滚切式双边剪退刀机构受力分析及改进

霍建军

（华菱湘潭钢铁公司五米宽厚板厂， 湖南　湘潭　411100）

滚切式双边剪退刀机构受力分析及改进

霍建军

（华菱湘潭钢铁公司五米宽厚板厂， 湖南湘潭411100）

介绍了华菱湘潭钢铁公司五米宽厚板厂双边剪退刀机构及其有限元分析计算，并根据分析计算的结果得出规律，以实现对退刀机构的整改。整改后，该厂退刀机构连杆再未断裂。

宽厚板双边剪有限元退刀机构偏心

宽厚板厂双边剪设备常用来对轧制后的钢板进行切边定宽，其结构复杂、结构紧凑、精度要求高、维护难度大，是宽厚板厂非常重要的设备之一。退刀机构是双边剪的关键部件之一，一般用于在剪切完后将上剪刃拉回，从而保证上剪刃与钢板边部之间有一定的间距，在钢板运输过程中可以保证钢板边部不会磨损上剪刃。退刀机构与拉回缸及剪刃间隙调整装置一起实现剪刃间隙的调整功能。退刀机构、拉紧机构与剪刃间隙调整装置见图1[1]。

退刀连杆是退刀机构的重要零件，用来连接主齿轮箱和退刀机构。由于工作中退刀连杆一直承受拉伸力，并且直接承受剪切及退刀过程中的冲击，导致退刀连杆极易出现断裂现象。退刀连杆断裂事故将会导致剪刃间隙无法保证，退刀机构也无法退刀，伴随的剪切效果表现为废料翻转，切变质量极差。检修更换退刀连杆涉及到减速机内部结构，施工难度大，且时间过长，通常情况下只能将断裂处焊接起来继续使用，不仅花费时间极长，且留有隐患，将会带来长时间的停产检修并造成巨大的经济损失[2-3]。

1　退刀连杆断裂分析

1.1退刀机构动作分析

图1　主轴及轧机布置图

对退刀连杆断裂进行分析的前提是分析退刀机构是如何动作的。退刀机构是依靠两个凸轮来驱动的，见下页图2。凸轮1与凸轮2之间有一个固定的相位差，凸轮1的凸出部分对应凸轮2的凹陷部分，凸轮1的凹陷部分对应凸轮2的凸出部分，即当凸轮1的凸出部分转动到与A点接触时凸轮2的凹陷部分与B点接触，此时横梁AB绕O点顺时间转动，连杆AC向上移动，并带动杆CDE绕D点顺时间转动，E点转动时将杆FI和杆GH压向左侧，这就是非退刀阶段；而凸轮1的凸出部分转动到与A点接触时凸轮2的凹陷部分与B点接触，此时横梁AB绕O点逆时针转动，连杆AC向下移动，并带动杆CDE 绕D点逆时针转动，E点转动时将杆FI和杆GH拉向右侧，这就是退刀阶段；而凸轮1和凸轮2的凸出部分和凹陷部分之间都有一段过渡圆弧，当凸轮1与A点接触的部位从凹陷部分进入凸出部分时，为进入退刀阶段；而当凸轮1与A点接触的部位从凸出部分进入凹陷部分时，为进入非退刀阶段。

图2　退刀机构连杆模拟图

因此，退刀机构的动作总结为以下四个阶段：非退刀阶段、进入退刀阶段、退刀阶段、进入非退刀阶段。

1.2退刀机构受力分析

由于退刀机构、拉回缸及剪刃间隙调整装置配合在一起使用，所以在分析退刀机构时很有必要将拉回缸一起分析，而剪刃间隙调整装置对退刀机构的受力情况影响不大，所以在此处不作分析。退刀机构和拉回缸的受力图，（见图3）。

图3　退刀机构受力分析

图3中OBC为导向框架，单独对其作受力分析得出：

由式（1）—（4）可知：

对于杆LMN有：

式中MDM为扭矩。则有方向向下。

由于拉回缸的拉力一直存在，在拉回缸的作用下，退刀连杆上一直存在FL=4.06×104N，方向向下的拉力。由上面的运动学分析可知当处于非退刀状态时，退刀连杆承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而当处于退刀状态下时，退刀机构实际上也是在拉回缸的拉力下完成的退刀，根本不需要凸轮提供动力，所以退刀连杆承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而当处于进入退刀阶段时情况与上面的是一样的；但当处于进入非退刀阶段时，由凸轮提供动力来使退刀后的连杆提升，此动力的大小只需要FL=4.06×104N即可。由以上分析可知退刀连杆受力即为FL=4.06×104N。以此数据作为参考来对退刀连杆进行有限元分析。

1.3退刀连杆有限元分析

华菱湘潭钢铁公司五米宽厚板厂（以下简称五米宽厚板厂）的双边剪退刀连杆在使用中多次出现过断裂现象。断裂处如图4所示。

图4　退刀连杆断裂处

经检查断面非常整齐，对于连杆而言断裂处为其危险截面，此处为M64的螺纹，螺距为4 mm，小径约58.5 mm。然而设计上是将螺栓作为薄弱面，因此笔者认为连杆断裂处直径尺寸过小。在对其应力进行计算的同时，分别对连杆和螺栓进行有限元分析并比较其应力情况，最后根据分析情况更改连杆尺寸并比较前后的应力情况及薄弱点是否有转移。

另外退刀连杆的材料选为EN10025标准的S355J2G3，其抗拉强度取σ1b=550 MPa。

而退刀连杆下方两个方块之间的连接依靠的是2 个8.8级M42的不带螺母的内六角螺栓，其螺纹横截面积为螺栓的抗拉强度为σ2b= 800MPa，其应力为

由此可见退刀连杆的应力反而比螺栓的应力小，但螺栓的抗拉强度比退刀连杆要大，正常情况下退刀连杆的寿命有可能比螺栓要短，在同样情况下退刀连杆会比螺栓先断与实际情况相符。

退刀连杆有限元分析图见图5，固定连杆上端的孔，对连杆下方施加FL=4.06×104N的拉力，对连杆划分网格并计算后得出连杆下方最细处为薄弱点，其最大应力为σ3=2.4 MPa。

图5　退刀连杆有限元分析

螺栓有限元分析图见图6，由于对螺纹有限元的计算耗时过长，而螺纹又具有重复性，为了计算方便，我们将螺栓简化为直径为Φ37 mm的圆钢，固定圆钢上端，对连杆下方施加FL=4.06×104N的拉力，对连杆划分网格并计算后得出圆钢上方为薄弱点，其最大应力为σ4=2.6 MPa。另外选取圆钢任一点的应力为σ5=1.9 MPa，并以此应力计算其寿命。

图6　螺栓有限元分析图

2　结语

退刀连杆的应力反而比螺栓的应力小，但螺栓的抗拉强度比退刀连杆要大。由此可见，正常情况下退刀连杆的寿命有可能比螺栓要短，在同样情况下退刀连杆会比螺栓先断。华菱湘潭钢铁公司五米宽厚板厂整改的方向就很明确，为了确保设备具有合理的可靠性及安全系数，并且维修成本不高，五米宽厚板厂对退刀连杆及螺栓进行优化设计，使螺栓的抗拉极限低于退刀连杆的抗拉极限，就可以做到螺栓永远比连杆先断裂，从而保护退刀连杆不再断裂。此结论已经应用于实际，整改后，五米宽厚板厂退刀机构连杆再未断裂。

[1]吴宗绎.机械设计设手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]刘宝珩.轧钢机械设备[M].北京：冶金工业出版社，2010.

[3]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1995.

（编辑：王慧芳）

Force Analysis and Improvement of Retracing Structure Rolling-cut Double Side Shear

HUO Jianjun
（5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

This paper analyzes the retracing structure and its finite element calculation of rolling-cut double side shear of 5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，and gets its regulation to reform the retracing structure.After reform，The plant connecting rod and the blade is not broken any more.

plate mill，double-side shear，finite element，retracing，decentration

TG333.21

A

1672-1152（2016）04-0088-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.30

2016-06-05

霍建军（1988—），男，从事机械设备管理类工作，助理工程师，研究方向为机械制造工艺与设备。