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雙偏心曲軸驅(qū)動(dòng)擺式飛剪動(dòng)態(tài)特性分析及應(yīng)用

2012-11-18 13:29胡孟君
中國重型裝備 2012年1期
關(guān)鍵詞:刀架搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

胡孟君 羅 濤

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院,四川 618000)

1 飛剪結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

雙偏心曲軸驅(qū)動(dòng)擺式飛剪的剪機(jī)本體主要由底座,上、下刀架,雙偏心曲軸以及傳動(dòng)裝置組成,如圖1。

飛剪雙偏心曲軸由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),并通過偏心驅(qū)動(dòng)上刀架運(yùn)動(dòng)和下刀架在上刀架滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。曲軸驅(qū)動(dòng)上刀架的偏心較小,一般不到上刀架搖桿長度的1/10。搖桿實(shí)際擺動(dòng)角度一般不超過±5°。

飛剪的上刀架由刀架本體、下刀架滑動(dòng)軌道、下滑塊和上剪刃組成。剪切時(shí)由曲軸通過偏心驅(qū)動(dòng)擺動(dòng),且擺動(dòng)速度需與軋制速度同步。下刀架滑動(dòng)軌道用于約束下刀架相對(duì)于上刀架的運(yùn)動(dòng),以保證上下剪刃剪切時(shí)在同一直線。通過約束下滑塊在底座的滑塊軌道中上下滑動(dòng),可以約束飛剪上刀架的擺動(dòng)范圍。上刀架在曲軸驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化成曲柄-搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

圖1 剪機(jī)本體主要結(jié)構(gòu)組成Figure 1 Main structure constitutes of the shears body

飛剪的下刀架由刀架本體、下剪刃和滑動(dòng)墊板組成。下刀架由曲軸通過偏心驅(qū)動(dòng),相對(duì)于上刀架作上下運(yùn)動(dòng)?;瑒?dòng)墊板把合在刀架本體上,通過上刀架的滑動(dòng)軌道約束下刀架隨上刀架擺動(dòng)。

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化

對(duì)于擺式飛剪,上刀架不僅重量占絕對(duì)比值高,而且是下刀架運(yùn)動(dòng)的載體,并且剪切擺動(dòng)速度也主要由上刀架決定,因此上刀架的驅(qū)動(dòng)更為重要。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可使上刀架質(zhì)心固定在特定位置。根據(jù)這一特點(diǎn),我們可以對(duì)飛剪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系作一定簡(jiǎn)化[1、2]。

圖2 是經(jīng)過簡(jiǎn)化的某擺式飛剪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和上刀架運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖。

2.2 上剪刃速度計(jì)算

圖2 飛剪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和上刀架運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖Figure 2 Simplified diagrams of the flying shears mechanism and the upper toolpost operation

在剪切點(diǎn)上,由于上下刀架擺動(dòng)速度相同,所以計(jì)算速度時(shí)只計(jì)算上剪刃速度即可。如圖2,當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)上刀架運(yùn)動(dòng)時(shí),上刀架偏心點(diǎn)A點(diǎn)和滑塊鉸點(diǎn)B 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向是確定的。通過該兩點(diǎn)作速度方向的垂線,可得二垂線的交點(diǎn)即為刀架運(yùn)動(dòng)的瞬心Z,再連接Z 點(diǎn)和剪刃尖點(diǎn)M,便得到剪刃尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。

為后面計(jì)算方便,設(shè)r=AB,e=OA,Rc=BC,RM=BM。這幾個(gè)值均為常數(shù)。

設(shè)曲軸角速度為:ω,A 點(diǎn)線速度為:VA=ωe。

剪刃尖點(diǎn)速度為:

對(duì)于上式,只要求出MZ,AZ 即可確定剪刃尖點(diǎn)速度。根據(jù)三角關(guān)系可得:

現(xiàn)在,需要計(jì)算出MZ 的值。在飛剪的布置中,由于曲軸偏心很小,僅有搖桿長度的0.087(根據(jù)需要這一值還可更小),這樣∠CBZ 在90±5°范圍內(nèi)變化。而剪刃尖點(diǎn)也是非??拷鼡u桿軸線的,因此認(rèn)為在ΔMBZ 中,∠MBZ 也在90±5°范圍內(nèi)變化。為使計(jì)算簡(jiǎn)化,可忽略其角度變化,近似地認(rèn)為和為直角三角形。

有:

整理并忽略次要因素得:

則剪刃尖點(diǎn)速度為:

整理得與曲軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過角度相關(guān)的剪刃尖點(diǎn)速度為:

這就是曲軸按額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)刀架時(shí)剪刃尖點(diǎn)的速度變化規(guī)律通式,如此可根據(jù)剪切始點(diǎn)角度方便地的計(jì)算出剪切始點(diǎn)軋線方向速度。同時(shí),也可根據(jù)沿軋線方向的速度,確定曲軸的額定轉(zhuǎn)速。

2.3 刀架對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

飛剪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系是比較復(fù)雜的,但在各構(gòu)件中上刀架無疑起著絕對(duì)主要的作用,而下刀架的運(yùn)動(dòng)又受到上刀架滑道的限制,會(huì)隨著上刀架擺動(dòng),因此對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)作適當(dāng)簡(jiǎn)化,只考慮上刀架的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,而將下刀架的慣性附加到上刀架。現(xiàn)在來分析刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)雙偏心軸的效果。

如前所述,刀架任意時(shí)刻都是繞其動(dòng)態(tài)的速度瞬心Z 的轉(zhuǎn)動(dòng),因此刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是動(dòng)態(tài)變化的。

在某一時(shí)刻,刀架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Iz=IC+MCZ2

式中,Iz為對(duì)瞬心Z 的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,IC為刀架主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,M 為刀架總質(zhì)量,CZ 為質(zhì)心瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑。

我們可以用與計(jì)算MZ 相同的原理計(jì)算出CZ2的值。

實(shí)際上,曲軸對(duì)刀架的驅(qū)動(dòng)可以看成是一個(gè)傳動(dòng)關(guān)系。

則刀架對(duì)曲軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

帶入各已計(jì)算量整理并忽略次要因素可得刀架對(duì)曲軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

此即為刀架對(duì)曲軸的動(dòng)態(tài)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通式,根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸可以方便的計(jì)算各種形式的擺式飛剪刀架對(duì)曲軸的動(dòng)態(tài)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.4 驗(yàn)證

將0°、90°、180°、270°等特殊角度帶入剪刃尖點(diǎn)速度通式和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算通式中得到的計(jì)算結(jié)果與單獨(dú)分析特殊位置得到的結(jié)果是一致的。說明上述分析得到的計(jì)算式具有普遍的意義。

3 應(yīng)用

上述剪刃尖點(diǎn)速度通式和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算通式是以某鋼廠鍍鋅線出口擺式飛剪為基礎(chǔ)作出的,并結(jié)合三維設(shè)計(jì)對(duì)該飛剪進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算,為確定曲軸轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率提供了方便的計(jì)算方法。按此方法計(jì)算選取的擺式飛剪電機(jī)功率經(jīng)實(shí)際使用證明是合理的。

4 結(jié)束語

由于小偏心的曲軸驅(qū)動(dòng)擺式刀架相當(dāng)于提供了一個(gè)較大的傳動(dòng)比,使所驅(qū)動(dòng)的刀架等效到曲軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大大減小。在曲軸的偏心遠(yuǎn)小于等效搖桿長度,搖桿實(shí)際擺動(dòng)角度一般不超過±5°的情況下,計(jì)算參數(shù)可作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,得到具有普遍意義的通用計(jì)算公式,可以在同類型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中參考借鑒。

[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).高等教育出版社,1982.

[2]重慶大學(xué)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)教研室合編.周立新,唐偉柏主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).重慶大學(xué)出版社,1992.

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