液壓剪剪刃間隙不穩(wěn)定分析

周濤 張貴春 廖斌 趙峻 黃振華

(新余鋼鐵集團有限公司卷板廠 江西新余 338001)

1 前言

新鋼股份1550mm冷軋連退機組使用了西門子—奧鋼聯(lián)公司(SIEMENS—VAI)設計制造的ML21M型窄搭接焊機，窄搭接焊機內(nèi)置有液壓剪用于帶鋼焊接前，剪除不合格的帶鋼頭尾。此設備自2011年8月投產(chǎn)以來，多次發(fā)生液壓剪剪刃間隙發(fā)生變動，剪切不斷帶鋼，液壓剪液壓缸鉸接支撐座開裂等設備事故，因此，有必要對其原因進行研究分析，落實措施，避免今后同類事故的再發(fā)生。

本文對剪切力、刀床側推力、平行四連桿機構增力進行了分析計算，計算結果表明液壓剪剪切能力足夠。通過現(xiàn)場的觀察和檢測，發(fā)現(xiàn)刀床滑板與機架V型滑槽之間的間隙超差，導致剪刃間隙變大，剪不斷帶鋼；刀床滑板磨損，刀床非正常運行阻力大，導致液壓缸鉸接支撐座開裂等設備事故。通過對剪切機構拆解，更換并調整刀床滑板，解決了該問題，這些問題的分析解決，對液壓剪使用和維護具有借鑒參考價值。

2 液壓剪設備組成及功能

焊機內(nèi)置上下剪刀分別由兩個雙向液壓缸驅動，前行帶鋼尾部采用下切式剪切，后行帶鋼采用上切式剪切。剪刀刀床安裝在垂直放置的V型滑動導槽內(nèi)。下剪刃水平，上剪刃的斜度為1°。

上下剪刀刀床的兩端側面和機架內(nèi)垂直V型滑動導槽均采取間隙配合，保證刀床可上下滑動。

上下液壓剪結構相同，液壓缸中間掛耳和機架支撐座鉸接，液壓缸活塞桿與雙平行四連桿機構中間過渡連桿鉸接，中間過渡連桿兩側為上下連桿，上下連桿的一端與中間過渡連桿鉸接，另一端分別與刀床和機架鉸接，雙平行四連桿機構中上下四根連桿尺寸相同,液壓缸的推出和縮回推動雙平行四邊形的擺動，從而帶動刀床升降,這樣保證了機械同步，使剪切過程穩(wěn)定。液壓剪采用雙平行四連桿機構，一是實現(xiàn)刀床的平行移動，不因剪切力的偏置而造成刀床的傾斜；二是實現(xiàn)了増力，能用一個較小的液壓缸在較低的工作壓力下進行剪切。

圖1 焊機內(nèi)置液壓剪設備組成1、3-液壓缸中間掛耳鉸接支撐座；2、4-液壓缸；5、9-剪刀雙平行四連桿機構；6-右側刀床滑動導軌副；7-下剪刀；8-上剪刀；10-左側刀床滑動導軌；11-焊輪和碾壓輪

3 載荷計算

剪切過程中，刀床承受剪切平面內(nèi)的剪切力和垂直平面內(nèi)的側推力，對刀床進行靜力學分析計算。

3.1 剪切力計算[1]

根據(jù)B.B.諾沙里公式計算剪切力:

式中：δ、σb—被剪切帶鋼的延伸率和強度極限(MPa)取δ=15%；σb=1250MPa(N/mm2)；

h—帶鋼厚度，取h=2mm；

Z—彎曲力系數(shù)，與被剪切帶鋼寬度d、材料延伸率δ以及刀片傾斜角α等因素有關，即Z=f((dtanα)/δh)，Z的最大值為0.95；

Y—刀片相對側間隙，即刀片側間隙Δ與帶鋼厚度h的比值：Y=△/h；取△=0.06，h=2mm；

X—壓板(或夾送輥)相對距離，即壓板(或夾送輥)中心離下刀片側邊緣距離c與帶鋼厚度h的比值：X=c/h，取c=433mm，h=2mm；

K—刀鈍系數(shù)，考慮刀刃變鈍時，剪切力會增大，通常將計算所得的剪切力加大15～20%。

計算得到剪切力P=65771N

3.2 側推力及摩擦力計算

側推力分為兩個方向，一個因剪切帶鋼時帶鋼翻轉在沿機組前進方向的側推力T1，另一個是因刀片傾斜度1°在沿機組垂直方向的側推力T2。

剪切帶鋼時，上下剪刃對帶鋼的剪切力P構成一力偶，使帶鋼翻轉角度γ后緊壓在剪刃側面，從而對上、下刀床產(chǎn)生側推力T1=Ptanγ，無壓板時，取γ=10～20°，則T1≈0.18～0.36P；有壓板時，取γ=5～10°，則T1≈0.1～0.18P[2]?，F(xiàn)場剪切帶鋼時，有夾鉗壓住帶鋼，側推力T1=65771×0.18=11838.78N

由于上剪刃為1°傾角，因刀片傾斜度1°在沿機組垂直方向的側推力T2

T2=Psin1°=65771×0.0174524=1147.86N

總的側推力

=11894.30N

摩擦力f=Tμ=11894.30×0.15=1784.145N

4 剪切力

液壓剪雙平行四連桿機構中兩組連桿與液壓剪中心線等距，在進行受力分析時可將其視為一組連桿機構。液壓剪運動簡圖如圖2所示。

該液壓剪機構為單原動件雙自由度機構，即只有一個原動件液壓缸，但有兩個自由度，其中一個自由度是使機構在運行過程中按工藝要求而進行自動調整，在液壓桿推動連桿機構運動時，液壓缸繞兩個掛耳擺動進行自動調整。

圖2 平行四連桿機構液壓剪運動簡圖

構件的自重，對整個系統(tǒng)受力分析影響很小，忽略不計。連桿的受力屬于二力桿，受力方向沿著桿的軸線方向。對B、C、E鉸接點的受力進行分析，并根據(jù)力平衡，分別得出如下等式。

圖3 B、C、E鉸接點的受力

對于B鉸接點的受力平衡，N21=Fcosω

對于C鉸接點的受力平衡，N12=N54cosθ+N63cosθ

對于E鉸接點的受力平衡[3]，P’+f=N45sinθ

式中：P’—E鉸接點所受的剪切力P的反力；

f—刀床向上運動時，刀床受到側推力T產(chǎn)生的向下摩擦力，f=Tμ；

P—剪切力;

F—液壓桿推力。

又N21=N12；N54=N63；N45=N54

剪切過程中，角度ω、θ是變化的，剪切力P是隨剪切行程的增大而增大，越接近行程終點剪切力增加越劇，即當F一定時，P隨θ增大而增大，當θ=90°時，P趨向于無窮大，因此在設計液壓剪時，應盡可能將剪切時的θ角增大以減小液壓缸所提供的驅動力。由于該雙平行四連桿機構具有增力的作用,當剪切力變化不大時,剪切末期液壓系統(tǒng)壓力會逐漸降低,這有利于減少液壓沖擊。

本液壓剪，剪切行程終點，ω=6°，θ=80°，液壓缸Φ200/110-200mm，當工作壓力10MPa，液壓缸通過雙平行四連桿機構增力后，計算可提供的剪切力P=884178.59N

液壓傳動中，“壓力取決于負載，速度取決于流量”。以上計算表明,可提供的剪切力遠大于計算理論剪切力,即可提供的剪切力遠大于所需要的正常剪切力，由此可見，液壓剪剪切能力是滿足設計要求的。

5 事故原因及預防措施

通過計算比較,可提供的液壓剪剪切力遠大于所需要的正常剪切力。即液壓缸通過平行四連桿機構增力后，能輕松地將生產(chǎn)工藝范圍內(nèi)的帶鋼剪切斷。液壓剪最初運行的幾年時間里能很正常剪切，這也證明了液壓剪的結構設計和各部件的強度設計是合理正確的。但后來發(fā)生了剪不斷帶鋼的現(xiàn)象，經(jīng)查是剪刃間隙無法保持穩(wěn)定，剪刃間隙變大，要經(jīng)常調整，才勉強維持生產(chǎn)，還發(fā)生了液壓缸中間掛耳鉸接支撐座開裂的事故。

通過觀察和檢測，發(fā)現(xiàn)刀床滑板與機架V型滑槽之間的雙面間隙之和為0.4～0.8mm，遠遠超過規(guī)定值0～0.04mm的技術要求。兩側刀床導向鋁滑板磨損不均勻及鋁滑板固定螺釘松動，部分固定螺栓切斷，鋁滑板傾斜。

進一步分析刀床鋁滑板固定螺釘松動、鋁滑板磨損的原因，有兩個方面的原因：

1)刀床受到了兩個方向的側推力的作用，第一個側推力是剪切帶鋼時帶鋼翻轉在沿機組前進方向的側推力T1。第二個側推力是刀片傾斜度1°,剪切帶鋼時沿機組垂直方向的側推力T2，即剪切力P產(chǎn)生一個分力T2=Psin1°。由于側推力的作用，使刀床滑板與鋁滑板之間產(chǎn)生摩擦磨損，造成間隙超標準，導致剪刃間隙變大，剪切困難。

圖4 刀床滑板與機架V型滑槽間隙裝配1-傳動側V型滑槽；2-耐磨鋁滑板;3-刀床;4-耐磨鋁滑板;5-操作側V型滑槽;6-調節(jié)緊定螺釘;7-調節(jié)緊定螺釘

2)灰塵、雜物進入刀床滑板與機架V型滑槽的間隙之間，結垢堵塞間隙，潤滑不良，配合面惡化，刀床上下運行摩擦阻力驟增，剪切力和側推力驟增，造成液壓缸中間掛耳鉸接支撐座開裂。

針對以上原因分析，采取了如下措施：

檢修時，解體剪切機構進行檢查，連桿機構鉸接無卡阻，導軌機構中的鋁滑板磨損較大，固定V型滑槽內(nèi)壁拉毛，增大了刀床運行的摩擦力，通過修磨和更換鋁滑板后，調整V型滑槽位置，即縱向和橫向調節(jié)V型滑槽四周的螺栓，從而調節(jié)V型滑槽與耐磨鋁滑板的間隙，檢測調節(jié)刀片間隙在0.01～0.04mm之間。刀床滑板與機架V型滑槽之間間隙的正確，保證了刀片間隙的正確，剪切帶鋼正常；同時，防止刀床滑板與V型滑槽間隙進入臟物堵塞，避免刀床意外卡阻的產(chǎn)生，從而避免了液壓缸中間掛耳鉸接支撐座開裂事故的再發(fā)生，原剪切液壓油壓力為10MPa，對設備沖擊較大，將實際液壓油壓力調至8MPa，另外，通過調節(jié)節(jié)流閥，降低剪切時的液壓流速，降低剪切速度，減少剪切時對設備沖擊。

6 結語

通過對液壓剪理論剪切力和平行四連桿機構增力后可提供的剪切力對比，排除了液壓剪的結構設計和各部件的強度設計不合理引發(fā)的事故。現(xiàn)場觀察分析，確定是機架V型滑槽內(nèi)耐磨鋁滑板連接螺栓松動、間隙堵塞、接合面潤滑不良引起的事故。由此可見，出現(xiàn)設備故障及事故，固然有結構設計不合理及設計強度不滿足等方面的原因，但也有許多是由于設備維護管理不到位原因造成的，尤其是緊固連接件松動及潤滑不良造成的。在處理現(xiàn)場事故問題時，要講究一定的方法和次序，通常采取排除法，從設計、加工制造、安裝精度、操作使用、維護保養(yǎng)逐級逆推，以便快速找到事故原因并快速解決問題。該液壓剪問題的分析解決，對同類型設備使用和維護具有借鑒參考價值。