金屬管棒材飛剪機構動力學分析及結構優化

張歡

（湖北省煙草公司武漢市公司物流中心，武漢 430000）

0 引言

飛剪機是對冶金企業連續式軋鋼生產線上或物流貨運場所對管材等產品實施剪切工藝的一種設備[1]，主要用于剪切軋件的頭、尾或將軋件切成規定的尺寸。飛剪機的廣泛使用有效地提高了軋制生產線的效率，其工作性能對生產的自動化和連續性有直接的影響。在實際剪切過程中[2]，由于剪切力的作用，使得剪切機構承受較大的力和轉矩，容易引起振動和噪聲，降低壽命，因此，需要對飛剪機進行運動仿真分析及優化設計，改善飛剪機構的性能。

1 金屬管棒材飛剪機的結構和工作原理

1.1 飛剪機的工作原理及要求

飛剪機主要布置在橫切機組、熱軋機組或精軋機組中，配合其他設備完成剪切軋件工作[3]。飛剪機的剪切運動包括啟動加速、剪切同步等，其工作原理如圖1所示，曲軸帶動刀架每轉1圈剪切1次，可連續剪切，還可以通過調整機構來進行定尺長度剪切。

圖1 飛剪的工作原理

為實現金屬管棒材的正常剪切，飛剪機應滿足的基本要求包括：

1）為了保證剪切后的管棒材頭部和尾部的質量[4]，在剪切過程中，剪刃水平分速度v與管棒材的送料速度v0需滿足同步性要求，一般為v=(1.00～1.03)v0。

2）為了保證管棒材剪切斷面質量和較低的剪切阻力，在剪切過程中應保證剪刃垂直切入管棒材。為了實現完全剪切，上下剪刃應保證一定的重疊量，重合范圍在1～8 mm較好[5]。

3）飛剪機在正常工作時應至少有一個剪刃做回轉運動，且剪刃不能出現相碰或卡死的現象，在剪切完軋制工件后，飛剪機切片仍能回到初始位置，不影響軋件在生產過程中的運行。

4）只需要適當地調整飛剪機刀片的間隙和重合量，就可以使飛剪機剪切不同厚度的軋件。在實現基本運動的情況下，盡量使各構件所受的力及電動機的驅動力矩較小，以減小飛剪機在工作時的慣性力和動負荷，保障飛剪的平穩運行。

1.2 飛剪機的結構

飛剪機主要由機架、傳動機構、剪切機構等組成。

1.2.1 傳動機構

飛剪機由傳動軸、傳動齒輪箱、曲柄組成，如圖2所示。從圖中可以看出，通過小齒輪與惰性齒輪嚙合、惰性齒輪與上曲柄軸上的大齒輪嚙合，惰性齒輪與傳動軸小齒輪大小相同，用來使上、下刀具的運動形成配合，完成剪切。大齒輪與上曲柄軸連接，通過軸承固定在機架上，工作時大齒輪帶動上曲柄軸及上刀具轉動，配合下刀具實現金屬管棒材的剪切。

圖2 飛剪的傳動機構

1.2.2 剪切機構

飛剪機剪切機構的作用是使上、下兩剪刃產生相對運動，并形成運動配合，將金屬管棒材剪斷。由于棒材大小不固定，需要根據棒材大小的不同來選擇不同的剪切方式，本文飛剪機構的工作方式采用回轉工作方式和曲柄連桿工作方式兩種（如圖3、圖4）。

圖3 回轉式剪切機構

圖4 曲柄連桿式剪切機構

2 飛剪機剪刃運動方式

飛剪機構運動方式有2種：圖5是第一種運動方式（定義為簡單運動方式）的示意圖，點2所在直線為剪切開始位置，剪刃從此位置對材料進行剪切，點3所在直線為剪切結束位置，剪刃從此位置開始退刀，點4為剪刃退出棒材位置，點2到點4之間為剪切區域a，并且區域a的位置隨著棒材的尺寸不同會發生變化。在剪切過程中，剪刃在某一區域運行的水平分速度與棒材進給的水平速度相同，定義這一區域為同步區域，記為區域b。剪切時，存在b＞a。剪刃在剪切工作進行前，需要一定的區域進行加速或減速來保證速度的同步性，這一區域定義為補償區域，記為區域c。整個過程中棒材保持勻速運動。

飛剪機剪切的整個過程為：剪刃從起始位置（圖5中點1處）開始加速運動，一直運動到區域b邊界位置達到預定同步速度，并保持該速度運動一段區域，到達點2位置開始剪切，到達點3完成材料的剪切，然后退刀至點4位置，完成剪切工程。到達點4位置以后，刀具開始減速運動到點1位置，然后循環進行上述過程。簡單運動方式的加速區域為1～2，減速區域為4～1。

圖5 剪刃簡單運動方式

如圖6是第二種運動方式（定義為復雜運動方式）的示意圖，剪刃從起始位置點1開始加速，一直加速到點2位置達到預定的剪切速度，從點2開始勻速運動一段時間到點3進入剪切，點4剪切完成，退刀后到達點5，開始減速制動并停靠至點6處。然后，電動機反向運動，剪刃沿原方向返回加速運動到點7，在點7與點8之間勻速運動，到達點8開始減速運動最后停在點1處，準備下次剪切任務。復雜運動方式的加速區域為1～2，減速區域為5～6。

圖6 剪刃復雜運動方式

由于復雜運動方式的加速區域和減速區域均比簡單運動方式大，所以剪刃的功率較小，形成的沖擊也小，運行平穩，但其剪切周期較長，不適合連續剪切，綜合考慮，本設計的飛剪機構采用簡單運動方式。

3 飛剪剪刃受力分析

飛剪機構工作時，主要的受力部位是剪刃。飛剪機對棒材進行剪切時作用于飛剪機上的力可由3種不同的原因[6]造成：克服剪切變形所需要的剪切力；由速度差所造成的水平力；剪刃加速度產生的力。圖7為飛剪剪切時剪刃的受力圖，剪刃受力主要分2類：1）沿管棒材截面方向的垂直剪切力P；2）沿棒材軸線方向的3種形式的力，包括克服金屬剪切變形的側壓力T、由速度差所產生的拉伸力S、剪刃加速度所產生的動載荷Q。

圖7 剪刃受力圖

3.1 垂直剪切力

垂直剪切力P的計算公式為

式中：τ為剪切阻力，MPa；F為棒料的截面面積，mm2。

對飛剪機進行選型和優化時需考慮飛剪機的最大剪切力Pmax，其計算公式為

式中，σbt為相應剪切溫度下管棒材的強度極限，MPa，

3.2 水平作用力

1）側壓力。飛剪在剪切時，剪刃的側面對棒材的壓力稱為側壓力。上、下剪刃的同步性及剪刃的側向間隙的大小都會影響側壓力的大小。根據相關試驗數據及生產要求，側壓力T的大小可以近似為

2）拉伸力。飛剪的剪切過程中，上下剪刃的速度有同步要求，但剪切時上下剪刃的水平分速度可能比棒材的進給速度略大，容易產生拉伸力，使棒材發生拉伸形變。拉伸力S為

式中，σP為剪切時管棒材所受的拉應力，MPa。

3）水平動載荷。剪切時，由于剪刃對管棒材產生拉伸力，從而使管棒材的速度發生變化，產生動載荷，動載荷Q為

式中：m為棒材的質量，kg；V0為剪切前管棒材的水平分速度，m/s；Vt為剪切后管棒材的水平分速度，m/s。

4）水平方向總作用力。水平方向的作用力為上述3種力之和，即

4 金屬管棒材飛剪的動力學優化分析

4.1 金屬管棒飛剪的力學分析

飛剪的動力學分析主要通過ADAMS軟件來分析剪切力對飛剪的影響，根據飛剪機構的曲柄搖桿式工作原理圖（如圖8），各桿在YZ平面上的受力圖如圖9所示。

圖8 簡化的剪切機構

圖9 各桿受力分析圖

在各桿件所作用的Y方向和Z方向力的平衡方程如下:

1）桿AB的平衡方程為：

4.2 剪切機構運動學仿真分析

4.2.1 剪切機構虛擬樣機的建立

剪切機構虛擬樣機（如圖10）建模過程為：首先采用SolidWorks進行建模并將零部件組合為整體，裝配后導入ADMAS中，定義重力方向為y軸負方向，并定義每個部件的材料屬性。模型建立時：箱體與大地之間建立固定副，曲軸與刀架之間建立轉動副，電動機軸與軸承座之間建立轉動副，惰齒輪軸與軸承座之間建立轉動副，曲軸與軸承座之間建立轉動副，各齒輪之間建立齒輪副。

圖10 建立運動副后的虛擬樣機

4.2.2 施加載荷

根據飛剪的工作過程和方式，在旋轉副上施加摩擦力，動摩擦因數為0.03，靜摩擦因數為0.1，在電動機軸處添加驅動。根據飛剪的工作情況，為簡化計算，在Y方向上，當兩剪刃端點的距離小于2 mm時，施加垂直剪切力和水平作用力，大于2 mm時設置為0。

4.2.3 剪切時間求解

當飛剪剪切軋件時，飛剪的剪切機構會受到較大的沖擊力，容易導致剪切機構的磨損，根據電動機轉速和傳動比可以求得曲軸的轉速：

式中：n曲軸為曲軸轉速，（°）/s；n電動機為電動機額定轉速，r/min；i為傳動比。

n電動機=750r/min，傳動比i=10，所以n曲軸=75 r/min=375（°）/s。

在ADMAS中對飛剪機構進行剪切仿真，仿真時間設置為2 s。剪切時間可以通過上下剪刃在Y方向上的位移曲線得到，如圖11所示，由于剪刃初始位置為剪切狀態位置，所以從圖中看出剪切周期為0.9 s。

圖11 剪刃在Y方向的位移

4.2.4 剪切機構的受力仿真分析

如圖12、圖13所示，通過在曲軸和箱座的轉動副進行力的測量，便可得到在飛剪剪切時箱座（機架）在Y方向和Z方向的受力情況。箱座在Y方向的所受的力最大為1.5×106N，Z方向所受的力最大為45%000%N。因為飛剪在剪切時刻才會有最大的剪切力，所以圖中其他時刻的受力情況為在零處波動。剪切時刻附近，Y方向的力先快速增大到1.5×106N，之后又快速減小至0，Z方向的力先快速增大到45%000%N，之后又快速降至0，然后繼續反方向增至20%000%N，最后降為0。

圖12 箱座在Y方向的受力

圖13 箱座在Z方向的受力

同時對曲軸的齒輪驅動處進行轉矩的測量操作，得到剪切時刻曲軸的轉矩圖如圖14所示，飛剪在剪切時曲軸的轉矩最大為4×107N·mm。由于飛剪在剪切時會受到剪切沖擊力，如果沖擊力較大，會造成剪刃磨損、壽命降低、軋件質量不合格等不良影響，而且當軸所受的轉矩發生突變時，軸上會產生振動，軸應力周期性的變化使得軸、軸承等產生疲勞磨損斷裂。因此飛剪的結構尺寸需要進行一定的優化，減小剪切時曲軸的傳動轉矩及箱座所受到的力等，從而改善軋件的剪切質量和效率。

圖14 曲軸的轉矩

5 剪切機構的運動學優化

5.1 優化數學模型

對于飛剪來說，曲軸的傳動轉矩波動較大會造成振動沖擊載荷，降低剪切精度和飛剪壽命，所以曲軸的傳動轉矩對剪切機構的受力情況和管棒材的剪切質量影響很大，可以將曲軸的傳動轉矩的最小值作為優化目標，即

5.2 優化結果分析

優化后各桿的尺寸變化如表1所示，其中CD尺寸變化較大，即剪切機構中的連桿尺寸變化較大。

表1 各桿優化前后尺寸

對剪切機構尺寸優化完畢后，需對其進行運動仿真，查看是否滿足要求。對兩剪刃進行軌跡測量操作，得到優化后的兩剪刃的運動軌跡。圖15中橫坐標為剪刃在Z方向的位置，縱坐標為剪刃在Y方向的位置，可以看出兩剪刃的軌跡曲線是封閉的，相交的范圍就是飛剪的剪切區，軌跡重合時間和前面求解剪切時間一致。上剪刃在Y方向的最低位置為-76 mm，下剪刃在Y方向的最高位置為-69 mm，兩剪刃在Y方向的重合范圍為7 mm。上下剪刃在Z方向的重合位置分別為35 mm和-39 mm處，所以上下剪刃在Z方向的重合范圍為74 mm。根據飛剪剪切時剪刃的重合度要求，飛剪的在Y方向的重合范圍在1～8 mm之間，在Z方向的重合范圍在41～89 mm之間，所以優化后的剪切機構滿足要求。

6 結語

本文對金屬管棒材飛剪進行了結構及功能分析，對剪切機構進行受力分析，然后建立各構建的力的平衡方程。對飛剪機構建立虛擬樣機模型，添加剪切時刻的剪切力進行仿真，通過剪刃在Y方向的位移曲線求得剪切時間，同時得到箱座的受力曲線和曲軸的轉矩曲線，并對剪切機構建立數學模型進行優化求解，最終通過仿真比較，優化后剪刃的運動軌跡曲線滿足運動學要求，而且降低了曲軸處箱座的受力和曲軸的轉矩，動力性能得到改善。

圖15 上下剪刃的運動軌跡