双偏心曲柄摆剪的运动学分析

2015-12-05张全逾

承德石油高等专科学校学报 2015年3期

张全逾

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德 067000)

双偏心曲柄摆剪是棒材生产线上的重要设备[1］。通过对摆剪机构进行动力学的分析研究，可以对摆剪的剪切过程进行深入了解以及对其机构进行优化。研究采用运动学软件进行[2-4］。双偏心摆式飞剪系统的三维实体模型采用三维建模软件SolidWorks 2012建立。摆剪系统由若干零部件构成。由于要对整个系统进行运动学分析，因此，在首先建立起各部件的零件图，进行装配后再进行运动机构动态仿真。

1 三维模型的建立

首先，根据零件的真实尺寸建模，主要零部件有双偏心主轴，连杆，上下刀座，上下剪刃等。各主要零部件的模型建立后，对其进行装配，按照摆剪实际的接触、相对位置，采用配合工具里面的同轴，平行等条件为约束，建立的双偏心摆剪的三维模型如图1所示。

2 摆剪的运动学分析

2.1 两剪刃的运动轨迹

摆剪模型建立后，加载偏心轴和摆动驱动的运动参数，进行运动仿真模拟，在结果选项里选择路径跟踪功能，选择剪刃的两个端点，可以看到两个点在整个剪切周期内的运动轨迹，如图2所示。

A，B点分别为两剪刃距离为0的时刻的位置，CD为剪切时剪刃的最大重叠量。根据运动规律，上下剪刃的摆动速度随摆动曲柄的转动速度有关，摆剪剪刃速度从0加速直至最大，当到达最左端时又减速到0，在这个过程中上剪刃下降，下剪刃提升。之后剪芯开始向右摆，直至基本达到最大速度时，剪刃开口为轧件直径时开始剪切，并同时等速前进，到达A点时，轧件切断。切断后，上剪刃继续下降达到D点，下剪刃继续上升达到C点，则达到最大重叠量。随着剪切进行，上、下剪刃提升，到B点时，两剪刃重叠量为0，直到最右端速度为0时，最后恢复到初始位置。可以看到，剪切以及切断是在初始位置的左侧进行的。

2.2 双偏心轴起始相位角的影响

由于双偏心主轴存在着一个大偏心量和一个小偏心，所以其初始角度不同，两剪刃的开口是不一样的，同样转动过程两剪刃的运动轨迹、咬入剪切时刻、速度变化规律都是不同的，因此研究了不同起始相位角对各参数的研究规律。以摆剪开口最大位置时双偏心摆剪的启动相位角为0°，取相位角分别为0°，45°，60°，69°，86°，98°。

图3为不同启动相位角，剪刃的运动轨迹。可以看到随着起始相位角的增加，剪切位置由右侧向左侧移动。

当启动角为0°时，剪切位置基本处于最右端，由图发现剪刃重叠的过程中刚刚结束，就发生了回复，这个时刻剪刃的水平速度基本为0。当启动角为98°时，剪切位置基本处于最左端，剪刃刚刚经过最左端而向右摆动，这时刻剪刃的水平速度同样基本为0。所以就找到了剪切极限位置时的初始相位角，合理的初始相位角必定在这个范围内，图 3 b)，c)，d)，e)分别为 45°，60°，69°，86°时的轨迹。为了考察其合理性，以剪刃的水平速度与轧件的速度差为主要依据，以剪刃的垂直速度大小为次要依据，详细分析启动相位角的合理范围。

表1为不同启动相位角的情况下，剪切φ32 mm的钢筋咬入与切断的时刻，可知，随相位角的增加，咬入剪切时刻提前。

表1 不同启动相位角咬入时刻与剪断时刻

表2为剪切过程中，剪刃水平速度大于轧件速度的时间范围，以及在这个时间内剪刃的垂直速度范围。可知，水平速度大于1.4 m/s的时刻都在0.47 s～0.57 s附近，这是由于导柱的摆动主要决定了剪刃的水平速度大小，但垂直速度就在这时间的变化就很大，这主要由曲柄的初始相位角决定。

启动角为0°，咬入时水平速度已经达到1.4 m/s，剪断时刻速度已经低于轧件速度，则会出现堆钢现象，垂直速度处于上升阶段。启动角为45°，轧件从咬入到剪断剪刃都处于水平速度大于1.4 m/s，并且剪切时速度也处于较大值。而启动角大于60°时，水平速度未达到1.4 m/s时就已经开始剪切了，同样会出现堆钢，并且垂直速度较低，引起一定的冲击振动。因此启动相位角在45°左右比较合适。

表2 水平速度大于轧件速度的时间范围与该时间内的垂直速度

2.3 上下剪刃的速度分析

2.3.1 水平速度分析

根据摆剪运行的实际参数，分别在双偏心主轴好下摆曲柄上添加驱动电机，将两个转速随时间的变化曲线输入到软件中。摆剪在剪切过程，上下剪刃的水平速度与轧件的运动速度的匹配，对摆剪的冲击，尤其是轴承等关键部件的影响较大。

下图4为飞剪机剪切运动时上下剪刃的水平速度。由于上剪刃固定在上刀座上，上刀座沿着导柱上下滑动，下剪刃所在的下刀座与导柱固定在一起，在摆动连杆的带动下左右摇摆，所以上剪刃的水平速度有摆动的导柱决定，由于上刀座的回转半径略小于下刀座的，所以上刀座的水平速度略低于下刀座，尤其在两剪刃开口较大的范围内，两者速度差最大。

下剪刃接触轧件时和上下剪刃同时接触轧件时，轧件会对上下剪刃产生一定的冲击，但是如果轧件与两剪刃之间的速度差别不大时，这种冲击可以忽略不计;当轧件水平速度与两剪刃之间的速度差较很大时，轧件在水平方向上会对上下剪刃产生较大的冲击，加大轴承的冲击载荷，以及关键部件的磨损，甚至断裂，影响飞剪机正常工作，同时增大振动幅度，造成很大的噪声，所以必须消除或降低这种水平方向的冲击力。

由图可以看到，从0.472 5～0.577 5 s，两剪刃的水平速度大于轧件的水平速度1.4 m/s，剪切过程在这区间内完成，则轧件对摆剪的冲击较小，剪切断面质量较好。

2.3.2 垂直剪切速度分析

摆剪剪切过程中，是由曲柄带动上刀座，使其速度由0加速到最大值，通过上刀座储存的能量将棒材切断，由于上刀座包括锁紧缸以及剪刃的总质量高达2.5 t左右，因此，在驱动电机转速变化规律一定的情况下，剪切时剪刃的速度愈大，剪切力对双偏心主轴以及轴承的冲击越小。

图5为上下剪刃剪切方向的速度随时间的变化趋势。由图可知，由于上剪刃的所属的轴承的偏心量明显大于下剪刃，所以其剪切速度明显较大。可以看出，上下剪刃速度最大时，都处于下降趋势，其中上剪刃最大速度为799 mm/s，下剪刃最大63 mm，两者的速度差为736 mm/s，速度峰值出现在0.465 s。如果剪切时刻出现在速度差最大时刻，则有利于剪切质量以及对摆剪系统的影响。

2.4 剪切时刻的判定

为了考察摆剪剪刃的最大水平速度和垂直速度最大值是否出现在在剪切过程中，提取了上下剪刃的y向坐标随时间的变化规律，图6所示，两者的差为摆剪剪刃的开口，当两剪刃的距离减小到轧件直径32 mm时，则两剪刃同时接触轧件，此时，剪切开始。

由图可以看到，当0.215 s时下剪刃先接触轧件并将轧件向上抬升，当0.485 s时，两剪刃距离达到32 mm，上下剪刃接触轧件，上下剪刃相对运动剪切轧件，在0.535 s时，剪刃间距离为0，轧件被剪断，直到0.577 5 s时剪刃重叠量达到最大9.09 mm，之后两剪刃开始分离，直到0.92 s开口达到最大值150 mm。

根据前面的研究我们知道，剪刃的水平速度大于轧件速度的范围为0.472 5 s～0.577 5 s，垂直速度峰值出现在0.475 s左右，都在轧件咬入直至切断这个时间范围内，因此，偏心轴和摆动曲柄的转速设定是合理的。