三軸傳動(dòng)滾切式雙邊剪設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳倫樹(shù)

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

自20世紀(jì)90年代我國(guó)從德國(guó)引進(jìn)三軸傳動(dòng)滾切式雙邊剪以來(lái)，逐步取代老舊的鍘刀式雙邊剪，成為國(guó)內(nèi)使用最多的主流機(jī)型。我公司在三軸傳動(dòng)滾切式雙邊剪的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的設(shè)備剪切鋼板厚，剪切能力強(qiáng)，剪切節(jié)奏加快，剪切質(zhì)量提高。

1 主要技術(shù)參數(shù)

三軸傳動(dòng)滾切式雙邊剪的主要技術(shù)參數(shù)如下：

結(jié)構(gòu)形式：三軸三偏心

剪切鋼板厚度：6～50 mm

剪切鋼板長(zhǎng)度：6500～33000 mm

剪后鋼板寬度：1500～3200 mm

剪后鋼板寬度公差：0～+2 mm

剪切鋼板重量：≤48 t

剪切鋼板溫度：≤150℃

剪切鋼板極限強(qiáng)度：

≤1200 MPa(板厚≤40 mm)，

≤750 MPa(40 mm<板厚≤50 mm)

剪切速度：≤30次/min

剪切步長(zhǎng)：≤1300 mm

碎邊寬度：≤150 mm

最大剪切力：2×7000 kN

換刀時(shí)間：≤30 min

2 結(jié)構(gòu)特征與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

機(jī)組由雙邊剪剪前輥道、剪后輥道、激光畫(huà)線裝置、鋼板對(duì)正裝置、滾切式雙邊剪、換刀裝置、碎邊運(yùn)輸及收集裝置組成，見(jiàn)圖1。

1—雙邊剪剪前輥道 2—激光畫(huà)線裝置 3—鋼板對(duì)正裝置 4—滾切式雙邊剪 5—換刀裝置 6—碎邊運(yùn)輸及收集裝置 7—雙邊剪剪后輥道

2.2 結(jié)構(gòu)特征

滾切式雙邊剪是安裝在中厚板剪切線上的關(guān)鍵設(shè)備，由剪切線兩側(cè)的移動(dòng)剪和固定剪構(gòu)成。同時(shí)剪切鋼板的兩縱邊和碎斷縱邊。

該剪機(jī)是一臺(tái)機(jī)構(gòu)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，由機(jī)架裝配、主傳動(dòng)箱、剪切機(jī)構(gòu)、主刀間隙調(diào)整及后退機(jī)構(gòu)、碎邊刀間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、鋼板壓緊機(jī)構(gòu)、夾送輥、活動(dòng)輥道、橫移機(jī)構(gòu)、碎邊支架和碎邊溜槽等組成。

2.2.1 機(jī)架裝配

入口、出口端機(jī)架，下刀架和橫梁把合成整體，構(gòu)成了剪機(jī)的骨架。主傳動(dòng)箱把合在機(jī)架頂端，與其形成封閉的受力框架。剪切力為封閉框架的內(nèi)力，不傳遞到基礎(chǔ)上，避免基礎(chǔ)損壞，即剪切力經(jīng)上刀架和連桿傳遞給主傳動(dòng)箱，主傳動(dòng)箱又將該力傳遞給機(jī)架，而剪切力的反作用力經(jīng)下刀架傳遞給機(jī)架，剪切力與其反作用力在機(jī)架上形成了力的平衡。

2.2.2 主傳動(dòng)箱

主傳動(dòng)箱是由兩根輸入軸和三根輸出軸構(gòu)成的Ⅳ級(jí)齒輪減速機(jī)。兩臺(tái)主電機(jī)分別通過(guò)聯(lián)軸器與兩根輸入軸聯(lián)接起來(lái)，并經(jīng)齒輪減速后同步驅(qū)動(dòng)三根輸出軸旋轉(zhuǎn)。三根輸出軸分別是入口、出口和碎邊偏心軸，其中入、出口偏心軸旋轉(zhuǎn)方向相同，碎邊偏心軸與其相反。

兩側(cè)主傳動(dòng)箱同步，可用機(jī)械或電氣兩種控制方式。機(jī)械同步就是用同步齒輪和同步軸把兩側(cè)傳動(dòng)箱聯(lián)接起來(lái)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高。隨著電氣控制技術(shù)的不斷提高，電氣同步精度已超過(guò)機(jī)械同步，近年新上的剪機(jī)均采用電氣同步。

2.2.3 剪切機(jī)構(gòu)

剪切機(jī)構(gòu)由切邊機(jī)構(gòu)、碎邊機(jī)構(gòu)和側(cè)平衡裝置等組成，機(jī)構(gòu)原理見(jiàn)圖2。

切邊機(jī)構(gòu)是滾切式雙邊剪的核心機(jī)構(gòu)，由入、出口偏心軸，入、出口連桿，切邊上刀架和導(dǎo)向塊構(gòu)成雙曲柄六連桿機(jī)構(gòu)。工作原理：兩臺(tái)主電機(jī)分別帶動(dòng)兩根輸入軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，輸入軸經(jīng)齒輪減速后同步驅(qū)動(dòng)三根偏心軸旋轉(zhuǎn)；入、出口偏心軸經(jīng)入、出口連桿帶動(dòng)切邊上刀架作平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切邊上刀架受到導(dǎo)向塊約束被迫在剪切時(shí)作平面滾切運(yùn)動(dòng)。

碎邊機(jī)構(gòu)是由碎邊偏心軸、碎邊連桿和碎邊上刀架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。碎邊偏心軸經(jīng)碎邊連桿帶動(dòng)碎邊上刀架作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

上述機(jī)構(gòu)可用桿組法來(lái)優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化目標(biāo)：切邊機(jī)構(gòu)滾動(dòng)剪切鋼板，且剪切力矩最??；兩機(jī)構(gòu)的剪切順序是先碎邊再切邊，兩者存在合理重疊的剪切時(shí)間，但重疊剪切合力不超過(guò)最大切邊力。通過(guò)編程優(yōu)化計(jì)算出一組合理的機(jī)構(gòu)參數(shù)，包括三根偏心軸的偏心距及初始相位角，三根連桿長(zhǎng)度和切邊上刀的圓弧半徑等關(guān)鍵參數(shù)。

側(cè)平衡裝置在切邊上刀架上施加側(cè)向拉力，迫使切邊上刀架始終緊靠后墻作平面運(yùn)動(dòng)。該裝置主要有平衡缸+萬(wàn)向架結(jié)構(gòu)和雙平衡缸兩種結(jié)構(gòu)形式。前者萬(wàn)向架內(nèi)裝有多個(gè)滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承損壞后更換困難；后者增加一個(gè)平衡缸取代萬(wàn)向架及其滾動(dòng)軸承，故障率低于前者。

2.2.4 主刀間隙調(diào)整及后退機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)和后退機(jī)構(gòu)相互嵌套構(gòu)成雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)。兩機(jī)構(gòu)既有共同的后墻和后退拉桿，又有各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的主刀間隙和后退偏心軸，機(jī)構(gòu)原理見(jiàn)圖3。

1—入口偏心軸 2—出口偏心軸 3—碎邊偏心軸 4—入口連桿 5—出口連桿 6—碎邊連桿 7—切邊上刀架 8—下刀架 9—導(dǎo)向塊 10—碎邊下刀架 11—碎邊上刀架

1—主刀間隙偏心軸 2—后墻 3—切邊上刀架 4—切邊上刀 5—后退拉桿 6—后退偏心軸

工作原理：調(diào)整主刀間隙時(shí)，電機(jī)通過(guò)行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)中的渦輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪帶動(dòng)主刀間隙偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；在后退拉桿的約束下后墻按設(shè)定軌跡擺動(dòng)，該擺動(dòng)量即是主刀間隙。后退時(shí)，裝在入口偏心軸尾部的凸輪通過(guò)滾輪和壓桿向右轉(zhuǎn)動(dòng)后退偏心軸，后退偏心軸經(jīng)后退拉桿帶動(dòng)后墻繞主刀間隙偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)量即是主刀后退量；隨著剪切機(jī)構(gòu)的動(dòng)作主刀后退，實(shí)現(xiàn)了主刀每次剪切結(jié)束提刀時(shí)都要后退。

2.2.5 鋼板壓緊機(jī)構(gòu)

鋼板壓緊機(jī)構(gòu)分為液壓式和機(jī)械式兩種結(jié)構(gòu)。不同的是驅(qū)動(dòng)鋼板壓緊的動(dòng)力來(lái)源不同，前者用液壓缸產(chǎn)生動(dòng)力，后者用凸輪產(chǎn)生的動(dòng)力。相同的是動(dòng)力經(jīng)拉桿向上拉杠桿，杠桿的拉桿端繞固定銷(xiāo)軸向上轉(zhuǎn)，杠桿的另一端向下壓彈簧缸，彈簧缸帶動(dòng)壓板下降，壓板接觸到鋼板后停止下降，此時(shí)杠桿繼續(xù)下壓彈簧缸，彈簧被壓縮而產(chǎn)生彈簧力，即為鋼板的壓緊力。前者機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼板壓緊力可調(diào)；但調(diào)試難度大，液壓響應(yīng)速度難以滿足快節(jié)奏的剪切要求。后者為凸輪隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠滿足快節(jié)奏剪切，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以調(diào)整鋼板壓緊力。

2.2.6 夾送輥

夾送輥按調(diào)整方式分為偏心套式和斜鍥式兩種。前者是在夾送輥尾部鉸接點(diǎn)裝有內(nèi)外兩個(gè)偏心套，通過(guò)偏心套調(diào)整夾送輥精度，該方式不直觀、難調(diào)整，調(diào)整后偏心套難固定，已被淘汰。后者是把夾送輥尾部裝在回轉(zhuǎn)框架內(nèi)，在回轉(zhuǎn)框架和夾送輥間裝有斜鍥，通過(guò)斜鍥調(diào)整夾送輥精度，該方式直觀、易調(diào)整，調(diào)整后斜鍥易固定，深受用戶喜愛(ài)。

2.2.7 橫移機(jī)構(gòu)

橫移機(jī)構(gòu)有滾珠絲杠(或絲桿螺母)+干油滑板和齒輪齒條+靜液壓板兩種結(jié)構(gòu)。前者用滾珠絲杠帶動(dòng)移動(dòng)剪橫移，橫移到位后用機(jī)架鎖緊裝置把機(jī)架與橫移軌道鎖緊成整體，防止剪切時(shí)機(jī)架移動(dòng)，存在鎖緊力不足損壞滾珠絲杠和滑板易磨損的問(wèn)題。后者用齒輪齒條帶動(dòng)移動(dòng)剪橫移；移動(dòng)時(shí)靜液壓加壓使移動(dòng)剪上浮，機(jī)架與橫移軌道的滑動(dòng)面間形成一層油膜，防止機(jī)架滑板磨損；橫移到位后用盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)齒輪軸，防止剪切時(shí)機(jī)架移動(dòng)。兩者比較起來(lái)前者加工精度和投資均低，檢修維護(hù)量較大，后者加工精度和投資均高，檢修維護(hù)量小，用戶傾向后者。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的剪機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的剪機(jī)既有主流剪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)又有其獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)剪機(jī)主要受力框架采用多種聯(lián)接方式，提高了剪機(jī)的整體強(qiáng)度和剛度，剪機(jī)能夠輕松地剪切厚鋼板，剪切時(shí)未出現(xiàn)顫動(dòng)或振動(dòng)現(xiàn)象。

(2)優(yōu)化計(jì)算出一組合理的剪切機(jī)構(gòu)參數(shù)，并計(jì)算出剪切過(guò)程中的力能分布情況。

(3)主傳動(dòng)箱采用電氣同步控制。

(4)采取的鋼板糾偏措施有效改善鋼板跑偏現(xiàn)象，鋼板剪切質(zhì)量好，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象。

(5)夾送輥采用斜鍥調(diào)整精度，輥?zhàn)硬捎缅F套過(guò)盈聯(lián)接的易調(diào)整結(jié)構(gòu)。

(6)主傳動(dòng)箱和剪切機(jī)構(gòu)采用稀油潤(rùn)滑，回轉(zhuǎn)軸密封采用J形油封+甩油環(huán)+接油槽的密封形式，即通過(guò)J形油封和甩油環(huán)把回轉(zhuǎn)軸上的稀油全部導(dǎo)向到接油槽內(nèi)，接油槽內(nèi)的油從回油孔回到箱體內(nèi)。

(7)鋼板壓緊機(jī)構(gòu)采用雙凸輪結(jié)構(gòu)，即用凸輪取代單凸輪結(jié)構(gòu)中的彈簧提升壓板，徹底消除壓緊時(shí)壓在壓緊凸輪上的彈簧力，延長(zhǎng)了壓緊凸輪的使用壽命。

(8)橫移軌道和靜液壓滑板的設(shè)計(jì)制造精度高。靜液壓加壓時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員用百分表測(cè)量了移動(dòng)剪的上浮量，入口側(cè)機(jī)架頭部的上浮量為0.09 mm，入口側(cè)機(jī)架尾部上浮量為0.11mm，出口側(cè)機(jī)架頭部上浮量為0.06 mm，出口側(cè)機(jī)架尾部上浮量為0.08 mm。

(9)換刀裝置采用換刀小車(chē)+運(yùn)刀輥道的L形布置形式。換刀步驟緊湊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

我公司自主研制的某廠2#剪切線自投產(chǎn)以來(lái)，滾切式雙邊剪運(yùn)行穩(wěn)定可靠，剪切節(jié)奏快，切口質(zhì)量好，自動(dòng)化程度高，達(dá)到了預(yù)期效果：

(1)設(shè)備整體強(qiáng)度和剛性好、安全系數(shù)高，剪機(jī)剪切厚鋼板時(shí)未出現(xiàn)顫動(dòng)或振動(dòng)現(xiàn)象。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)參數(shù)合理，各機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)緊湊，剪切節(jié)奏加快，切口表面光滑，未出現(xiàn)鋼板彎曲現(xiàn)象，鋼板表面質(zhì)量提高。

(3)鋼板糾偏措施有效地改善了鋼板跑偏情況，大幅降低了鋼板錯(cuò)邊量。

(4)主刀間隙設(shè)定合理，剪刃間隙調(diào)整精度高，剪后鋼板未出現(xiàn)毛刺、牙簽和塌邊等剪切質(zhì)量缺陷。

(5)橫移軌道和靜液壓滑板的設(shè)計(jì)制造精度高，移動(dòng)剪上浮量達(dá)到了理想值。

(6)稀油密封方式設(shè)計(jì)合理，密封效果好。

我公司將持續(xù)優(yōu)化升級(jí)滾切式雙邊剪技術(shù)，不斷提高剪切質(zhì)量和設(shè)備效率、減少維護(hù)量，繼續(xù)推進(jìn)滾切式雙邊剪技術(shù)的進(jìn)步。