曾安明

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

鋁帶冷軋機(jī)液壓剪結(jié)構(gòu)改造及分析

曾安明

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

針對某鋁加工廠冷軋機(jī)液壓剪在生產(chǎn)中出現(xiàn)的故障，根據(jù)液壓剪結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)的分析，考慮實(shí)際狀況，采用了導(dǎo)向柱形式的改造方式，滿足了生產(chǎn)使用要求。

液壓剪；側(cè)向力；力學(xué)分析；改造

0 前言

目前，在鋁板帶車間軋制線上，為了滿足生產(chǎn)和工藝要求，經(jīng)常需要對帶材頭尾進(jìn)行剪切，因而機(jī)組設(shè)備經(jīng)常配置有液壓剪切機(jī)。液壓剪具備結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際使用過程中，隨著來料厚度的變化，剪切力也隨之變化，液壓剪的架體承受交變應(yīng)力作用，因此在設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)維護(hù)階段均需考慮其性能可靠性和穩(wěn)定性。

某鋁板帶加工廠的冷軋機(jī)液壓剪就出現(xiàn)設(shè)備局部損壞的狀況，影響到設(shè)備的正常使用。針對此問題，本文結(jié)合設(shè)備工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析，實(shí)施設(shè)備改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了使用效率。

1 液壓剪結(jié)構(gòu)簡介及現(xiàn)場故障

圖1所示為鋁帶冷軋機(jī)液壓剪的典型結(jié)構(gòu)。上剪刃3固定在上橫梁2上，液壓缸9與下固定橫梁10連接，液壓缸活塞腔進(jìn)油，通過齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)8保證兩端同步，驅(qū)動(dòng)下刀架6向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鑲嵌在下刀架6上的下剪刃5，使之與上剪刃3重疊完成板材的剪切。

圖1 液壓剪結(jié)構(gòu)簡圖

液壓剪主要技術(shù)參數(shù)：來料規(guī)格：1×××、3×××、8×××及5052、5182；寬度：850～1700mm；厚度：Max 10mm(純鋁)/ 7mm(硬鋁合金)；剪刃傾角：2o(雙斜刃)；剪切力： ～300 kN。

液壓剪經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，出現(xiàn)了設(shè)備故障。機(jī)架U形導(dǎo)向面一側(cè)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致上下剪刃平行度及側(cè)隙均產(chǎn)生極大偏差，失去導(dǎo)向及承受側(cè)向力的功能，剪切已無法正常進(jìn)行。

2 剪切過程力學(xué)分析

金屬剪切過程可粗略分為壓入變形和剪切滑移兩個(gè)階段組成。

（1）壓入變形階段：下剪刃托住帶材上升，上壓板壓住，剪刃與軋件接觸，開始由彈性壓入轉(zhuǎn)為塑性壓入金屬。上下剪刃對被剪金屬的作用力P構(gòu)成力矩Pa，使金屬沿圖2所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，剪刃側(cè)面給金屬以側(cè)推力T，則上下剪刃的側(cè)推力又構(gòu)成另一力矩Tc，阻礙金屬轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著剪刃的逐漸壓入，轉(zhuǎn)角γ不斷增大，達(dá)到兩力矩平衡，就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即Pa=Tc。其力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 力學(xué)模型剪切過程圖

（2）剪切滑移階段：剪刃繼續(xù)壓入到一定深度，當(dāng)剪切力大于金屬自身的剪切阻力時(shí)，被剪金屬沿剪切面塑性滑移，內(nèi)裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展直至整個(gè)斷面完全斷裂，完成剪切過程。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在有壓板剪切時(shí)，側(cè)向力T≈(0.1 ～ 0.18)P，考慮到剪切力的大小及其變化，其對于機(jī)架的影響不容忽視，會(huì)使刀架與機(jī)架的滑動(dòng)導(dǎo)向面磨損加重，剪刃間隙增大，造成剪切困難，而在機(jī)架剛性較差的情況下，還會(huì)導(dǎo)致局部變形甚至損壞。

3 改造實(shí)施方案

針對上述剪切過程力學(xué)分析，機(jī)架在水平方向承受較大的側(cè)向力。由部件結(jié)構(gòu)分析，此導(dǎo)向側(cè)面擋邊設(shè)計(jì)較薄，僅30mm厚，且是機(jī)加工出的擋邊，很容易斷裂失效，由于失效后導(dǎo)致的側(cè)隙增大，將進(jìn)一步增大水平剪切分力，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致上述液壓剪故障。在生產(chǎn)維護(hù)中，合理調(diào)整剪刃側(cè)向間隙較為重要。

在進(jìn)行方案改造時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，既要避免進(jìn)行大范圍的拆裝和加工而影響正常生產(chǎn)的進(jìn)行，又要考慮盡量利用原先結(jié)構(gòu)上的零部件，以使改造成本降至最低。液壓剪兩側(cè)U形導(dǎo)向塊是焊接在入口機(jī)架上，導(dǎo)向面加工及裝配時(shí)有相應(yīng)的精度要求，側(cè)面斷裂處顯然是無法經(jīng)過簡單的補(bǔ)焊修復(fù)處理而達(dá)到使用要求。鋁帶冷軋機(jī)入口裝置由刮板直頭裝置、夾送輥、液壓剪、展平輥等眾多零部件及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，若將入口機(jī)架拆下來重新加工，需進(jìn)行大量繁重拆裝工作，整條生產(chǎn)線也必將停工，綜合成本較高?；谝陨峡紤]，確立了如下的改造方案。

圖3 改造后液壓剪結(jié)構(gòu)簡圖

圖3為改造后結(jié)構(gòu)。將下刀架原先的U形導(dǎo)向形式改為立式導(dǎo)柱形式，導(dǎo)向柱在上固定橫梁上有銅滑套導(dǎo)向，上下刀架與導(dǎo)向柱組成一個(gè)整體框架結(jié)構(gòu)，相對而言，機(jī)架的裝配精度更高。剪切時(shí)，導(dǎo)向柱隨下刀架整體上升，剪切產(chǎn)生的側(cè)向分力由導(dǎo)向柱承受，并傳遞到機(jī)架。

設(shè)計(jì)過程中充分利用三維軟件輔助設(shè)計(jì)，通過建立三維模型，更加直觀準(zhǔn)確地反映出設(shè)備狀況，并且在完成模型設(shè)計(jì)后，使用三維軟件中應(yīng)力分析功能，添加必要的初始條件（如材料特性、載荷、固定約束等），進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、變形量等分析。圖4、圖5所示為導(dǎo)向柱的三維分析結(jié)果圖。

圖4 導(dǎo)向柱的位移分析結(jié)果圖

圖5 導(dǎo)向柱的第一主應(yīng)力分析結(jié)果圖

導(dǎo)向柱A段及B截面為主要分析部位，以單根導(dǎo)向柱所受最大側(cè)向力進(jìn)行分析，并對約束和載荷均進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?。從結(jié)果可知，A段的變形量＜0.125mm，第一主應(yīng)力＜79.9MPa，B截面局部有一定的應(yīng)力集中，均在可接受范圍內(nèi)。此分析促進(jìn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有理論和實(shí)際參考價(jià)值。

改造后結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）使用原入口機(jī)架的上橫梁安裝孔位置，保留原驅(qū)動(dòng)液壓缸及下橫梁，可較容易實(shí)現(xiàn)液壓剪局部更換，減少對生產(chǎn)的影響；（2）導(dǎo)向柱截面積大，剪切時(shí)，導(dǎo)向柱上升，整體抗彎抗剪安全系數(shù)高。

4 結(jié)論

改造后的液壓剪在工廠使用狀況良好，滿足了生產(chǎn)要求。在生產(chǎn)實(shí)踐中能有效減少設(shè)備故障，降低維護(hù)要求，提高生產(chǎn)效率。

結(jié)合此次液壓剪現(xiàn)場改造，針對鋁帶冷軋機(jī)的液壓剪設(shè)計(jì)，有幾點(diǎn)建議可供參考：

（1）嚴(yán)格保證液壓剪的制造精度和裝配精度，特別是導(dǎo)向部分的相互垂直度和平行度要求。對于受力較大部位，應(yīng)加強(qiáng)其剛性和強(qiáng)度。

（2）根據(jù)厚度變化，合理調(diào)整上下刀刃側(cè)向間隙，不僅能夠保證剪切質(zhì)量，還將減少設(shè)備事故率。側(cè)隙調(diào)節(jié)不當(dāng)，間隙大，則剪切斷面有毛刺、倒角現(xiàn)象。間隙過小，容易造成剪刃過快鈍化。鋁帶冷軋機(jī)液壓剪上下刀刃側(cè)向間隙一般為被剪切板帶材厚度的3%～4%。

（3）為減少頻繁調(diào)整刀刃側(cè)向間隙而導(dǎo)致的設(shè)備維護(hù)工作量，生產(chǎn)中可制定合適的工藝，需要剪切時(shí)，盡可能在一定厚度范圍內(nèi)進(jìn)行，以提高生產(chǎn)效率。

[1] 張敬禮. 中厚板液壓斜刃剪切機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題[J].有色設(shè)備，2001.3:10-11

[2] 鄒家祥. 軋鋼機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004

（編輯：張為賓）

Transformation and Analysis of Hydraulic Shear in Aluminium Strip Cold Mill

ZENG An-ming
(China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd.,Luoyang 471039, China)

The fault of hydraulic shear in aluminum strip cold mill for certain aluminum processing plant was introduced in the paper. The form of guide post transformation was adopted according to the structure and stress analysis of the hydraulic shear and considering the actual situation，it can meet the requirement of production.

hydraulic shear；lateral force；mechanical analysis；transformation

TG333.2+1

B

1005-4898(2014)04-0012-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.03

曾安明（1980-），男，湖北麻城人，工程師。

2014-05-06