mm。主要計算結果如表1所示。

表1 傳動設計參數(shù)計算結果比較

可見，考慮最小目標定尺長度時，傳動功率有較大的增大，傳動速比有較大地減小。

而原有計算方法得到的傳動設計參數(shù)能夠實現(xiàn)的最小目標定尺長度為428 mm。

5 結論

本文在滾筒飛剪原有傳動參數(shù)計算方法基礎上，考慮了連續(xù)工作制時，用戶要求的最小目標定尺長度對傳動設計參數(shù)的影響。深入研究了滾筒飛剪連續(xù)定尺剪切原理，分別建立了基本定尺長度計算模型、最小目標定尺長度計算模型及最大目標定尺長度計算模型。形成比較完善的基于最小目標定尺長度的滾筒飛剪傳動設計參數(shù)計算方法。并以某汽車板重卷檢查機組的滾筒式飛剪機為例，進行了仿真計算，計算速度快，精度高，完全滿足工程需要。

[1] 周國盈. 帶鋼精整設備[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，1979.

[2] 柳冉，蔣繼中. 滾筒機構螺旋剪刃飛剪機靜態(tài)剪切力計算公式探討[J]. 重型機械, 2001，(03): 51-55.

[3] 崔志昌，李松江. 滾筒式飛剪的設計與結構分析[J]. 機械設計與制造, 2005，(10): 42-44.

[4] 汪建春，劉旺. 異周速雙滾筒切頭飛剪結構特點及分析[J]. 重型機械, 2007,(04):35-43.

[5] 趙華國，劉文武. 滾筒式切頭飛剪在剪切過程中里能參數(shù)的變化[J].一重技術,2002(04): 1-4.

[6] 高秀華，李曉峰，王同建等. 雙滾筒式切頭飛剪剪切力的計算及計算機模擬[J]. 吉林工業(yè)大學自然科學學報.1999,29(03):18-23.

[7] 鄒家祥. 軋鋼機械[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[8] 劉海昌. 新型板帶飛剪機的設計. 機械設計與制造,2007(09)：123-124.

[9] 柳冉. 滾筒類飛剪機螺旋剪刃設計:中國：1220927A[P].1999-6-30.

[10] 柳冉，胡光華. 按工藝要求直接求飛剪機構參數(shù)[J].重型機械，1996，31(12)：62-66.

[11] 張永虎. 鋼板定長剪切系統(tǒng)的研究和設計[D].沈陽：沈陽理工大學，2008.

[12] 鄂世偉，胡高舉，王宇.滾筒飛剪剪切力計算研究[J]. 重慶工學院學報(自然科學版)，2007，21(07)：45-49

Calculation method of driving design parameters in drum shear

WU Yong-jie1,YAN Sheng2,SUN Ya-bo1,CUI Wei-hua1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China 2.Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Company Limited,Liuzhou 545000,China)

This paper researched the influence of the minimum target cut length on driving design parameters, it established a calculation model of the target cut length, which formed a comparatively complete calculation method of driving design parameters in drum shear. This method is according to the principle of continuous specific cut length, the basis of the original driving parameter calculation method of drum shear was also considered. It took the drum shear of an auto strip coiling and inspecting line as an example, the simulation calculation was carried out. The results showed that the driving power of the drum shear increased and the transmission ratio decreased when the minimum target cut length was considered.

drum shear;continuous working system;minimum target cut length;driving design parameter

TG333

A

1001-196X(2017)05-0064-06

2017-04-23；

2017-05-26

2016年度陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2016KCT-08)

吳永杰(1973-)，男，高級工程師，從事板帶精整及處理專業(yè)。