新型液壓閘式移動剪板機結構優化

康鳳明，徐淑波，劉 鵬，康真暉

（1.山東宏康機械制造有限公司，山東 泰安271022；2.山東大學 機械工程學院，山東 濟南250014）

1 引言

剪板機是在軋鋼機械中常用的一種切斷金屬材料的剪切設備[1]，其主要用途是用于切頭、切尾、切除鋼板的局部缺陷及鋼卷橫切分段等。近年來，鋼板成形件及鋼結構焊接構件等的使用量逐漸增大[2]，從而對剪板機需求量逐漸增大，促進了剪板機行業的發展。

近20年來，我國的剪板機設計、制造技術得到飛速發展，但因其專業性較強，涉及知識領域較廣，而國內剪板機結構一般是沿襲前蘇聯等國家的設備來設計的，這就導致剪板機存在結構不合理、體積較大、能耗偏高等缺陷[3]。

國內學者秦泗吉等人通過對板材的剪切與沖裁工藝進行有限元模擬與實驗研究，得到了板材內部的應力、應變分布規律及最佳切削間隙[4]。王耀等人利用COSMOS 有限元模擬軟件分析了機架部位的變形特點，對機架結構進行了優化[5]。Ramamurti 和Sasikiran 等人利用有限元方法，研究了剪板機的強度、剛度、振動特點和安全性能，最終提高了剪板機的性能[6]。Rajaram 等人對兩種不同類型的剪板機的強度剛度進行了有限元比較分析，得到了質量較佳者[7]。

本文利用有限元軟件模擬山東宏康機械制造有限公司的傳統移動剪板機與改進的移動剪板機的工藝過程，并比較了不同移動剪板機相同部位的受力情況，發現經改進的移動剪板機工作效率和加工精度更高，質量更輕。

2 剪板機剪切理論

剪板機工作時通過一個刀具相對于另一個刀具做往復直線運動來剪切板材，金屬板材的變形主要發生在以上、下刀具刃口連線為中心的紡錘形區域，除發生剪切變形外，同時還發生拉伸、彎曲等[8]。

圖1 剪板機的剪切原理示意圖

如圖1 所示為剪板機剪切原理示意圖。其剪切工藝可分為3 個階段：第一階段是彈性變形階段，在此階段，上刀刃下移并與板材接觸，板材受到上刀刃的壓力后發生彈性變形，材料內部產生了以剪應力為主的應力；第二階段是塑性變形階段，此時上刀刃繼續下移，板材受到的壓力逐漸增大，進入屈服階段，刀刃切入材料，刃口附近產生較大的塑性變形；第三階段是板材斷裂階段，隨著板材塑性變形的加劇，材料內部首先出現微裂紋，這些微裂紋逐漸匯成主裂紋，當變形進行到一定程度以后，裂紋擴展直至材料斷裂分離。

由圖1 還可看出，當刀具刃口切入板材后，上下刀刃對板材壓力M形成一力偶Ma，板材在此力矩作用下發生轉動，并在轉動過程中受到刀具側面阻擋力T的作用，上下刀具的阻擋力形成力偶Tc，此力矩阻止板材轉動。刀具繼續下壓，板材轉動α后停止轉動，兩力矩達到平衡，即

假設板材寬度為l，在此階段，沿面積x 和0.5y上的單位壓力均勻分布且相等，得到式（2）

由式（2）可知，板材的轉角α隨阻擋力T的增大而增大，這就加劇了剪刃臺與機架的磨損，若剪刃臺的剛性較差，將導致剪刃的間隙改變，致使剪切困難，所以板材轉角α較小為宜。

由圖1 中還可得到式（3）、（4）：

將式（2）～（4）帶入式（1）可得到刀刃壓入深度與板材轉角α 的關系式

由式（5）可知，刀刃的壓入深度與板材的轉角α成正比，這說明板材轉角α越大，板材的剪切質量越低，板材被剪斷以后，設備會受到翹起的板材端部的沖擊作用。為克服這一問題，一般在剪板機上設置專門的壓板裝置，即給板材壓力P后可達到克服板材轉動、阻止α增大的目的。

在此變形階段，刀刃受到的板材給予的作用力為

由式（7）可知，當刀刃壓入階段的單位壓力m 為常數時，總壓力M與y 值成正比，當板材沿剪切斷面開始滑移時，M 達到最大值[9-10]。

3 剪板機結構優化

傳統數控板料開卷矯平剪切生產線所采用的普通剪板機在板材靜止狀態下對板材進行剪切，這樣板材就始終處于啟動、加速、減速、停止的循環中，生產效率和加工精度無法滿足開卷矯平剪切加工要求。而液壓閘式移動剪板機能在生產線不停機的情況下，隨板料移動，以相對于板料靜止的狀態下剪切。因此有著更高的生產效率以及剪切精度的液壓閘式移動剪板機具有更大的使用價值與發展前景。

傳統的液壓閘式移動剪板機是由單獨放置的動力單元通過萬向連接軸連接豎直放置的兩個齒輪同步驅動兩根固定于剪板機移動部分左右兩側的齒條，以此使移動部分在直線滾動導軌上前后移動。同時液壓部分也是單獨放置于剪板機一側，以軟管連接于移動部分上，隨移動部分運動而軟管隨之擺動，造成了整機外形尺寸占地空間較大，整機重量較重，所需地基深度、面積較大；液壓部分要求電機功率較大、使用的液壓油較多等。

為減少液壓閘式移動剪板機整體尺寸及占地空間，減少地基深度和空間同時簡化地基結構，減少液壓油使用量及液壓電機功率，降低整體漏油可能性，通過有限元模擬分析對液壓閘式移動剪板機的結構進行優化。改進后的液壓閘式移動剪板機（圖2）包括移動部分、底座部分、動力部分、液壓部分以及相應的控制部分。

圖2 改進的液壓閘式移動剪板機結構示意圖

移動部分主要有機架、上下刀架、壓料裝置、剪切液壓油缸、間隙調整裝置、剪切角調整裝置、板尾夾送及接料裝置，底座部分主要有底座、齒條、直線滾動導軌及其潤滑裝置，以支撐移動部分的自由移動。動力部分主要有伺服電機、減速機、齒輪軸，為移動部分提供動力。液壓部分主要有異形油箱、電機、液壓泵、閥組、蓄能器等，驅動剪切液壓缸運動剪切。數控裝置則控制液壓閘式移動剪切機配合生產線移動、剪切、角度調整等各項功能。液壓部分與動力部分緊湊放置于移動部分的前側與后側的底部，移動部分通過直線滾動導軌以及單對齒輪齒條相對于底座運動。

4 移動剪板機的有限元對比分析

圖3 給出了改進前后剪板機底座受力示意圖。從圖中可以看出，原剪板機底座受力極不均勻，只集中在底座的局部區域，其受力遠遠大于改進后的剪板機，長時間工作，底座因受力不均勻易產生變形，降低了剪板機的使用壽命及跟蹤剪切精度； 而經結構改進后的移動剪板機受力均勻且受力減小，移動剪板機不易產生變形，保證使用壽命，提高跟蹤剪切精度。

圖3 移動剪板機底座結構受力示意圖

圖4 無外力時移動剪板機底座結構受力示意圖

5 結論

通過對移動剪板機結構的改進，使其結構緊湊，生產成本降低，運輸以及工廠使用方便，基礎施工量減少，基礎結構簡單，使用成本降低，剪切精度、剪切質量提高。利用有限元軟件對比分析改進前后剪板機剪切變形工藝后，發現后者底座的受力更加均勻，能大大提高剪板機的使用壽命。

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