3800 mm滾切式橫切剪剪刃的動力學分析

張艷花

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，隨著我國經濟和基礎建設的迅速發展，市場上寬厚板的應用越來越廣泛，而滾切式橫切剪因其剪刃行程短、剪切力峰值小、剪刃壽命長等優良的剪切性能逐漸代替了斜剪刃和圓盤剪。同時為了提高寬厚板的剪切質量和剪切效率，相對于傳統的斜刃式剪切機，滾切式橫剪切機應運而生，為了進一步提高剪刃壽命，降低剪切力峰值，增加企業的效益，對剪刃的動力學分析和剪刃剪切力的分析具有重要的意義[1]。

1 滾切式橫切剪結構及工作原理

1.1 滾切式橫切剪結構

本文以雙軸雙偏心3800 mm滾切式橫切剪為研究對象，全套設備主要包括左機架、右機架、工作臺裝配、主軸裝置、上刀架裝配、走臺扶梯、前梁架-壓緊裝置、主減速機以及電氣、液壓和干油設備等。

1.2 滾切式橫切剪功能

橫切剪機組主要由剪前輸入輥道、靠邊裝置、剪刃本體、激光和測長輥定尺裝置、擺動輥道、快速換刀裝置、廢料收集、激光劃線、輸出輥道等組成。當已經過冷床的鋼板由剪前輸入輥道運送到橫切剪機本體前1 500 mm處，鋼板停止，剪前的鋼板通過靠邊裝置將鋼板對正，之后，剪前輸入輥道、擺動輥道同時啟動輸送鋼板，通過測長輥和激光測長裝置進行定尺處理，將鋼板停到合適的位置，并以激光劃線裝置發射在鋼板上的激光線為參照物，進行切頭、切尾、分段工作，剪切完畢后，運輸到下一道工序。剪切產生的廢料及取樣樣品通過廢料收集裝置運輸到堆放地點。

1.3 滾切式橫切剪工作原理

滾切式橫切剪本體主要由偏心軸傳動機構、左右連桿、上下剪刃和導向桿等部件組成，其剪刃剪切機構簡圖如圖1所示。

1-左偏心軸;2-右偏心軸;3-左連桿;4-右連桿;5-上剪刃;6-導向桿;7-鋼板;8-下剪刃

由圖1可知，滾切式橫切剪主要為六連桿機構，由電機通過偏心軸驅動滾切式橫切剪，剪刃的初始位置為剪刃最大開口度位置，隨著傳動裝置的轉動，剪刃左右兩端偏心軸逆時針旋轉帶動刀架左邊下降，右邊升高，剪刃逐漸接觸鋼板，開始剪切；隨后電機驅動裝置繼續旋轉，當剪切完成后，上剪刃左端升高，右端下降，剪刃逐漸離開鋼板，剪切結束，剪刃回到初始位置。

1.4 滾切剪剪切力的計算

查閱相關手冊及文獻[2-4]，雖然橫切剪和斜刃剪剪切鋼板的原理和方式不同，但研究發現，在橫切剪穩定剪切階段，可將橫切剪每個剪切瞬間看成斜刃剪，故以斜刃剪剪切力公式為基礎，依據諾薩里公式，經過相關公式推導，得到橫切剪剪切力P(N)的計算公式如下：

(1)

其中：K1為剪刃磨鈍摩擦因數，取1.15～1.20；h為鋼板厚度，mm；δs為鋼板延伸率；σb為鋼板強度極限，MPa;φ為當量剪切角，(°)；Z為轉換系數；Y為剪刃側向相對間隙，mm；X為壓板側向相對距離，mm。

2 滾切式橫切剪三維模型的創建和分析

2.1 滾切式橫切剪SolidWorks模型的創建

依據橫切剪相關圖紙等技術軟件資料，應用SolidWords軟件對其主要零部件進行建模和裝配，定義各零部件之間的約束，如運動條件、配合條件等，并進行部件間的裝配干涉檢查。裝配完成后的滾切式橫切剪三維模型如圖2所示。

圖2 3800 mm滾切式橫切剪三維模型

2.2 剪刃間隙的調整裝置

剪刃間隙調整裝置用于調整上、下剪刃水平方向的間隙，依據鋼板厚度、刀片磨損程度、溫度等因素進行自動調整。選擇合適的剪刀間隙，以達到提高剪切產品質量的目的。

剪刃間隙調整裝置主要由1臺電動機、聯軸器、1臺蝸輪蝸桿減速機、絲杠、2個1∶50斜度楔塊組成。調整電動機經蝸輪蝸桿減速機變速后，驅動絲杠帶動楔塊進行運動，靠與之配合的移動楔塊產生橫向位移，達到調整剪刃間隙的目的。下工作臺上裝有控制絲杠左、右極限的接近開關，還裝有剪刀間隙的指針盤，可與裝在電機轉軸上的編碼器同時反饋上、下剪刃的間隙值。

2.3 剪刃間隙對鋼板質量的影響

剪刃間隙嚴重影響鋼板的剪切質量，若剪刃間隙太大，造成剪切鋼板時的剪切力矩和摩擦力矩太大，使得鋼板剪切面出現塌邊、毛刺等缺陷；若間隙太小，容易造成鋼板的二次剪切面，重復剪切增加了上剪刃與鋼板之間的摩擦力，嚴重影響鋼板質量和刀片壽命。剪刃間隙與鋼板質量示意圖如圖3所示。

圖3 剪刃間隙與鋼板質量示意圖

3 滾切式橫切剪剪刃的動力學分析

3.1 滾切式橫切剪ADAMS的分析

將滾切式橫切剪的SolidWorks模型另存為x_t格式，隨后導入到ADAMS軟件中，依據圖紙實際數據，創建了橫切剪剪切過程的運動方程，然后添加各部件間運動副、邊界條件等，再施加載荷及驅動條件。

在剪刃上每隔200 mm取一個標記點，均分剪刃長度，合計共23個點。預設上剪刃的兩個驅動電機轉速為24 r/min，曲柄旋轉一周時間為2.5 s，通過仿真模擬，得到了剪刃上各點速度和加速度的變化曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 剪刃上標記點速度變化曲線

圖5 剪刃上標記點加速度變化曲線

由圖4和圖5可知:剪刃上的各標記點的速度和加速度大體呈正弦曲線變化。在剪刃剪切起始階段(t=0.65 s)和結束階段(t=1.85 s)時，由圖4可知，剪刃上各標記點的速度值大小一致；當剪刃剪切到鋼板中部時，由圖5可知，剪刃上各標記點的加速度值大小一致。

3.2 剪刃剪切力的分析

查閱相關資料及技術文件[5,6]，在剪切開始階段，剪切力隨著剪切行程逐漸增大達到峰值，隨后逐漸減小趨于穩定，經實測數據發現，剪切力峰值是剪切力穩定值的1.3倍～1.7倍，剪切力隨剪切行程的變化如圖6所示。

圖6 剪切力隨剪切行程的變化曲線

3.3 減小剪刃剪切力峰值的措施

為了降低剪切力峰值，減小對設備的沖擊，提高鋼板的剪切質量，根據現場調試過程及實際生產情況，本文提出如下措施：

(1)增加左、右連桿的初始夾角：即增加上剪刃剪切初始階段的當量傾角。

(2)調整鋼板中心線與上剪刃中心線不一致：即將鋼板初始剪切位置偏移至剪刃剪切方向，同時減小了剪切的剪切行程；或適當增大導向桿的長度，向鋼板初始位置方向偏移剪切機構。

(3)設計新型導槽的導向裝置：確定約束上刀刃的運動軌跡，在剪刃未剪切鋼板之前，上刀架豎直方向向下運動；在剪刃剪切鋼板之后，上刀刃沿導向槽做擺線運動，這種結構可以有效地增大上剪刃的當量傾角，很大程度上降低剪切力峰值。新型導槽導向機構簡圖如圖7所示。

圖7 新型導槽的導向裝置示意圖

4 結論

本文通過理論分析和軟件模擬分析，得到了剪刃的速度、加速度和剪切力峰值的變化規律，同時，提出了降低剪切力峰值的措施，增加了剪刃的使用壽命，降低了剪切力峰值對設備的沖擊以及企業的生產成本，具有一定的推廣使用價值。