郝建偉 周西康 陳 曦 陳玉柏 倪延峰

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京100083)

5m滾切剪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

郝建偉①周西康 陳 曦 陳玉柏 倪延峰

(中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京100083)

對(duì)5m滾切剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建立了滾切剪機(jī)構(gòu)模型，對(duì)機(jī)構(gòu)模型加載、關(guān)鍵點(diǎn)軌跡、特殊位置及剪刃重合度進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)論表明，機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐也證明，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，剪切質(zhì)量?jī)?yōu)異。

滾切剪 自由度 機(jī)構(gòu)分析 仿真

1 引言

滾切剪目前已廣泛應(yīng)用于中厚板剪切線上，相比于以往使用較廣泛的斜刃剪具有剪切質(zhì)量高，速度快，維護(hù)方便，剪切端面光潔平整，成材率高等特點(diǎn)。已逐步取代斜刃剪成為中厚板生產(chǎn)線的常用機(jī)型[1-2]。

5m規(guī)格滾切式剪機(jī)為目前世界上最大級(jí)別的剪機(jī)。對(duì)于如此大的剪機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、詳細(xì)研究其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征是非常有意義和有必要的，主要針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠2臺(tái)5m滾切剪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型及參數(shù)

該滾切剪為雙軸雙偏心滾切式剪機(jī)，其工作原理為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙輸入軸經(jīng)過(guò)三級(jí)齒輪減速，將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)同向同步傳遞給具有一定相位差的左右兩偏心軸，左右連桿分別于左右偏心軸連接，圓弧形上剪刃安裝在上刀架上，上刀架在左、右連桿和導(dǎo)向桿共同作用下，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)剪切鋼板的過(guò)程。

圖1 實(shí)體模型

目前滾切剪結(jié)構(gòu)形式大部分均為雙軸雙偏心結(jié)構(gòu)形式，其實(shí)體模型見(jiàn)圖1，簡(jiǎn)化尺寸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 簡(jiǎn)化模型

滾切剪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)多連桿機(jī)構(gòu)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，采用普通的計(jì)算方法很難模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。該剪切機(jī)構(gòu)由左右偏心軸偏心距DE和AB、左右連桿EH和BG、上刀架、導(dǎo)向桿CF總計(jì)6個(gè)構(gòu)件組成的平面6連桿機(jī)構(gòu)，其中剪機(jī)機(jī)構(gòu)是由8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成，按平面運(yùn)動(dòng)鏈自由度公式計(jì)算：

F=3n-2p5-p4=3×6-2×8=2

根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈能成為機(jī)構(gòu)的條件：原動(dòng)件的數(shù)目應(yīng)等于運(yùn)動(dòng)鏈的自由度數(shù)[4,5]。因此，雙軸雙偏心滾切式定尺剪在雙曲軸的帶動(dòng)下，整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

其中，該剪機(jī)優(yōu)化后機(jī)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 5m滾切剪機(jī)構(gòu)參數(shù)

3 機(jī)構(gòu)模型加載

許多學(xué)者在模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)大都采用理想狀態(tài)即：只按最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行加載，此方法不能真實(shí)反映設(shè)備實(shí)際工作狀態(tài)。而剪機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，初始為加速階段，中間段為恒速階段，最后為減速階段。

表2 5m滾切剪性能參數(shù)

該滾切剪理論空剪切次數(shù)為24刀/min，即在額定轉(zhuǎn)速(最大轉(zhuǎn)速1000r/min)下滾切剪的剪切能力，屬于理想狀態(tài)下滾切剪工作能力。但實(shí)際情況下，由于滾切剪屬于啟停工作制，剪機(jī)實(shí)際啟停剪切次數(shù)為10～12次/min，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及理論數(shù)據(jù)，滾切剪完成一次剪切(偏心軸旋轉(zhuǎn)一周)所用時(shí)間約為3.7s。在本次運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中，實(shí)際模型加載驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速見(jiàn)圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載轉(zhuǎn)速曲線

圖4 偏心軸實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度曲線

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載情況，可得出偏心軸實(shí)際輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角度在剪切過(guò)程中的情況如圖4所示。

4 關(guān)鍵點(diǎn)軌跡

如果在傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分析中，通過(guò)解方程組或者通過(guò)畫(huà)圖方法求解結(jié)論，兩種方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，工作量非常大，而且基本求解不到精確的結(jié)論，實(shí)際是很難實(shí)現(xiàn)的。目前可以通過(guò)大型仿真軟件通過(guò)建立實(shí)體模型來(lái)進(jìn)行求解，可以很準(zhǔn)確地得出任何位置精確的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

將優(yōu)化后的模型參數(shù)進(jìn)行建模仿真分析，通過(guò)計(jì)算可以得到圖5所示的關(guān)鍵點(diǎn)(H 、G、F、J 、P、I)在模型中實(shí)際位置軌跡。

圖5 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖5可以看出，在整個(gè)剪機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡中，點(diǎn)H和點(diǎn)G的運(yùn)動(dòng)軌跡為不規(guī)則的橢圓形，而F點(diǎn)則是圍繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓弧軌跡。點(diǎn)H、G、F及P具體運(yùn)動(dòng)軌跡具體如下，見(jiàn)圖6、圖7、圖8、圖9。

圖6 H點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

按照純滾動(dòng)的剪切理論，上剪刃中心點(diǎn)P的橫坐標(biāo)在滾切時(shí)整個(gè)過(guò)程應(yīng)始終保持不變，這屬于理想狀態(tài)，但是實(shí)際情況是不可能的，實(shí)際上P點(diǎn)的橫坐標(biāo)肯定會(huì)有微小變動(dòng)，只是盡量將P點(diǎn)在剪切過(guò)程中的橫坐標(biāo)變化范圍盡量縮小。該剪機(jī)機(jī)構(gòu)在優(yōu)化后，由圖9可以得出，P點(diǎn)在整個(gè)剪切過(guò)程中橫坐標(biāo)變化范圍最大為46mm，但是在切入至切斷鋼板過(guò)程中P點(diǎn)的橫坐標(biāo)變化范圍僅為0～0.45mm，可以看出，在純剪切過(guò)程中橫向位移基本已經(jīng)接近零，剪切過(guò)程中基本接近純滾動(dòng)剪切，此數(shù)據(jù)也表明該剪切機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置合理，設(shè)計(jì)已達(dá)到最優(yōu)。

圖7 G點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 P點(diǎn)(上剪刃中心)運(yùn)動(dòng)軌跡

5 特殊位置分析

在滾切剪機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在幾個(gè)關(guān)鍵的位置非常值得研究，其對(duì)于研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性以及指導(dǎo)主電機(jī)的控制特性具有很重要的意義。總共有四個(gè)狀態(tài)，如表3所示，即：接觸鋼板開(kāi)切時(shí)刻、進(jìn)入穩(wěn)定剪切時(shí)刻、穩(wěn)定剪切結(jié)束時(shí)刻、剪切完成時(shí)刻。如圖2簡(jiǎn)化模型中，β為偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

表3 關(guān)鍵點(diǎn)位置

由于該剪切機(jī)構(gòu)采用啟停式控制方式，在剪切過(guò)程中用到了剪機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行剪切。其中β1位置的作用是系統(tǒng)加速務(wù)必在此之前完成，如加速完成時(shí)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于β1，則在剪切開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)未能達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，非常不利于剪切；如加速完成時(shí)偏心軸角度比β1小很多，則系統(tǒng)加速必須采用過(guò)大的過(guò)載倍數(shù)來(lái)完成，這樣主電機(jī)能耗會(huì)增加很多，非常不利于節(jié)能。而β3的作用表明在此時(shí)刻剪切已經(jīng)完成，系統(tǒng)可以進(jìn)行降速，如過(guò)早減速不利于剪切，過(guò)晚降速主電機(jī)則會(huì)額外增加過(guò)載倍數(shù)，同樣不利于節(jié)能。因此，系統(tǒng)加速階段盡量接近但不大于β1位置；而系統(tǒng)開(kāi)始減速階段也需要盡量接近但要大于β3位置。在電氣調(diào)試時(shí)提供以上數(shù)據(jù)，可以對(duì)剪機(jī)控制優(yōu)化起到很好的作用，可達(dá)到節(jié)能降耗的作用。根據(jù)模擬計(jì)算，采用此參數(shù)設(shè)置控制電機(jī)啟、制動(dòng)，至少能節(jié)能11.2%。

6 剪刃運(yùn)動(dòng)特征及重合度

滾切剪剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸是否合理的另一個(gè)重要參數(shù)是上下剪刃的重疊量，即重合度，理想狀態(tài)下是將其變化值控制在一個(gè)很小范圍內(nèi)。如果重疊量變化較大，在剪切力矩及摩擦力矩共同作用下將導(dǎo)致鋼板斷面發(fā)生彎曲變形，使成品鋼板的剪切質(zhì)量大大降低[6-9]。

6.1 剪刃運(yùn)動(dòng)特征

剪刃的運(yùn)動(dòng)特性也直接決定著剪機(jī)的剪切質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算可以得到剪刃各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征，圖10為剪刃上從左到右分布的40個(gè)點(diǎn)在偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中豎直方向位置的變化。

理想狀態(tài)下，在滾動(dòng)剪切時(shí)，動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的軌跡是一條水平的直線。這條近似直線與參考水平線的偏差就反應(yīng)了剪刃重疊量沿剪刃寬度方向上的變化。剪刃重疊量的均勻度是鋼板剪切質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。由圖10可以看出剪刃各點(diǎn)最低點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條近似的直線，上剪刃在剪切過(guò)程中就是沿這條直線滾動(dòng)。

圖10 剪刃運(yùn)動(dòng)曲線

由圖也可以看出，在切入鋼板時(shí)段剪刃位置變化比較均勻，非常平穩(wěn)，這一點(diǎn)非常有利于鋼板的剪切質(zhì)量。

6.2 剪刃重合度

剪刃重疊量在一個(gè)合理的范圍內(nèi)非常有利于剪切質(zhì)量，如果重疊量過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致不能切斷的情況發(fā)生；而如果重疊量過(guò)大，即影響剪切的效率，更主要的是在剪切完后剪刃回程時(shí)對(duì)剪切件斷面有摩擦，發(fā)生“帶刀”現(xiàn)象發(fā)生，影響斷面質(zhì)量及板型。因此，一個(gè)合理的重疊量非常有利于剪切質(zhì)量的提高。

圖11 剪刃重疊量

圖11為該剪機(jī)上、下剪刃的重合度，由圖11可以看出，在整個(gè)剪刃寬度范圍內(nèi)剪刃重疊量變化范圍在1.4～5.82mm之間，不均勻值最大約有4.42mm。對(duì)于大型滾切剪，在此浮動(dòng)量的變化下基本說(shuō)是可以保證滾切質(zhì)量。

7 結(jié)語(yǔ)

1)按照純滾動(dòng)的剪切理論，上剪刃中心點(diǎn)P的橫坐標(biāo)在滾切時(shí)整個(gè)過(guò)程的理想狀態(tài)保持不變是不可能的，只能盡量縮小變化的范圍。本優(yōu)化結(jié)構(gòu)的P點(diǎn)在切入至切斷鋼板過(guò)程中變化范圍僅為0.45mm，在剪切過(guò)程中已經(jīng)基本接近純滾動(dòng)剪切。

2)剪切機(jī)構(gòu)特殊位置的分析非常有意義，它可以幫助電氣調(diào)試時(shí)實(shí)現(xiàn)位置精確控制，可以使機(jī)構(gòu)發(fā)揮最大的能力，對(duì)系統(tǒng)的啟、制動(dòng)進(jìn)行控制優(yōu)化，同時(shí)也避免了系統(tǒng)能量的浪費(fèi)，對(duì)設(shè)備節(jié)能起到關(guān)鍵的作用。

3)上、下剪刃的重疊量是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，該剪機(jī)機(jī)構(gòu)剪刃重疊量的不均勻度在整個(gè)5200mm長(zhǎng)剪刃方向僅為4.42mm，對(duì)于大型滾切剪，也基本實(shí)現(xiàn)了近似的純滾動(dòng)剪切。

4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，按此設(shè)計(jì)已投產(chǎn)的2臺(tái)剪機(jī)運(yùn)行良好，剪切質(zhì)量?jī)?yōu)異。進(jìn)一步驗(yàn)證了剪機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

所采用的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真分析方法同樣適用與其它規(guī)格的滾切剪，值得推廣使用。

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AnalysisonKinematicsSimulationof5mRollingShear

Hao Jianwei Zhou Xikang Chen Xi Chen Yubai Ni Yanfeng

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100083)

In this article, the mechanism kinematics simulation for 5m rolling shear is analyzed, according to the motion parameters of rolling shear, the mechanism model is built, the organization model loading, key point locus, special position and cutting edge coincidence degree are analyzed in detail. Conclusion reasonable parameters design is right. The practice also proved, mechanism run smoothly, the shearing quality is very good.

Rolling shear Freeness Mechanism analysis Simulation

郝建偉，男，1979年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金機(jī)械專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師

TG333.71

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.005

2014-07-24)