大斷面型材飛剪設計

周揚勝 張榮濱 李圖學

（中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶 400013）

1 前言

隨著連續式軋機的發展，飛剪機得到了越來越廣泛的應用。飛剪機有多種型式。目前在型鋼產線上常用到剪切大規格棒材、方鋼、H型鋼等軋件的飛剪。該種飛剪剪切規格比較大，剪切斷面可達25000mm2，剪切力達4000kN。對飛剪的結構強度提出很高的要求，為保證飛剪本體的強度，飛剪齒輪箱的中心距設計的比較大；大型飛剪采用曲柄連桿式飛剪，刀臂均設計成雙支點，結構龍門式。

飛剪的結構如圖1所示，剪機由電機1，聯軸器2，飛輪裝配3，飛剪齒輪箱4，曲柄連桿刀臂機構5組成。從圖中可以看出刀臂5通過曲軸安裝在龍門框架6內，剪切力由兩端支點分擔，抗沖擊更好。大型飛剪采用雙電機驅動，以便提供更大剪切功［1］。聯軸器一般采用鼓形齒式聯軸器。為提供較大的轉動慣量，大型飛剪高速軸上設計有飛輪，根據軋件的速度、規格的不同，設計飛輪的轉動慣量。當軋件規格、速度范圍較寬時，飛輪還需要設計離合裝置，通過離合器動作可實現不同的轉動慣量配置。

圖1 飛剪結構圖

2 飛剪齒輪箱

大規格型鋼在生產時速度比較低，這時齒輪箱僅設計一級速比是不夠的，通常需設計成二級齒輪傳動速比。有些廠家在電機和飛剪齒輪箱之間增加一個外置減速箱解決。本文敘述的飛剪是將二級傳動設計在一個齒輪箱中，這樣結構上更緊湊，有利于節省空間。

如圖2所示，上剪切軸齒輪3通過鍵安裝在上曲軸5上，承受大部分的剪切沖擊。同樣下剪切軸齒輪4通過鍵安裝在下曲軸上。剪切軸系軸承采用球面輥子軸承，能夠承受大的載荷。刀臂安裝在曲軸上。一級傳動輸出軸2設計在齒輪箱的兩側，分別與下剪切軸齒輪嚙合，一級傳動輸入軸1即高速軸通過聯軸器與電機相連。

圖2 飛剪齒輪箱

3 曲柄刀臂

飛剪刀臂為曲柄連桿機構，圖3是刀臂裝配的結構圖，刀架1為杠桿形狀，其一端固定在曲柄軸2上，另一端與擺桿4相連。曲柄軸2運動時，刀架1近似作平移運動，固定在刀架上的刀片能接近垂直與軋件剪切。這樣有利于軋件剪切。

圖3 刀臂裝配圖

4 剪切力能計算

（1）計算剪切力［2－4］

式中：P—最大剪切力，N；

K1—考慮刀刃變鈍和間隙增大后，剪切力增大系數。

（2）計算剪切功

式中：A1—剪切軋件所需要的功，N·m；

A2—剪切過程中拉力所做的功，N·m；

A3—剪切時剪刃與軋件的摩擦功，N·m；

A4—剪切時滾動軸承的摩擦功，N·m；

A5—剪切時加速軋件所需的功，N·m；

A′—剪切過程中電機所作的功，N·m。

各項剪切功計算比較繁瑣，本文不作贅述。

（3）計算系統轉動慣量

折算到電機軸上的轉動慣量為：

式中：J—設備總的轉動慣量，kg·m2；

J1—高速軸系轉動慣量，包括高速軸、齒輪、飛輪、聯軸器、軸承的轉動慣量等，kg·m2；

J2—一級軸系轉動慣量，包括軸、齒輪、軸承轉動慣量的轉動慣量等，kg·m2；

J3—上剪切軸系轉動慣量，包括上曲軸、齒輪、平衡塊、連桿機構、平衡塊、軸承轉動慣量的轉動慣量等，kg·m2；

J4—下剪切軸系轉動慣量，包括下曲軸、齒輪、平衡塊、連桿機構、平衡塊、軸承轉動慣量的轉動慣量等，kg·m2；

i1—一級傳動速比；

i2—二級傳動速比。

剪切開始至剪切結束傳動系統的動能變化為：

式中：ΔA—動能變化量，kg·m2；

ω1—剪切開始角，rad／s；

ω1—剪切終了角，rad／s。

剪切開始到剪切終了系統的動能變化應大于或等于剪切時所需的剪切功。

（4）電機功率計算

對于啟停工作制飛剪，由于剪切時間極短，在一個剪切周期內，飛剪電機用于啟動和制動過程較長，而且在較大的轉動慣量下啟動，具有較大的動力矩，因此應按照動力矩來選擇電機。

電機平均驅動力矩為：

式中：MP—平均驅動力矩，N·m；

n—剪切前電機應達到的轉速，r／min；

t—電機加速時間，s；

η－飛剪總的傳動效率。

啟動時電機所消耗的功率為：

式中：N—電機功率，kW；

ne—電機額定轉速，r／min；

ke—電機過載倍數。

（5）啟動轉角和啟動時間校核

最后需校核飛剪的啟動時間是否滿足要求，校核啟動時間可換算為電機啟動轉角與刀臂實際轉過的角度的比較。

1）電機啟動轉角為：

式中：J—系統總轉動慣量，kg·m2；

n1—剪切開始時電機轉速，r／min；

T—電機啟動轉矩，N·m；

i1i2—齒輪箱一級、二級速比。

2）曲柄從起始位置至剪切位置的轉角計算如下：

式中：φm—曲柄從起始位置至剪切位置的轉角，rad；

φ0—曲柄加速初始位置角，rad；

φ設—曲柄啟動時預先設定的位置角，rad；

φ穩—飛剪穩速角，rad；

φ剪切—飛剪開始剪切軋件時的曲柄的位置角，rad。

如φm＞φe，表明校核通過。

5 結論

（1）根據本文第3節的描述可以看出，本文所設計的曲柄連桿機構在剪切時刀片近似垂直于軋件，剪切性能好。

（2）根據本文第4節的計算可以看出，飛剪在剪切軋件時，剪切功主要來自飛輪和飛剪傳動系統自身的儲能，電機做功僅占很少部分。這是由于飛剪剪切軋件的時間很短，這么短時間內，靠電機做功是遠遠不夠的。所以在大型飛剪的設計過程中，對飛輪的設計，整個飛剪的轉動慣量計算是非常重要的。

（3）本文所設計的飛剪結構可靠，運行穩定，剪切力可達到4000kN，適合大規格型鋼的剪切。