雙偏心曲柄擺式飛剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析*

楊慧潔，張艷菊，高亞男，郝瑞朝

(河北鋼鐵集團(tuán)承鋼公司，河北承德 067002)

雙偏心曲柄擺式飛剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析*

楊慧潔，張艷菊，高亞男，郝瑞朝

(河北鋼鐵集團(tuán)承鋼公司，河北承德 067002)

將450 t雙偏心曲柄擺式飛剪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)擺剪各主要結(jié)點(diǎn)的幾何關(guān)系，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，得到上下剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)軋件剪切過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，為分析擺剪兩驅(qū)動(dòng)的匹配提供理論參考。

擺剪;雙偏心;運(yùn)動(dòng)學(xué)

1 飛雙偏心擺式飛剪的工作原理

飛剪是棒材生產(chǎn)線(xiàn)上作為切頭、切尾，定尺的關(guān)鍵設(shè)備［1－3］。450 t飛雙偏心擺式飛剪由意大利達(dá)涅利公司研發(fā)設(shè)計(jì)。其原理圖見(jiàn)圖1。剪切機(jī)構(gòu)由主傳動(dòng)偏心軸掛在固定機(jī)座上，剪切機(jī)構(gòu)上剪刃本體由主軸的大偏心帶動(dòng)，下剪刃本體由小偏心帶動(dòng)。同時(shí)，整個(gè)剪切機(jī)構(gòu)由擺動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，并于剪切的同時(shí)進(jìn)行擺動(dòng)。雙偏心擺式飛剪系統(tǒng)傳動(dòng)采用直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)、聯(lián)軸器與雙偏心曲軸相聯(lián)。當(dāng)剪切跟蹤功能確定鋼坯快到剪切點(diǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。剪切過(guò)程中，上下剪刃咬住軋件同步運(yùn)行，此時(shí)要求剪刃的水平分速度與軋件的線(xiàn)速度相匹配。

圖1 雙偏心曲柄擺剪的原理圖

運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究機(jī)構(gòu)的主要手段。為了研究擺件剪切過(guò)程中主要部件的運(yùn)動(dòng)，本文采用解析法對(duì)雙偏心曲柄擺式飛剪機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究剪切過(guò)程中剪刃的位置以及剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 擺剪簡(jiǎn)化模型

為了清楚的了解雙偏心曲柄擺剪的具體結(jié)構(gòu)以及便于對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，故對(duì)擺剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示。

圖2 雙偏心曲柄擺剪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其剪切機(jī)構(gòu)為雙偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，AB為飛剪機(jī)的雙偏心曲柄、AC為曲柄與上剪刃本體間的連桿、BC為擺剪導(dǎo)柱，O1點(diǎn)是曲柄的中心，A點(diǎn)是曲柄與連桿的鉸接點(diǎn)，B點(diǎn)是曲柄與擺桿的鉸接點(diǎn)，C點(diǎn)是連桿與滑塊的鉸接點(diǎn)，同時(shí)也是滑塊與沿導(dǎo)柱BO3的接觸點(diǎn)，K點(diǎn)是初始狀態(tài)時(shí)滑塊的位置。O2為擺剪擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)中心，O2D為驅(qū)動(dòng)臂，DO3為連接桿。O3為剪切機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接點(diǎn)。

在剪切過(guò)程中，雙偏心曲柄AB以ω1的速度旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上剪刃本體和下剪刃本體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪切功能，而曲柄O2D的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)連桿O3D帶動(dòng)導(dǎo)柱BO3左右擺動(dòng)，從而帶動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，下剪刀固定在導(dǎo)柱BO3上，隨其左右往復(fù)擺動(dòng)，從而使上、下剪刃完成剪切。偏心量決定兩剪刃間的開(kāi)口度大小。根據(jù)實(shí)際剪切情況，剪切過(guò)程可分為四個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

初始狀態(tài):擺剪處于垂直位置，剪刃開(kāi)口最大，如圖3(a)所示。

剪刃接觸軋件:當(dāng)上下剪刃同時(shí)接觸棒材表面是，剪切開(kāi)始。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)剪刃同時(shí)進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng);同時(shí)，在水平方向，上下剪刃以不低于軋件的水平速度與軋件一起沿軋制方向擺動(dòng);如圖3(b)所示。

圖3 擺剪不同剪切位置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

剪刃重合狀態(tài):軋件被咬入后，兩剪刃的距離繼續(xù)減小，直至軋件被剪斷。一般對(duì)于剪切棒材，軋件不必完全剪透也可以將軋件剪斷，但為了確保剪斷，使上下剪刃應(yīng)具有一定的重合度，重合時(shí)刻如圖3 (c)所示。

剪刃脫離軋件:軋件剪斷后，繼續(xù)向出口擺動(dòng)，當(dāng)兩剪刃的間隙大于軋件直徑時(shí)，上下剪刃脫離軋件。該時(shí)刻擺剪結(jié)構(gòu)各零件位置如圖3(d)所示。

復(fù)位狀態(tài):剪刃脫離軋件后，上剪刃向上提，下剪刃向下降，雙偏心曲柄和擺動(dòng)曲柄都回到初始位置，飛剪只能實(shí)現(xiàn)一次剪切。如圖3(a)所示。

3 剪刃的軌跡求解

即可以得到O3的坐標(biāo)值。由于方程求解過(guò)程非常繁瑣，故采用MATLAB軟件進(jìn)行求解，得到χO3，yO3。

再求解C點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖4所示，三角形ABC，其中∠BAC=α，∠ABC=β，∠BCA=γ，∠BO3D=ξ。

其中:

接下來(lái)計(jì)算剪刃的坐標(biāo)，圖4為上下剪刃處的局部放大圖。由上圖根據(jù)幾何關(guān)系可以得到下剪刃和上剪刃的坐標(biāo):

至此，各點(diǎn)的坐標(biāo)軌跡全部求得。

將式(25)和式(26)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，就可以得到上下剪刃的速度變化規(guī)律。同樣，把得到的速度變化規(guī)律對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，就可得到剪刃加速度的變化規(guī)律。

圖4 擺剪上下剪刃處局部放大圖

450 t雙偏心曲柄擺式飛剪采用啟停工作制，對(duì)于啟停式飛剪機(jī)，要求它具有快速的啟動(dòng)段，充裕的穩(wěn)速段和平穩(wěn)的制動(dòng)段。飛剪機(jī)通過(guò)一個(gè)減速比為4.8的減速箱由兩個(gè)530 kW的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖5是飛剪機(jī)主軸、擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸一個(gè)工作周期的速度曲線(xiàn)。

圖5 雙偏心主軸及擺動(dòng)曲柄的速度曲線(xiàn)

將其分為3個(gè)階段:啟動(dòng)加速段;平穩(wěn)剪切段;制動(dòng)段。

啟動(dòng)階段是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)段，通常定義成系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即從靜止到調(diào)整時(shí)間，與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為啟動(dòng)角，運(yùn)動(dòng)特征為變加速運(yùn)動(dòng)。

穩(wěn)速轉(zhuǎn)動(dòng)段指轉(zhuǎn)軸達(dá)到調(diào)整時(shí)間后，制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)以前。此階段上下剪刃開(kāi)合完成剪切任務(wù)，如穩(wěn)速階段短，不能完成剪切過(guò)程，對(duì)設(shè)備的沖擊較大。

制動(dòng)段是從制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)到剪刃精確定位，與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為制動(dòng)角。此階段通過(guò)制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)，曲軸減速直至為0。要求制動(dòng)器的系統(tǒng)綜合響應(yīng)快、制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)載荷變化要連續(xù)、平穩(wěn)。

將速度曲線(xiàn)加入到擺剪運(yùn)動(dòng)，加載偏心軸和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，采用MATLAB進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，可以看到上下剪刃兩個(gè)點(diǎn)在整個(gè)剪切周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

圖6 上下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡

A，B點(diǎn)分別為兩剪刃距離為0的時(shí)刻的位置，CD為剪切時(shí)剪刃的最大重疊量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，上下剪刃的擺動(dòng)速度隨擺動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，擺剪剪刃速度從0加速直至最大，當(dāng)?shù)竭_(dá)最左端時(shí)又減速到0，在這個(gè)過(guò)程中上剪刃下降，下剪刃提升。之后剪芯開(kāi)始向右擺，直至基本達(dá)到最大速度時(shí)，剪刃開(kāi)口為軋件直徑時(shí)開(kāi)始剪切，并同時(shí)等速前進(jìn)，到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，軋件切斷。切斷后，上剪刃繼續(xù)下降達(dá)到D點(diǎn)，下剪刃繼續(xù)上升達(dá)到C點(diǎn)，則達(dá)到最大重疊量。隨著剪切進(jìn)行，上、下剪刃同時(shí)提升，到B點(diǎn)時(shí)，兩剪刃重疊量為0，直到最右端速度為0時(shí)，最后恢復(fù)到初始位置。可以看到，剪切以及切斷是在初始位置的左側(cè)進(jìn)行的。

圖7為上下剪刃的y向坐標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖可以看到，當(dāng)0.215 s時(shí)下剪刃先接觸軋件并將軋件向上抬升，當(dāng)0.485 s時(shí)，兩剪刃距離達(dá)到32 mm，上下剪刃接觸軋件，上下剪刃相對(duì)運(yùn)動(dòng)剪切軋件，在0.535 s時(shí)，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，直到0.577 5 s時(shí)剪刃重疊量達(dá)到最大9.09 mm，之后兩剪刃開(kāi)始分離，直到0.92 s開(kāi)口達(dá)到最大值150 mm。

圖7 上下剪刃y向坐標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)對(duì)雙偏心曲柄擺式飛剪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到剪切過(guò)程中4個(gè)主要的位置時(shí)擺剪的狀態(tài)。

(2)根據(jù)幾何關(guān)系建立了擺剪運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)MATLAB仿真，得到上下剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)0.485 s時(shí)，兩剪刃同時(shí)接觸軋件，剪切開(kāi)始，0.535 s時(shí)，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，剪斷過(guò)程歷時(shí)0.05 s。

［1］ 翁宇慶.軋鋼新技術(shù)3000問(wèn)(型材分冊(cè))［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［2］ 王海文.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［3］ 周福堯，高越農(nóng).角鋼飛剪機(jī)［J］.軋鋼，1991(2):67－85.

Kinematics Analysis of Double Eccentric Crank Pendulum Flying Shear

YANG Hui－jie，ZHANG Yan－ju，GAO Ya－nan，HAO Rui－chao
(Chengde Steel of Hebei Iron and Steel Group Corporation，Chengde Hebei 067002，China)

The structure of 450 tons double eccentric crank pendulum flying shear is simplified.According to the geometric relations of the main node of pendulum shear，the kinematics mathematical model is established.The simulation is done on this basis and the trajectory of the up and down shear blade motion can be obtained.Finally，according to the trajectory，a detailed analysis of the shearing process is done which provides a theoretical reference for analyzing the matching of the two drives of pendulum shear.

pendulum shear;double eccentric;kinematics

TH123

A

1007－4414(2013)05－0004－04

2013－09－04

楊慧潔(1986－)，女，河北承德人，助理工程師，主要從事冶金機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與管理方面的工作。