尹 剛，馬續(xù)創(chuàng)，姜永濤，郭 韡

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

隨著高強(qiáng)鋼產(chǎn)品在市場(chǎng)端需求的提升，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)均在通過(guò)拓展產(chǎn)品大綱以提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，而由于高強(qiáng)鋼產(chǎn)品強(qiáng)度的提升，不僅需要改進(jìn)相關(guān)生產(chǎn)工藝，同時(shí)對(duì)設(shè)備的能力也提出了更高的要求。其中，在連續(xù)退火機(jī)組生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，將冷軋后的鋼卷原先所經(jīng)過(guò)的脫脂清洗、罩式退火、平整、檢查各工序組成一條作業(yè)線，用連續(xù)退火爐代替罩式退火爐，實(shí)現(xiàn)了從冷軋后鋼卷至成品的連續(xù)化生產(chǎn)[1-3]。由于上游冷連軋機(jī)組生產(chǎn)的帶鋼不剪切焊縫，且?guī)ь^、帶尾厚度往往超過(guò)允許偏差，故一般在連退機(jī)組的入口段設(shè)置剪切機(jī)，進(jìn)行焊縫和厚度超差的帶頭、帶尾剪切。

隨著高強(qiáng)鋼產(chǎn)品擴(kuò)充產(chǎn)品規(guī)格后，連退機(jī)組帶鋼最大帶頭帶尾厚度由2.5 mm增加至3.5 mm，帶鋼最大抗拉強(qiáng)度由800 MPa增加至1 600 MPa。其冷態(tài)剪切成為難題。

為解決該問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種連退機(jī)組入口段新型高強(qiáng)鋼飛剪——雙副螺旋剪刃滾筒飛剪。

1 雙副螺旋剪刃滾筒飛剪

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，雙副螺旋剪刃滾筒飛剪主要由主電機(jī)、主電機(jī)底座、高速聯(lián)軸器、高速聯(lián)軸器保護(hù)罩、減速器、減速器底座、低速聯(lián)軸器、低速聯(lián)軸器保護(hù)罩、傳動(dòng)側(cè)牌坊、底座、滾筒裝配、帶材、操作側(cè)牌坊、螺旋升降機(jī)等組成。

圖1 雙副螺旋剪刃滾筒飛剪

工作時(shí)，主電機(jī)通過(guò)高速聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速器運(yùn)轉(zhuǎn)，減速器通過(guò)低速聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)下滾筒旋轉(zhuǎn)，下滾筒通過(guò)同步齒輪驅(qū)動(dòng)上滾筒同步旋轉(zhuǎn)。上下滾筒帶動(dòng)其上安裝的螺旋剪刃對(duì)帶材進(jìn)行剪切。

螺旋升降機(jī)安裝于上滾筒的操作側(cè)，可調(diào)整上滾筒的軸向位置，從而改變剪刃側(cè)間隙的整體大小。

(1)滾筒。如圖2所示，滾筒主要由上滾筒、下滾筒、刀片、主壓塊、螺釘、調(diào)整壓塊、調(diào)整壓塊螺釘、拉緊螺釘、軸承、同步齒輪副等組成。

圖2 滾筒裝配

上、下刀片由壓塊固定在相向旋轉(zhuǎn)的上滾筒軸、下滾筒軸的同相位螺旋槽中。理論上，在旋轉(zhuǎn)剪切過(guò)程中，上、下刀片的剪切側(cè)間隙是均勻的。但由于加工精度和裝配精度的影響，在不同剪切點(diǎn)的上、下刀片的側(cè)間隙總存在一定誤差。當(dāng)側(cè)間隙誤差超過(guò)允許范圍后，輕則影響剪切斷面質(zhì)量，出現(xiàn)毛刺超高缺陷，導(dǎo)致次品率的增加；重則造成局部剪不斷，導(dǎo)致停機(jī)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。

傳統(tǒng)的方法是加墊片的方式來(lái)調(diào)整剪刃側(cè)間隙的均勻性。但該方法調(diào)整難度較大，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求高，是生產(chǎn)單位的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

為避免該問(wèn)題，新型雙副螺旋剪刃滾筒飛剪上首次創(chuàng)新地在上滾筒上設(shè)計(jì)了螺旋隔斷上滾筒橫截面圖，如圖3所示，筒身上有兩處切扁，間隔180°分布。軸身上間隔180°開(kāi)有兩處螺旋刀槽和調(diào)節(jié)螺旋槽，兩者之間形成螺旋隔斷。下滾筒設(shè)計(jì)有切扁和螺旋刀槽，但無(wú)調(diào)節(jié)螺旋槽，未形成螺旋隔斷。上、下滾筒螺旋刀槽的底部均設(shè)置有螺紋孔。

圖3 上滾筒橫截面圖

如圖2所示，刀片靠近上滾筒軸、下滾筒軸上的螺旋刀槽側(cè)面裝配。主壓塊設(shè)置有沉孔，兩側(cè)面帶有一定斜度。調(diào)整壓塊的頂面設(shè)置有沉孔；其側(cè)面設(shè)置有光孔，且與頂面沉孔錯(cuò)開(kāi)分布；與主壓塊數(shù)量相同，兩側(cè)面帶有一定斜度。上滾筒軸上的刀片、下滾筒軸的刀片數(shù)量為均兩把。所述調(diào)節(jié)螺旋槽和螺旋刀槽基準(zhǔn)刀面間形成一道螺旋隔斷。螺旋刀槽、調(diào)節(jié)螺旋槽的底部均設(shè)置螺旋間隔均勻分布螺紋孔和與槽底螺紋孔錯(cuò)開(kāi)布置的螺孔，調(diào)節(jié)螺旋槽的另一面設(shè)置與其同軸的沉孔。

調(diào)整壓塊設(shè)置有調(diào)整壓塊螺釘，調(diào)整壓塊螺釘穿過(guò)所述調(diào)整壓塊的沉孔旋入所述調(diào)節(jié)螺旋槽底部的螺紋孔。隨著某個(gè)調(diào)整壓塊壓下量的增加，其側(cè)面頂緊調(diào)整槽兩側(cè)面，由于螺旋隔斷的剛度更小，故螺旋隔斷在對(duì)應(yīng)的位置被微量推動(dòng)，則對(duì)應(yīng)位置側(cè)間隙增大；隨著某個(gè)調(diào)整壓塊其壓下量的減小，則螺旋隔斷發(fā)生微量彈性反彈，對(duì)應(yīng)位置側(cè)間隙減小。

主壓塊設(shè)置有主壓塊螺釘，主壓塊螺釘穿過(guò)主壓塊的沉孔旋入所述螺旋刀槽底部的螺孔，使主壓塊的側(cè)面頂緊螺旋刀槽側(cè)面和刀片。

磁座百分表，可布置于如圖2c所示位置，用以精確檢測(cè)該處側(cè)間隙的變化。

圖4 同步齒輪副

(2)同步齒輪副。如圖3所示，下齒輪為主動(dòng)齒輪，上齒輪采用主副齒輪結(jié)構(gòu)，三者均為斜齒輪。通過(guò)調(diào)整墊片的厚度使主副齒輪形成相位差。相位差大小應(yīng)恰好抵消下齒輪和上主齒輪的齒輪側(cè)間隙，從而避免滾筒反轉(zhuǎn)時(shí)，上下剪刃的不同步轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)注意的是，調(diào)整墊片的厚度應(yīng)使正轉(zhuǎn)時(shí)主動(dòng)齒輪通過(guò)主從齒輪向上滾筒傳遞扭矩；反轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)齒輪通過(guò)副從齒輪向上滾筒傳遞扭矩。

1.2 技術(shù)參數(shù)

帶材厚度：0.3～3.5 mm

帶材寬度：700～1 630 mm

帶材最大抗拉強(qiáng)度：130～1 600 MPa

滾筒直徑：390 mm

剪刃副數(shù)：2副

螺旋角：1.5°

同步速度：15 m/min、30 m/min、45 m/min、60 m/min、90 m/min(四檔)

電機(jī)功率：160 kW

減速比：17.3

定尺長(zhǎng)度：400 mm、580 mm、630 mm

2 剪切力的計(jì)算

雙副螺旋剪刃滾筒飛剪的主要特點(diǎn)在于剪切力小。它通過(guò)壓迫刀片沿螺旋槽彈性變形的方法來(lái)形成螺旋剪刃，使得飛剪也能形成雙斜刃逐步切入效果，可大大減小帶材被剪切面積，從而大幅減小剪切力[6-9]。

根據(jù)柯洛遼夫公式[10-12]計(jì)算剪切力P為

P=(0.7～0.75)K1K3σbF

(1)

式中，K1為刀刃側(cè)間隙影響系數(shù)，一般取1.3～1.5；K3為刀鈍系數(shù)，一般取1.1～1.3；σb為被剪切帶鋼的抗拉強(qiáng)度，MPa；F為帶鋼的剪切面積，mm2。

螺旋剪刃自操作側(cè)切入，向傳動(dòng)側(cè)逐步過(guò)渡，始終僅存在一處剪切區(qū)域，根據(jù)幾何關(guān)系，其剪切區(qū)域如圖5所示。

圖5 螺旋剪刃剪切區(qū)域圖

(2)

式中，z為雙副螺旋剪刃滾筒飛剪臨界切斷帶材的上、下刃切入深度；ε為相對(duì)切入率；h為帶鋼厚度，mm。

其中，相對(duì)切入率可根據(jù)新產(chǎn)品試樣的相對(duì)延伸率按式(3)來(lái)計(jì)算

ε=1.25δ5

(3)

式中，δ5為長(zhǎng)徑比為5的試樣的相對(duì)延伸率。

將新產(chǎn)品參數(shù)δ5=0.3、h=3.5mm代入式(2)、(3)，可解得z2=0.656 mm。

根據(jù)z2=0.656 mm、h=3.5 mm、α=1.5°、，使用AutoCAD繪制圖5，可知b=25.06 mm，面積F=71.27 mm2。

取剪應(yīng)力系數(shù)為0.75、K1=1.4、K3=1.2，將σb=1 600 MPa、F=71.27 mm2代入式(1)，可解得剪切力P=1.44×105。

3 滾筒強(qiáng)度的有限元分析

雙副螺旋剪刃滾筒飛剪強(qiáng)度大、應(yīng)力水平低。

K型施羅曼飛剪的上刀架，為采用材料Q345的焊接件，屈服極限位345 MPa，經(jīng)常發(fā)生變形、開(kāi)裂現(xiàn)象[13-15]，說(shuō)明其實(shí)際應(yīng)力大于許用應(yīng)力。

與其相比，雙副螺旋剪刃滾筒飛剪的滾筒由焊接件升降為鍛件，材料為性能更佳的40 Cr，其屈服極限785 MPa。比施羅曼飛剪上刀架的屈服極限增大了約1.3倍。

加之，雙副螺旋剪刃滾筒飛剪的剪切力更小，因此其應(yīng)力水平較低。如圖6所示，為上滾筒有限元應(yīng)力分析云圖，最大應(yīng)力為122 MPa。

圖6 上滾筒有限元應(yīng)力云圖

根據(jù)材料力學(xué)，考慮設(shè)備沖擊的影響，安全系數(shù)n一般取1.8～2.5[16]。因此，其許用拉應(yīng)力[σ]應(yīng)取314～436 MPa。因?yàn)槁菪羧屑羟衅椒€(wěn)，安全系數(shù)可以適當(dāng)取小。一般按平均值來(lái)考慮，取[σ]=375 MPa。將其與有限元結(jié)果對(duì)比可知122 MPa <375 MPa，即σ<[σ]，故上滾筒的安全系數(shù)足夠，無(wú)屈服變形的風(fēng)險(xiǎn)。

4 剪刃側(cè)間隙均勻度的調(diào)整步驟

雙螺旋剪刃滾筒飛剪的剪刃側(cè)間隙均勻度調(diào)整方便、可靠。其側(cè)間隙均勻性調(diào)整流程，如圖7所示。包括步驟為：

圖7 流程圖

步驟1：收集系統(tǒng)參數(shù)：剪切鋼板厚度h，調(diào)整壓塊單邊傾斜角α，調(diào)整壓塊螺栓螺距P，最佳側(cè)間隙c0和允許偏差值Δc。

步驟2：定義調(diào)整壓塊螺栓所需調(diào)整量為λ(正值表示向上調(diào)節(jié)，負(fù)值表示下上調(diào)節(jié))，調(diào)整壓塊螺栓所需旋轉(zhuǎn)角度為β(正值表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn))。

步驟3：轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)裝配的上滾筒軸、下滾筒軸，帶動(dòng)其上刀片相向旋轉(zhuǎn)。

步驟4：沿軸向逐點(diǎn)測(cè)量上、下刀片的側(cè)間隙，記錄各點(diǎn)側(cè)間隙數(shù)組。

ci={c1,c2,…,cn}(i=1,2,…,n)

步驟5：令i=1，k=0。

步驟6：判斷側(cè)間隙偏差是否在允許誤差范圍內(nèi)，即|ci-c0|≤Δc是否成立。

步驟7：如果成立，則令調(diào)整壓塊調(diào)整量λi=0，k=k+1,并跳至步驟10；否則，轉(zhuǎn)入步驟8。

步驟8：計(jì)算調(diào)整壓塊所需調(diào)整量。

步驟9：計(jì)算調(diào)整壓塊螺栓所需旋轉(zhuǎn)角度。

步驟10：判斷i≤n是否成立？如果成立，則令i=i+1并跳至步驟6；否則，轉(zhuǎn)入步驟11。

步驟11：判斷k=n是否成立？如果成立，則完成側(cè)間隙均勻性的調(diào)節(jié)，否則轉(zhuǎn)入步驟12。

步驟12：松開(kāi)βi≠0主壓塊。

步驟13：松開(kāi)βi≠0拉緊螺釘。

步驟14：按角度數(shù)組β={β1,β2,…,βn}(i=1,2,…,n)旋轉(zhuǎn)βi≠0調(diào)整壓塊螺栓。

步驟15：擰緊拉緊螺釘。

步驟16：擰緊主壓塊螺釘，并轉(zhuǎn)入步驟3。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙副螺旋剪刃滾筒飛剪在國(guó)內(nèi)某大型鋼企連退機(jī)組應(yīng)用后，服役刃口剪切13個(gè)月后仍運(yùn)行良好。由于剪刃上有兩個(gè)刃口可用，可翻面使用。因此，預(yù)測(cè)剪刃壽命在26個(gè)月以上?，F(xiàn)場(chǎng)觀察到剪切平穩(wěn)、噪聲小、振動(dòng)小，滾筒無(wú)變形、開(kāi)裂現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)證，剪刃更換方便、側(cè)間隙調(diào)整可靠、方便。

雙副螺旋剪刃滾筒飛剪剪切力小，剪刃壽命長(zhǎng)；滾筒強(qiáng)度高，彎曲應(yīng)力??；只需要調(diào)整上刀片，便可完成剪刃側(cè)間隙均勻度的調(diào)整；剪刃側(cè)間隙均勻性調(diào)整系統(tǒng)調(diào)整靈活、簡(jiǎn)單，可以縮短剪刃更換時(shí)間，大大提高了工作效率。

雙副螺旋剪刃滾筒飛剪率先實(shí)現(xiàn)了新特性高強(qiáng)鋼在冷態(tài)下的穩(wěn)定飛剪，對(duì)新特性高強(qiáng)鋼的冷態(tài)飛剪具有指導(dǎo)意義。