鋁帶冷軋機液壓剪結構改造及分析

曾安明

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

鋁帶冷軋機液壓剪結構改造及分析

曾安明

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

針對某鋁加工廠冷軋機液壓剪在生產中出現的故障，根據液壓剪結構和受力狀態的分析，考慮實際狀況，采用了導向柱形式的改造方式，滿足了生產使用要求。

液壓剪；側向力；力學分析；改造

0 前言

目前，在鋁板帶車間軋制線上，為了滿足生產和工藝要求，經常需要對帶材頭尾進行剪切，因而機組設備經常配置有液壓剪切機。液壓剪具備結構簡單、維護方便等一系列優點。在實際使用過程中，隨著來料厚度的變化，剪切力也隨之變化，液壓剪的架體承受交變應力作用，因此在設計、制造和生產維護階段均需考慮其性能可靠性和穩定性。

某鋁板帶加工廠的冷軋機液壓剪就出現設備局部損壞的狀況，影響到設備的正常使用。針對此問題，本文結合設備工況，進行結構及力學分析，實施設備改造和結構優化，提高了使用效率。

1 液壓剪結構簡介及現場故障

圖1所示為鋁帶冷軋機液壓剪的典型結構。上剪刃3固定在上橫梁2上，液壓缸9與下固定橫梁10連接，液壓缸活塞腔進油，通過齒輪齒條同步機構8保證兩端同步，驅動下刀架6向上運動，帶動鑲嵌在下刀架6上的下剪刃5，使之與上剪刃3重疊完成板材的剪切。

圖1 液壓剪結構簡圖

液壓剪主要技術參數：來料規格：1×××、3×××、8×××及5052、5182；寬度：850～1700mm；厚度：Max 10mm(純鋁)/ 7mm(硬鋁合金)；剪刃傾角：2o(雙斜刃)；剪切力： ～300 kN。

液壓剪經過一段時間的使用后，出現了設備故障。機架U形導向面一側發生斷裂，導致上下剪刃平行度及側隙均產生極大偏差，失去導向及承受側向力的功能，剪切已無法正常進行。

2 剪切過程力學分析

金屬剪切過程可粗略分為壓入變形和剪切滑移兩個階段組成。

（1）壓入變形階段：下剪刃托住帶材上升，上壓板壓住，剪刃與軋件接觸，開始由彈性壓入轉為塑性壓入金屬。上下剪刃對被剪金屬的作用力P構成力矩Pa，使金屬沿圖2所示方向轉動，但在轉動過程中，剪刃側面給金屬以側推力T，則上下剪刃的側推力又構成另一力矩Tc，阻礙金屬轉動。隨著剪刃的逐漸壓入，轉角γ不斷增大，達到兩力矩平衡，就停止轉動，即Pa=Tc。其力學模型如圖2所示。

圖2 力學模型剪切過程圖

（2）剪切滑移階段：剪刃繼續壓入到一定深度，當剪切力大于金屬自身的剪切阻力時，被剪金屬沿剪切面塑性滑移，內裂紋產生并擴展直至整個斷面完全斷裂，完成剪切過程。

根據相關文獻經驗數據，在有壓板剪切時，側向力T≈(0.1 ～ 0.18)P，考慮到剪切力的大小及其變化，其對于機架的影響不容忽視，會使刀架與機架的滑動導向面磨損加重，剪刃間隙增大，造成剪切困難，而在機架剛性較差的情況下，還會導致局部變形甚至損壞。

3 改造實施方案

針對上述剪切過程力學分析，機架在水平方向承受較大的側向力。由部件結構分析，此導向側面擋邊設計較薄，僅30mm厚，且是機加工出的擋邊，很容易斷裂失效，由于失效后導致的側隙增大，將進一步增大水平剪切分力，形成惡性循環，最終導致上述液壓剪故障。在生產維護中，合理調整剪刃側向間隙較為重要。

在進行方案改造時，結合實際情況，既要避免進行大范圍的拆裝和加工而影響正常生產的進行，又要考慮盡量利用原先結構上的零部件，以使改造成本降至最低。液壓剪兩側U形導向塊是焊接在入口機架上，導向面加工及裝配時有相應的精度要求，側面斷裂處顯然是無法經過簡單的補焊修復處理而達到使用要求。鋁帶冷軋機入口裝置由刮板直頭裝置、夾送輥、液壓剪、展平輥等眾多零部件及驅動機構組成，若將入口機架拆下來重新加工，需進行大量繁重拆裝工作，整條生產線也必將停工，綜合成本較高。基于以上考慮，確立了如下的改造方案。

圖3 改造后液壓剪結構簡圖

圖3為改造后結構。將下刀架原先的U形導向形式改為立式導柱形式，導向柱在上固定橫梁上有銅滑套導向，上下刀架與導向柱組成一個整體框架結構，相對而言，機架的裝配精度更高。剪切時，導向柱隨下刀架整體上升，剪切產生的側向分力由導向柱承受，并傳遞到機架。

設計過程中充分利用三維軟件輔助設計，通過建立三維模型，更加直觀準確地反映出設備狀況，并且在完成模型設計后，使用三維軟件中應力分析功能，添加必要的初始條件（如材料特性、載荷、固定約束等），進行相關結構件的應力、變形量等分析。圖4、圖5所示為導向柱的三維分析結果圖。

圖4 導向柱的位移分析結果圖

圖5 導向柱的第一主應力分析結果圖

導向柱A段及B截面為主要分析部位，以單根導向柱所受最大側向力進行分析，并對約束和載荷均進行了適當的簡化。從結果可知，A段的變形量＜0.125mm，第一主應力＜79.9MPa，B截面局部有一定的應力集中，均在可接受范圍內。此分析促進了設計優化，具有理論和實際參考價值。

改造后結構具有如下優點：（1）使用原入口機架的上橫梁安裝孔位置，保留原驅動液壓缸及下橫梁，可較容易實現液壓剪局部更換，減少對生產的影響；（2）導向柱截面積大，剪切時，導向柱上升，整體抗彎抗剪安全系數高。

4 結論

改造后的液壓剪在工廠使用狀況良好，滿足了生產要求。在生產實踐中能有效減少設備故障，降低維護要求，提高生產效率。

結合此次液壓剪現場改造，針對鋁帶冷軋機的液壓剪設計，有幾點建議可供參考：

（1）嚴格保證液壓剪的制造精度和裝配精度，特別是導向部分的相互垂直度和平行度要求。對于受力較大部位，應加強其剛性和強度。

（2）根據厚度變化，合理調整上下刀刃側向間隙，不僅能夠保證剪切質量，還將減少設備事故率。側隙調節不當，間隙大，則剪切斷面有毛刺、倒角現象。間隙過小，容易造成剪刃過快鈍化。鋁帶冷軋機液壓剪上下刀刃側向間隙一般為被剪切板帶材厚度的3%～4%。

（3）為減少頻繁調整刀刃側向間隙而導致的設備維護工作量，生產中可制定合適的工藝，需要剪切時，盡可能在一定厚度范圍內進行，以提高生產效率。

[1] 張敬禮. 中厚板液壓斜刃剪切機設計中應注意的幾點問題[J].有色設備，2001.3:10-11

[2] 鄒家祥. 軋鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2004

（編輯：張為賓）

Transformation and Analysis of Hydraulic Shear in Aluminium Strip Cold Mill

ZENG An-ming
(China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471039, China)

The fault of hydraulic shear in aluminum strip cold mill for certain aluminum processing plant was introduced in the paper. The form of guide post transformation was adopted according to the structure and stress analysis of the hydraulic shear and considering the actual situation，it can meet the requirement of production.

hydraulic shear；lateral force；mechanical analysis；transformation

TG333.2+1

B

1005-4898(2014)04-0012-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.03

曾安明（1980-），男，湖北麻城人，工程師。

2014-05-06