中厚板圓盤剪切機徑向結構參數選擇法探討

范增超，董 軍，李艷紅，左文杰，張尚平

（河鋼集團邯鋼公司中板廠，河北 邯鄲 056015）

目前國內大部分中厚板生產線采用動力圓盤剪作為精整區域鋼板在線切邊的主要設備，圓盤剪是通過上、下刀盤的旋轉運動實現縱向剪切軋制后的鋼板兩側，達到修剪邊緣、使成品板材符合寬度尺寸要求。

圓盤剪剪切時, 刀盤以相當于鋼板的運動速度做圓周運動, 形成一對無端點的剪刃，使被剪的鋼板材料發生變形、滑移，最終被完全切斷的過程。

1 結構特點

中厚板圓盤剪機通常都是動力剪，機組本身有傳動裝置。其整體結構中包括：機架（箱體或剪體）移動裝置、刀盤側向間隙調整機構、刀盤重合度調整機構、刀盤（軸）的傳動裝置、移動側機架（箱體或剪體）的鎖緊裝置。

剪切4mm ～25mm 中厚板時，為使剪切后的鋼板保持平直，已切掉的板邊向下彎曲，易于送入碎邊剪碎斷，一般都使上刀盤的中心向鋼板出口側偏移一定距離，即為圓盤剪上下兩刀盤中心的水平距離。

2 剪切機理探究

經生產實踐證實：鋼板通過圓盤剪剪切時，鋼板下表面在剪切前、后始終與布置在圓盤剪前、后的輸送輥道接觸不分離，使鋼板保持平直輸送。

當刀盤轉動與鋼板接觸后，使得上刀盤開始逐步壓入鋼板邊部的上表面，在鋼板縱向剪切斷面的被剪掉板邊一側發生局部壓入變形，當發生的局部壓入變形過渡到剪切滑移狀態后，板邊沿剪切斷面產生相對滑移，直至被運送鋼板的剪切斷面被連續剪斷，已切掉的板邊才能不斷向下彎曲，不停被送入碎邊剪碎邊，完成整個縱向剪切過程。

在剪切的整個過程中：處在剪切變形區的鋼板下表面應當始終受到下刀盤施加的與鋼板運動方向一致（向前）的摩擦力（F），才能使得鋼板能保持平直輸送，如圖1 所示；而鋼板邊部的上表面，在上刀盤連續旋轉下受到純剪切力和使板邊向下彎曲變形的作用力的合力（P）作用，在剪切斷面滑移后使被剪掉的板邊經導槽送至碎邊剪碎斷。

在文獻[1，2] 中推薦的圓盤剪在剪切過程中剪切合力（P）的變化規律，常用的是諾沙里解析公式和柯洛遼夫解析公式。

從兩個解析公式分析得出：在穩定剪切時剪切力與鋼板的幾何參數—厚度的平方（H2）和鋼板的力學參數—抗拉強度（σb）的乘積（H2σb）成正比，這是圓盤剪穩定剪切時合力的變化規律中兩公式所共同具有的特征；由于兩公式設定的實際條件的差穩定剪切中合力變化的另一特征。

3 參數幾何關系推測

中厚板圓盤剪切機的徑向結構參數大致包括：刀盤半徑大小，刀盤中心的水平距離、刀盤中心的鉛垂距離，刀盤的徑向調整偏心量。選擇這些參數時，應根據要剪切的鋼板品種規格、材質、以及其力學性能等要求來確定具體參數值。

根據壓入變形、剪切滑移、平直輸送的剪切機理，用“以直代曲” 與斜刃剪類似分析方法來確定圓盤剪參數幾何關系，如圖1 所示。

圖1 圓盤剪參數的幾何關系圖

在 圖1 中，OB=OE 為 圓 盤 剪 的 刀 盤 最 小 直 徑Dmin，△OBE 為等腰三角形且∠OBE= ∠OEB，∠BOE 為咬入角α=10 ° ～15 ° ；BA=Hmax為 鋼 板 最 大 厚 度,FE 為 被 剪 鋼板斷裂時刻刀盤切入鋼板的深度，ε=FE/Hmax設為其斷裂相對切入深度。BE 為刀盤中心的水平距離（簡稱水平偏心距），L=OF+Hmax+Rmin為刀盤中心的鉛垂距離（簡稱垂直中心距）。

在圖2 中，直角△BFE 有∠FEB（即∠OEB）=90° -θ ；等腰 三 角 形△OBE 中∠OBE= ∠OEB，α=180 ° -2 ∠OEB（ 或2 ∠OBE）；因此，可得咬入角α=2θ。

刀盤的名義半徑R 和刀盤中心的鉛垂距離L 選定后，其旋轉中心的徑向調整偏心量j 的大小應滿足：刀盤半徑為Rmin徑向間隙最小，能夠剪切最小厚度的鋼板Hmin（即小、小、小原則）；刀盤半徑為R 徑向間隙最大，能夠最大厚度的鋼板Hmax（即大、大、大原則）。

依照上述原則，在圖2 所示中，刀盤（刀軸）的中心的徑向調整偏心量j=D/2+(1 － 2ε)Hmax/2 － L/2 （Hmax通常是設備用戶提供的產品方案中被剪切的鋼板最的大厚度值）。

圖2 刀盤零間隙切線結構圖

4 參數的數值化研究及實例計算

中厚板圓盤剪機徑向結構參數的數值化是圓盤剪設備基本設計階段的首要任務，設計者在深入研究設備用戶（鋼鐵廠）提出的產品方案后，選取徑向結構參數時應考慮下列因素：

（1）從設備用戶提供的產品方案中，挑選H2σb（鋼板厚度的平方與抗拉強度的乘積）的乘積最大值所對應的鋼板，作為徑向結構參數計算時的典型產品。

（3）被剪鋼板斷裂時刻刀盤切入鋼板的深度ε(=FE/H), 可從文獻[1] 中選取相應的ε 數據進行計算。

5 實例計算

設備用戶向設備制造商提出了表1 所列的鋼板剪切產品方案，要求提供完整成套的圓盤式剪切機。

設備制造商為了做好設備的詳細設計，在基本設計階段對圓盤剪的徑向結構參數進行了評估和選取。

表1 鋼板剪切產品方案

( ⅰ) 選擇 H2σb最大值。經過對產品方案中鋼板的H2σb值計算比較后，選取H2σb值最大的普碳鋼板（Q235A、B、C、D）作為典型產品用以計算，典型產品鋼板的最大厚度Hmax=30mm, 最大抗拉強度σb=500Mpa。

（ⅱ）計算鋼板斷裂時刻刀盤切入深度。根據典型產品的最大抗拉強度σb=500Mpa 值，對應地從表1 選取鋼板斷裂時刀盤相對切入深度ε=0.39。此刻斷裂瞬時的切入鋼板深度FE=εHmax=0.39×30=11.7mm。

（ⅲ）刀盤最小直徑Dmin，名義直徑D。在圖2 中，進行設計試湊選取咬入角α=13°（θ=6.5°），在等腰三角形△OBE 中，依據余弦定理：

刀盤最小半徑Rmin=OB=OE==457.332 ,刀 盤 最 小 直 徑Dmin=457.332×2=914.664 ≈915mm（ 圓 整值）；名義半徑R=Rmin+M=457.332+50=507.332，名義直徑D=507.332×2=1014.664 ≈1015mm( 圓整值)。

（ ⅳ）刀盤中心的水平距離e。在圖2 中，直角△BFE 有e=BE=FE/=11.7/0.1139=102.722mm ≈102（圓整偶數值）。

（ⅴ）刀盤中心的鉛垂距離L。在圖2 中，刀盤中心的鉛垂 距 離L 有 三 部 分 組 成， 即L=OF+Hmax+Rmin=Rmin(1+)+Hmax=457.332×（1+0.9744）+30=933.288 ≈935（圓整值）。

（vi）刀盤的徑向調整偏心量j。根據選定的剪切典型產品—— 普碳鋼板（Q235A、B、C、D）的最大剪切厚度值Hmax=30mm，那么刀盤（ 刀軸）的中心的徑向調整偏心量j=D/2+(1 － 2ε)Hmax/2 － L/2=1015/2+（1-2×0.39）×30 ／ 2 －935 ／ 2=507.5+3.3-467.5=43.3 ≈45mm( 圓整值)。

6 結語

通過對中厚板圓盤式剪切機徑向結構參數選擇法的分析和推測研究，試圖為從業者提供一種可行的設計實用方法；同時該方法為同類裝備今后的研發、創新和能力的評估提供可參考的依據。