基于Solidworks的擺剪剪刃的磨損

高亞男，鮑遠通，張艷菊，張全逾，張高悅

(1.承德石油高等專科學校 汽車工程系，河北 承德 067000；2. 河北鋼鐵集團 承鋼公司設備部，河北 承德 067000)

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基于Solidworks的擺剪剪刃的磨損

高亞男1，鮑遠通1，張艷菊2，張全逾1，張高悅2

(1.承德石油高等?？茖W校 汽車工程系，河北 承德 067000；2. 河北鋼鐵集團 承鋼公司設備部，河北 承德 067000)

為了研究450 T雙曲柄擺剪剪刃在使用過程中磨損嚴重的原因，應用solidworks-motion對450 T雙曲柄擺剪進行了運動學分析。詳細分析了剪切過程，重點研究了軋件對下剪刃的磨損過程。研究結果表明，整個剪切過程鋼筋與下剪刃有約0.47 s存在相對滑動，這是剪刃磨損的主要原因，隨后提出改進方案，提高剪刃壽命50%。

擺剪；剪刃；磨損；solidworks

目前，雙偏心擺剪廣泛應用于各類棒材生產線上，對冷卻后的線棒材定尺[1]。圖1為450 T雙偏心擺剪的結構原理圖，其中剪切機構掛在雙偏心曲軸上，上剪刃通過連桿安裝在雙偏心軸的大偏心軸段上，下剪刃安裝在雙偏心軸的小偏心軸段。通過雙偏心軸的轉動帶動上下剪刃進行上下相對運動。同時，曲柄連桿帶動機構進行擺動，剪切機構可以在擺動的過程中完成剪切。

目前，一些研究機構、高校、個人等都對飛剪進行了理論方面研究。陳占福分析了曲柄轉角與搖桿的擺角的協調運動關系[2]。牛貴玲等人研究了雙偏心擺剪的結構，得到擺剪實際生產中的運動規律[3]。王海儒等通過對擺剪進行運動學及動力學分析，研究了雙偏心擺剪沖擊的問題，提出即滿足剪切要求又能改善動力性的設計思想[4]。

以上等人都是對雙曲柄擺剪進行了動力學和運動學等理論方面的研究，對企業中往往出現的實際問題卻沒實質涉及到。例如擺剪下剪刃的磨損，如圖2所示，剪刃的磨損非常嚴重，經研究發現，磨損狀態對剪切力大小和剪切質量有重要的影響[5]。

因此本文重點研究了剪刃磨損的成因。通過solidworks建立了雙曲柄擺剪的三維模型，應用motion進行運動學分析，找到整個剪切過程上下剪刃在不同關鍵時刻的相對位置，進而分析剪刃與鋼筋的摩擦情況，根據分析結果提出改進方案。

1 擺剪模型的建立

采用三維建模軟件SolidWorks建立雙偏心擺剪的三維模型。首先，根據零件的實際尺寸建立各部件的零件圖，包括雙偏心主軸、刀座、連桿、剪刃、軸承、立柱等。然后，根據各零件的相對位置進行裝配，裝配時按照實際接觸情況為條件設置約束。雙偏心擺式飛剪的三維模型(見圖3)。

進行運動學或動力學分析時，要按照擺剪的實際使用情況進行加載，分別對雙偏心主軸和擺動曲柄施加旋轉驅動。

2 雙偏心曲柄擺剪的啟動工作制

電動機啟動工作制的影響是多方面的。例如直接啟動，啟動電流非常高，易造成造成電網電壓跌落，使電機啟動失敗并影響其他設備的穩定運行，還會使電機的壽命下降；沖擊轉矩會損傷相連的聯軸節或傳動齒輪。因此，直接給電機加額定電壓，雖然啟動快，但危害較大?；诒Ｗo設備、提高擺剪使用壽命等原因，需要制定合理的工作制度。

450 T雙偏心曲柄擺剪通過兩個530 kW的電機驅動一個速比為4.8的減速器實現剪切。采用啟停工作制，要求它啟動階段響應速度快，剪切階段速度平穩，制動階段精確穩定。圖4是雙偏心軸的速度曲線。圖5為擺動曲柄的速度曲線。

3 剪切過程

建立擺剪模型之后，將上述曲柄和主軸的運動規律加載并進行仿真模擬，應用軟件中的路徑跟蹤功能，得到上下剪刃在整個剪切過程中的運動軌跡，如圖6所示。

O、P點分別為上下剪刃處于剛剛重合位置的時刻，即O點為鋼筋剪斷的時刻，P點為二次零距離的時刻。M、N點分別為剪刃的最大重疊量時下剪刃和上剪刃所處的位置。根據剪切運動規律，上下兩剪刃的擺動速度受到擺動曲柄的轉動速度影響，兩剪刃速度在開口最大位置的靜止開始加速，剪芯向左擺動并達到最左端。之后剪芯開始向右擺，在這過程中下剪刃提升，上剪刃下降，直至上剪刃的垂直速度達到最大，剪切開始，同時兩剪刃與軋件以等水平速度前進，到達O點時，軋件被切斷。切斷后，上剪刃繼續下降到N點，下剪刃繼續提升到M點，并達到最大重疊量。隨著剪切進行，到P點時，兩剪刃再次出現零距離?？梢钥吹?，軋件的剪切過程是在初始位置的左側進行的。

4 軋件對下剪刃磨損分析

剪刃與軋件的直接接觸會造成剪刃的磨損，同時上下剪刃的運動規律和軋件間位置的匹配又影響著剪刃與軋件的接觸情況。圖7所示，紅線為軋件的下表面，在每一個剪切周期的初始位置，軋件下表面高于下剪刃5 mm，剪切開始后0.215 s的A點，下剪刃與軋件下表面接觸， 0.472 5 s(B點)剪刃水平速度達到1.4 m/s，0.472 5 s 后軋件被剪切開始，軋件與剪刃共同前進。所以0.215～0.472 5 s期間內，軋件與下剪刃存在0.257 5 s相對滑動(不考慮軋件由于自身重量產生的撓曲)。0.663 s時(C點)，剪刃開口大于軋件直徑，并且軋件速度大于剪刃水平速度，直到0.873 s的D點，下剪刃低于軋件，這期間內軋件與剪刃同樣存在相對滑動，所以0.663～0.873 s期間內，軋件與下剪刃存在0.21 s相對滑動。

因此，在一個剪切周期內，共有0.257 5+0.21=0.467 5 s的時間軋件與下剪刃存在相對滑動。可見，在整個1 s左右的剪切過程中，大約50%的時間內軋件與下剪刃存在相對滑動，這是剪刃磨損的一個重要原因。

原設計中，在擺剪的兩端設計有前磁性導輥和后擺動軌道，前后輥子高于剪刃5 mm，理論上鋼筋與剪刃產生的摩擦時間如上面計算，但由于自身重力，鋼筋會發生撓曲，就易與剪刃接觸，如果這樣整個剪切周期內只有剪切時那段時間不會出現摩擦。由于擺剪是24 h工作制的，下剪刃受到的磨損時間是非常大的。

因此，考慮在擺剪剪芯內設置一個機架輥作為前導輥，如圖8a)所示，結構簡圖見圖8b)。前導輥可以沿著支架上的導輥導槽上下移動。

如圖8c)可以知道，沒有前導輥的情況下，擺剪剪刃提升時，軋件沒有發生移動，下剪刃提升5 mm后就與軋件發生接觸了，因此摩擦過程出現。

時又把軋件抬高5 mm，軋件高于剪刃繼續前進。經過改造，剪刃的磨損量大幅下降，更換周期由原來2天剛換一次增加到3天剛換一次，壽命提高50%。

5 結論

1)對雙偏心擺剪進行運動學仿真分析，得到上下剪刃的運動規律曲線，可直觀的分析剪切過程。

2)剪刃磨損的一個重要原因是在剪切周期內，軋件與剪刃存在約0.47 s的相對滑動。在擺剪剪芯內設置一個機架輥作為前導輥，可以有效的消除軋件與剪刃接觸摩擦，使剪刃的使用壽命提高50%。

[1] 王海文．軋鋼機械設計[M]．北京：機械工業出版社,1986.

[2] 陳占福．曲柄式飛剪剪刃運行軌跡分析[J]．重型機械，2006(4)：31-33.

[3] 牛貴玲，張九全，馬美英．雙偏心曲柄擺式飛剪機[J]．機械設計與制造，2009(10)：179-180.

[4] 王海儒，裴如妍，李波，等．雙偏心擺式飛剪機構優化[J]．重型機械，2008(2)：22-26.

[5] 高亞男，鮑遠通，崔碩，等．雙偏心曲柄擺剪剪切過程的有限元模擬[J]．承德石油高等專科學校校報，2016，18(1):21-24,28.

Wear Analysis of Couple Off-Center Flying Shear Based on Solidworks

GAO Ya-nan1， BAO Yuan-tong1， ZHANG Yan-ju2， ZHANG Quan-yu1， ZHANG Gao-yue2

(1.Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000, Hebei，China; 2.Equipment Management Department, Chengde Steel of Hebei Iron and Steel Group Corporation, Chengde 067000, Hebei， China)

To study wear reason of shear blade on 450 T couple off-center flying shear in using process, a kinematics analysis was done using software of solidworks-motion. The shearing process is analyzed in detail and the wear process of rolling piece on shear blade below was mainly studied. The research results show that there is 0.47 seconds of relative sliding between shear blade below and rebar in the whole shearing process. This is the main reason of the shear blade wear, and then an improved scheme is put forward.

pendulum shear; shear blade; wear; solidworks

2016-04-11

高亞男(1982-)，男，河北承德人，承德石油高等專科學校汽車工程系講師，博士，研究方向為金屬變形過程的計算機模擬。

TG333

A

1008-9446(2016)05-0036-03