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(xù)式軋機的發(fā)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(chǎn)線上常用到剪切大規(guī)格棒材、方鋼、H型鋼等軋件的飛剪。該種飛剪剪切規(guī)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(lián)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(lián)軸器一般采用鼓形齒式聯(lián)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(jù)軋件的速度、規(guī)格的不同，設計飛輪的轉動慣量。當軋件規(guī)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(xiàn)不同的轉動慣量配置。

圖1 飛剪結構圖

2 飛剪齒輪箱

大規(guī)格型鋼在生產(chǎn)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(jié)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(lián)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(shù)。

（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(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)。

（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(tǒng)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(wěn)—飛剪穩(wěn)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(jù)本文第3節(jié)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(jù)本文第4節(jié)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(tǒng)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(wěn)定，剪切力可達到4000kN，適合大規(guī)格型鋼的剪切。