一種多連桿結構液壓剪的設計計算

謝磊，閆成琨，王迪，計江，徐立璞，錢廣闊，劉云飛(.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安7003; .陜西省城鄉規劃設計研究院，陜西西安70075)

一種多連桿結構液壓剪的設計計算

謝磊1，閆成琨1，王迪2，計江1，徐立璞1，錢廣闊1，劉云飛1
(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032; 2.陜西省城鄉規劃設計研究院，陜西西安710075)

介紹了多連桿結構液壓剪的剪切機理、設備組成，給出了斜剪刃液壓剪剪切力的計算方法，根據力學分析推導出了剪切力與液壓缸驅動力之間的關系，在推導過程中充分考慮了連桿重量及摩擦力等影響因素對剪切力帶來的影響，為多連桿結構液壓剪的設計計算提供了參考。

單機架;可逆冷軋機;多連桿結構液壓剪

0　前言

單機架可逆冷軋機在進行帶鋼軋制時，由于來料鋼卷帶頭帶尾質量不佳;斷帶后帶鋼斷裂處產生不規則變形;重卷時需要將大卷分成小卷時需要將帶鋼剪切。

在軋機設計時通常在機前機后，各配置一臺剪切機。目前常見的剪切裝置的結構形式有多連桿結構，通過一組連桿傳遞動力;直接驅動結構，即剪刃運動方向與驅動方向相同，驅動裝置動力直接傳遞到剪刃上。而剪切裝置的驅動方式目前常見的均為液壓驅動，分為液壓缸驅動和液壓馬達驅動兩種。本文將介紹一種多連桿結構式液壓缸驅動的液壓剪。

1　多連桿結構液壓剪的剪切機理及設備組成

1.1液壓剪的剪切機理

液壓剪機構的原理圖如圖1所示，這種多連桿結構的液壓剪為由擺架、支桿、驅動油缸、下剪刃、上剪刃所組成。由驅動油缸6驅動，下剪刃7為斜剪刃，上剪刃8為平剪刃。上剪刃8把合固定在液壓剪機架上，其它零件均為鉸接連接。剪切時，驅動油缸活塞桿向左伸出，在連桿的帶動下，下剪刃7向上移動，在上剪刃的配合下進行剪切，剪切完成后，驅動油缸活塞桿縮回，下剪刃7向下移動，整個剪切過程完成。

圖1　剪切機構示意圖Fig.1 Diagram of shearingmechanism

1.2液壓剪的設備組成

中國重型機械研究院院為國內某鋼廠成套的1 780 mm單機架可逆六輥冷軋機組所使用的多連桿結構液壓剪，如圖2所示，剪切厚度范圍0.2～5.0 mm，最大剪切寬度1 600 mm。其中，機架1把合安裝在機前機后底座上，橫梁2把合在機架1兩立板之間，上刀架3把合在橫梁2上，下刀架4與右上擺架7和左下擺架10鉸接連接，安全銷5在設備檢修時使用，用來將下刀架4與機架1固定，剪切缸6鉸接在機架1上，剪切油缸接頭與支桿9通過銷軸鉸接，右上擺架7和左上擺架10一端均與下剪刃4鉸接，另一端與支桿9鉸接，右下擺架8和左下擺架11一端均與機架1鉸接，另一端與支桿9鉸接。

如圖2所示，液壓剪在剪切時，為保證下剪刃4只能上下移動，使用把合了鋼滑板13的止推塊12和把合了鋼滑板15的機架進行定位，下剪刃4上把合了銅滑板14、16與鋼滑板接觸以減小下剪刃4上下移動時所產生的摩擦力。

2　多連桿結構液壓剪的設計計算

液壓剪設計時，可以先計算出帶鋼在剪切時所需要的剪切力，然后根據剪切力來計算所需要的液壓缸驅動力，以此進行液壓缸選型。

2.1帶鋼剪切時所需剪切力的計算

對于斜剪刃液壓剪的剪切力計算，一般使用諾沙里公式，公式如下

式中，P為總剪切力，N;δ為被剪切鋼板延伸率，無量綱;σb為被剪切鋼板強度極限，Pa;h為被剪切鋼板厚度，m;α為斜剪刃角度，(°); Z為系數;Y為上、下剪刃相對側隙，無量綱; X為壓板相對距離，無量綱。

圖2　多連桿液壓剪Fig.2 Multi-link structure hydraulic shears

2.2多連桿機構的受力分析

此多連桿結構液壓剪在力學分析時可簡化為平行四連桿機構，考慮到力學分析的特性，所有鉸鏈充分潤滑，并且鉸鏈摩擦力比主動力小很多的情況下，忽略鉸鏈處的摩擦。解除限位滑板對下刀架的摩擦約束，代之以主動力正壓力及相應摩擦力，使該系統所有約束成為完整約束，因而可以應用虛功原理做受力分析。

對該機構的力學簡化圖3所示。

圖3　力學分析簡化圖Fig.3 Diagram ofmechanical analysis

式中，F為液壓缸推桿的橫向水平分力，N;FP為下剪刃所受剪切反力，N;FN為剪切時限位滑板對下刀架的正壓力，N;f為下剪刃與機架間的摩擦力，f=μN;μ為限位滑板間的摩擦系數，無量綱;m1為下刀架質量，kg;m2為支桿質量，kg;m3為左上擺桿、左下擺桿、右上擺桿、右下擺桿質量，kg;l為左上擺桿、左下擺桿、右上擺桿、右下擺桿長度，m;該系統有兩個自由度，由于θ和φ相互獨立，可選取θ和φ為廣義坐標。根據廣義坐標形式的虛功原理，令廣義坐標θ的虛位移δθ=0，廣義坐標φ的虛位移δφ≠0，則該虛位移上的元功

根據虛功原理，該虛位移上的廣義力

因而可得

令廣義坐標φ的虛位移δφ=0，廣義坐標θ的虛位移δθ≠0，則該虛位移上的元功

根據虛功原理，該虛位移上的廣義力

因而可得

由于下刀架的實際運動軌跡豎直向上，可知任意時刻θ=φ，將(2)式代入(3)式，可得

當液壓剪剪切時，FP=P，將(1)、(4)式聯立可求得液壓缸所需F。由于m1、m3、m3和μ相對于F來說很小，在初步設計計算時可忽略不計，則公式(4)可簡化為

可知當F一定時，FP隨θ增大而增大，當θ =90°時，FP趨向于無窮大。因此在設計液壓剪時，應盡可能將液壓剪剪切時的θ角增大以減小液壓缸所提供的驅動力。

以1 780 mm單機架可逆六輥冷軋機組所使用的多連桿結構液壓剪為例，此液壓剪剪切時θ角范圍為60.2°～82.8°，代入公式(5)可得FPmin=0.875F。

3　結束語

給出了斜剪刃液壓剪剪切力的計算方法，推導過程中充分考慮了連桿重量及摩擦力等影響因素對剪切力帶來的影響，為多連桿結構液壓剪的設計計算提供了重要參考。多連桿結構液壓剪結構緊湊，便于維護，是一種結構合理的液壓剪，在實際應用中值得大力推廣。

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Design and calculation of a multi-link structure hydraulic shear

XIE Lei1，YAN Cheng-kun1，WANG Di2，JIJiang1，XU Li-pu1，QIAN Guang-kuo1，LIU Yun-fei

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Shannxi Xi'an 710032，China; 2.Shaanxi Academy of Urban＆Rural Planning＆Design，Shannxi Xi'an 710075，China)

This paper introduced the shearingmechanism equipment composition ofmulti-link structure hydraulic shears，and put forward the calculationmethod of shear force on hydraulic shearswith oblique cutting edge．The relationship between shear force and hydraulic cylinder force were derived according to mechanical analysis．In the derivation process，it fully considered the influence factors working on shear force such as link weight，friction and so on，which provided an important reference on design and calculation ofmulti-link structure hydraulic shear．

single stand;reversible cold mill;multi-link structure hydraulic shears

TG333

A

1001－196X(2015)02－0053－03

2014－11－06;

2015－02－03

陜西省科技統籌創新工程計劃項目:2013KTCG01－08

謝磊(1982－)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師。