曲柄摆式飞剪液压空切原理及剪刃轨迹分析

万 飞,景群平,金 敏,付友昌

(1.宝钢工程技术有限公司轧钢事业部,上海 201900;2.中国重型机械研究院有限公司,陕西 西安 710032;3.首钢京唐钢铁联合有限责任公司,北京 063200)

液压单偏心空切机构曲柄摆式飞剪是施罗曼飞剪的一种形式,空切机构设置了液压偏心机构,用液压缸改变液压偏心的角度,完成单尺或倍尺剪切[1]。文献[1]分析了上下剪刃开始剪切带钢时的剪切角,以及在剪切过程中剪切角的变化位置,并指出使用中的飞剪在设计方面存在不足,通过计算确定了在剪切带钢时空切机构的调整位置。

1 飞剪的结构特点和剪切原理

单偏心空切机构曲柄摆式飞剪的本体由剪切机构、空切调整机构和剪刃间隙调整机构四个部分组成 (图 1)。剪切机构由曲柄 1、上刀架 2、下刀架 3、机械空切偏心轴 6和偏心轴调整液压缸构成。间隙调整机构由调整杆 5和上下刀架连接杆 4组成。飞剪机运转时,曲柄的长度为定值不可调整。

剪切时,空切机构和剪刃间隙不调整,整个机构就构成了一个四杆机构,在曲柄的旋转过程中,剪刃形成固定的运动轨迹,上剪刃作近似于椭圆形的运动,下刀架作摆动运动,在轨迹相交区段形成剪切区。单独调整空切机构或间隙调整机构时,就构成五杆机构。当同时调整空切机构和间隙调整机构时,就构成一个六杆机构。

单偏心空切机构曲柄摆式飞剪的剪切过程包括上下剪刃的接近、相互咬入剪切带钢、剪切终了脱离带钢三个阶段,形成一个完整的剪切过程。设计时要使剪刃能够顺利剪断带钢,同时要使剪切区最小,并且使上下剪刃有一个合理的重合量。

带钢剪切的定尺长度用三种方法实现,即调整带钢运行速度、在一定范围内改变曲柄转动速度、使用空切机构,一般使用空切机构完成长定尺剪切。

设空切机构转角为β,当β=0°、90°、180°和 270°时的上下剪刃位置如图 1所示。

图 1 不同空切偏心转角的剪刃位置图

2 飞剪剪刃运动轨迹计算方法和步骤

建立以O5点为原点的直角坐标系,该坐标系为固定坐标系;分别建立以 O1、O2、O3、O4和 O6点为原点的辅助动坐标系、和。

设曲柄半径为 E1,曲柄回转角为α,在坐标系中,回转点O2的坐标可用下式计算:

下刀架以O6点为回转中心作摆动运动。由于上下刀架通过 O3点连接在一起运动,要求曲轴旋转过程中的上下剪切点位置,首先确定刀刃间隙调整杆的调整量和空切偏心轴的调整角度,然后确定 O3和O4的位置,当 O3和 O4的位置确定后,上下剪切点位置就可以确定。

若设O6、O3点的连线为 l1,当偏心轴的转角确定之后,O3点就在以 O6点为圆心,以 l1为半径的圆周上转动。O3点在坐标系中的坐标为

计算内容:

(1)在空切和间隙调整确定后,描述上下刀刃剪切点的运动轨迹;

(2)确定剪切带钢时空切机构调整角度;

(3)确定上下剪刃剪切带钢时的切入角;

(4)确定剪切带钢的剪切角和剪切长度。

计算步骤:

(1)输入带钢厚度、宽度、上下刀片厚度和高度,下刀片需要中间高度,剪切带钢边缘点的高度和边部高度三个数据,边部高度用于检验剪切时上下刀片间隙的变化情况。

(3)设定间隙调整量。

(4)设曲轴转角为α,可求得上剪刃剪切点A1在固定直角坐标系中的坐标 A1(x0a1,y0a1),以及上剪刃剪切点 A2在固定直角坐标系中的坐标 A2(x0a2, y0a2)。

(5)设定一系列的曲柄转角为α,得到与之对应的一系列的上剪刃剪切点 A1的坐标 A1(x0a11, x0a12, ……x0a1n)和 (y0a11, y0a12, ……y0a1n),下剪刃剪切点 A2点的坐标 A2(x0a21,x0a22, ……x0a2n)和 (y0a21, y0a22, …y0a2n)。

(6)将上、下剪刃的一系列剪切点 A1、A2绘制成图形,就构成了在各空切机构转角时的上下剪刃运动轨迹。

3 飞剪运动轨迹计算实例

选用宝钢五冷轧连退机组和 2030新增连退机组中的飞剪作为计算实例进行计算。剪切带钢材质:CQ钢,带钢厚度 2 mm,宽度1 600 mm。

调整空切机构的偏心轴转动角度β分别等于0°、90°、180°和 270°, 计算得到上下剪刃运动轨迹见图 2。

图 2 不同偏心转角的剪刃运动轨迹图

从图 2a可以看出,上下剪刃的最近点位置的距离为 29.09 mm,最远点位置的距离为257.77 mm,上剪刃距带钢上表面的最近点距离是 1.1 mm,下剪刃距带钢下表面最近点距离是 12.74 mm。在图 2b中,上下剪刃的最近点位置为 -1.75 mm,最远点位置为 209.2 mm,上剪刃距带钢上表面的最近点是 -0.77 mm,下剪刃距带钢下表面最近点是 0.98 mm,位置点为负值时说明上剪刃位于剪切线以下,而下剪刃位于剪切线之上,上下剪刃剪切带钢,负值的大小表示上下剪刃重合量。在图 2c中,上下剪刃的最近点位置的距离为 34.67 mm,最远点位置的距离为 257.84 mm,上剪刃距带钢上表面的最近点距离是 9.57 mm,下剪刃距带钢下表面最近点距离是 23.1 mm。在图 2d中,上下剪刃的最近点位置的距离为 64.137,最远点位置的距离为 305.437 mm,上剪刃距带钢上表面的最近点距离是 12.86 mm,下剪刃距带钢下表面最近点距离是 49.28 mm。

当空切机构的偏心转角等于 90°时,飞剪处于剪切带钢的位置,剪切时上下剪刃重合量为1.75 mm。当曲柄转角等于 245°时,下剪刃首先将带钢向上托起,带钢边部开始受到上下剪刃的剪切。这时上剪刃的倾斜角为 1.438°,下剪刃的倾斜角为 1.238°。当曲柄转动至 255°时,下剪刃的中点与上剪刃相接触剪断带钢。当曲柄转动至 270°时,下剪刃的中点与上剪刃的重合量达到最大值 1.75 mm。这时上剪刃的倾斜角为0.302°,下剪刃的倾斜角为 0.765°。当曲柄转动至 276°时,下剪刃继续上升,上剪刃也开始上升脱离下剪刃的中点,这时上剪刃的倾斜角为1.377°,下剪刃的倾斜角为 1.575°。当曲柄转动至 292°时,上、下剪刃脱离带钢的边部,上剪刃继续上升,下剪刃开始下降,这时上剪刃的倾斜角为 5.121°,下剪刃的倾斜角为 3.616°。完成剪切过程,曲柄剪切角 47°,剪切区行程32.88 mm。

4 结论

计算和分析结果得到以下结论:

(1)当空切机构的偏心转角等于 90°时,飞剪处于剪切带钢位置,下剪刃将带钢向上托起后进行剪切,符合飞剪剪切带钢的要求;

(2)剪切带钢时的剪切角小,上下剪刃基本上处于垂直状态下剪切带钢,即在剪切过程中上下剪刃基本保持平行剪切带钢;

(3)当空切机构的偏心转角等于 270°时,上剪刃距带钢上表面的最近点距离 12.86 mm,下剪刃距带钢下表面最近点距离 49.28 mm。距离带钢上、下表面都有较大的空切距离,不会擦伤带钢表面。因此选择该角度为空切角;

(4)由于下刀架的 O6-O3连线 l1较长,处于剪切区的下剪刃回转弧较为平缓,使得下剪刃在脱离剪切区后仍然距离带钢下表面较近,容易擦伤带钢。应当控制空切机构的回转速率,即在上、下剪刃进入剪切角之前,空切机构偏心转角已到达 90°位置,在上剪刃进入下一次剪切角之前,空切机构偏心转角已回到270°位置,这样可以使下剪刃在剪切范围以外区域增大与带钢下表面的距离,减小对带钢下表面接触的可能性。

[1] 周国盈.带钢精整设备 [M].北京:冶金工业出版社,2001.

[2] 武汉钢铁设计研究院主编.板带车间机械设备设计[M].北京:冶金工业出版社,1987.

[3] 邹家祥.轧钢机械 [M].北京:冶金工业出版社,2000.