金屬管棒材飛剪機構(gòu)動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yè)連續(xù)式軋鋼生產(chǎn)線上或物流貨運場所對管材等產(chǎn)品實施剪切工藝的一種設(shè)備[1]，主要用于剪切軋件的頭、尾或?qū)④埣谐梢?guī)定的尺寸。飛剪機的廣泛使用有效地提高了軋制生產(chǎn)線的效率，其工作性能對生產(chǎn)的自動化和連續(xù)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(gòu)承受較大的力和轉(zhuǎn)矩，容易引起振動和噪聲，降低壽命，因此，需要對飛剪機進(jìn)行運動仿真分析及優(yōu)化設(shè)計，改善飛剪機構(gòu)的性能。

1 金屬管棒材飛剪機的結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)1圈剪切1次，可連續(xù)剪切，還可以通過調(diào)整機構(gòu)來進(jìn)行定尺長度剪切。

圖1 飛剪的工作原理

為實現(xiàn)金屬管棒材的正常剪切，飛剪機應(yīng)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(zhì)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(zhì)量和較低的剪切阻力，在剪切過程中應(yīng)保證剪刃垂直切入管棒材。為了實現(xiàn)完全剪切，上下剪刃應(yīng)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(yīng)至少有一個剪刃做回轉(zhuǎn)運動，且剪刃不能出現(xiàn)相碰或卡死的現(xiàn)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(chǎn)過程中的運行。

4）只需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)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(xiàn)基本運動的情況下，盡量使各構(gòu)件所受的力及電動機的驅(qū)動力矩較小，以減小飛剪機在工作時的慣性力和動負(fù)荷，保障飛剪的平穩(wěn)運行。

1.2 飛剪機的結(jié)構(gòu)

飛剪機主要由機架、傳動機構(gòu)、剪切機構(gòu)等組成。

1.2.1 傳動機構(gòu)

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(zhuǎn)動，配合下刀具實現(xiàn)金屬管棒材的剪切。

圖2 飛剪的傳動機構(gòu)

1.2.2 剪切機構(gòu)

飛剪機剪切機構(gòu)的作用是使上、下兩剪刃產(chǎn)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(jù)棒材大小的不同來選擇不同的剪切方式，本文飛剪機構(gòu)的工作方式采用回轉(zhuǎn)工作方式和曲柄連桿工作方式兩種（如圖3、圖4）。

圖3 回轉(zhuǎn)式剪切機構(gòu)

圖4 曲柄連桿式剪切機構(gòu)

2 飛剪機剪刃運動方式

飛剪機構(gòu)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(jìn)行剪切，點3所在直線為剪切結(jié)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(qū)域a，并且區(qū)域a的位置隨著棒材的尺寸不同會發(fā)生變化。在剪切過程中，剪刃在某一區(qū)域運行的水平分速度與棒材進(jìn)給的水平速度相同，定義這一區(qū)域為同步區(qū)域，記為區(qū)域b。剪切時，存在b＞a。剪刃在剪切工作進(jìn)行前，需要一定的區(qū)域進(jìn)行加速或減速來保證速度的同步性，這一區(qū)域定義為補償區(qū)域，記為區(qū)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(qū)域b邊界位置達(dá)到預(yù)定同步速度，并保持該速度運動一段區(qū)域，到達(dá)點2位置開始剪切，到達(dá)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(dá)點4位置以后，刀具開始減速運動到點1位置，然后循環(huán)進(jìn)行上述過程。簡單運動方式的加速區(qū)域為1～2，減速區(qū)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(fù)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(dá)到預(yù)定的剪切速度，從點2開始勻速運動一段時間到點3進(jìn)入剪切，點4剪切完成，退刀后到達(dá)點5，開始減速制動并?？恐咙c6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(dá)點8開始減速運動最后停在點1處，準(zhǔn)備下次剪切任務(wù)。復(fù)雜運動方式的加速區(qū)域為1～2，減速區(qū)域為5～6。

圖6 剪刃復(fù)雜運動方式

由于復(fù)雜運動方式的加速區(qū)域和減速區(qū)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(wěn)，但其剪切周期較長，不適合連續(xù)剪切，綜合考慮，本設(shè)計的飛剪機構(gòu)采用簡單運動方式。

3 飛剪剪刃受力分析

飛剪機構(gòu)工作時，主要的受力部位是剪刃。飛剪機對棒材進(jìn)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(chǎn)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(cè)壓力T、由速度差所產(chǎn)生的拉伸力S、剪刃加速度所產(chǎn)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(jìn)行選型和優(yōu)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(yīng)剪切溫度下管棒材的強度極限，MPa，

3.2 水平作用力

1）側(cè)壓力。飛剪在剪切時，剪刃的側(cè)面對棒材的壓力稱為側(cè)壓力。上、下剪刃的同步性及剪刃的側(cè)向間隙的大小都會影響側(cè)壓力的大小。根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及生產(chǎn)要求，側(cè)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(jìn)給速度略大，容易產(chǎn)生拉伸力，使棒材發(fā)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(yīng)力，MPa。

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

式中：m為棒材的質(zhì)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(xué)優(yōu)化分析

4.1 金屬管棒飛剪的力學(xué)分析

飛剪的動力學(xué)分析主要通過ADAMS軟件來分析剪切力對飛剪的影響，根據(jù)飛剪機構(gòu)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(gòu)

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(gòu)運動學(xué)仿真分析

4.2.1 剪切機構(gòu)虛擬樣機的建立

剪切機構(gòu)虛擬樣機（如圖10）建模過程為：首先采用SolidWorks進(jìn)行建模并將零部件組合為整體，裝配后導(dǎo)入ADMAS中，定義重力方向為y軸負(fù)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(zhuǎn)動副，電動機軸與軸承座之間建立轉(zhuǎn)動副，惰齒輪軸與軸承座之間建立轉(zhuǎn)動副，曲軸與軸承座之間建立轉(zhuǎn)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(jù)飛剪的工作過程和方式，在旋轉(zhuǎn)副上施加摩擦力，動摩擦因數(shù)為0.03，靜摩擦因數(shù)為0.1，在電動機軸處添加驅(qū)動。根據(jù)飛剪的工作情況，為簡化計算，在Y方向上，當(dāng)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(shè)置為0。

4.2.3 剪切時間求解

當(dāng)飛剪剪切軋件時，飛剪的剪切機構(gòu)會受到較大的沖擊力，容易導(dǎo)致剪切機構(gòu)的磨損，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速和傳動比可以求得曲軸的轉(zhuǎn)速：

式中：n曲軸為曲軸轉(zhuǎn)速，（°）/s；n電動機為電動機額定轉(zhuǎn)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(gòu)進(jìn)行剪切仿真，仿真時間設(shè)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(tài)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(gòu)的受力仿真分析

如圖12、圖13所示，通過在曲軸和箱座的轉(zhuǎn)動副進(jìn)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(xù)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(qū)動處進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量操作，得到剪切時刻曲軸的轉(zhuǎn)矩圖如圖14所示，飛剪在剪切時曲軸的轉(zhuǎn)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(zhì)量不合格等不良影響，而且當(dāng)軸所受的轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時，軸上會產(chǎn)生振動，軸應(yīng)力周期性的變化使得軸、軸承等產(chǎn)生疲勞磨損斷裂。因此飛剪的結(jié)構(gòu)尺寸需要進(jìn)行一定的優(yōu)化，減小剪切時曲軸的傳動轉(zhuǎn)矩及箱座所受到的力等，從而改善軋件的剪切質(zhì)量和效率。

圖14 曲軸的轉(zhuǎn)矩

5 剪切機構(gòu)的運動學(xué)優(yōu)化

5.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

對于飛剪來說，曲軸的傳動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩對剪切機構(gòu)的受力情況和管棒材的剪切質(zhì)量影響很大，可以將曲軸的傳動轉(zhuǎn)矩的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，即

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)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(gòu)中的連桿尺寸變化較大。

表1 各桿優(yōu)化前后尺寸

對剪切機構(gòu)尺寸優(yōu)化完畢后，需對其進(jìn)行運動仿真，查看是否滿足要求。對兩剪刃進(jìn)行軌跡測量操作，得到優(yōu)化后的兩剪刃的運動軌跡。圖15中橫坐標(biāo)為剪刃在Z方向的位置，縱坐標(biāo)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(qū)，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(jù)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(yōu)化后的剪切機構(gòu)滿足要求。

6 結(jié)語

本文對金屬管棒材飛剪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及功能分析，對剪切機構(gòu)進(jìn)行受力分析，然后建立各構(gòu)建的力的平衡方程。對飛剪機構(gòu)建立虛擬樣機模型，添加剪切時刻的剪切力進(jìn)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(zhuǎn)矩曲線，并對剪切機構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，最終通過仿真比較，優(yōu)化后剪刃的運動軌跡曲線滿足運動學(xué)要求，而且降低了曲軸處箱座的受力和曲軸的轉(zhuǎn)矩，動力性能得到改善。

圖15 上下剪刃的運動軌跡