周揚(yáng)勝 張榮濱 李圖學(xué)

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶 400013）

1 前言

隨著連續(xù)式軋機(jī)的發(fā)展，飛剪機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。飛剪機(jī)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(dá)25000mm2，剪切力達(dá)4000kN。對(duì)飛剪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出很高的要求，為保證飛剪本體的強(qiáng)度，飛剪齒輪箱的中心距設(shè)計(jì)的比較大；大型飛剪采用曲柄連桿式飛剪，刀臂均設(shè)計(jì)成雙支點(diǎn)，結(jié)構(gòu)龍門式。

飛剪的結(jié)構(gòu)如圖1所示，剪機(jī)由電機(jī)1，聯(lián)軸器2，飛輪裝配3，飛剪齒輪箱4，曲柄連桿刀臂機(jī)構(gòu)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(nèi)，剪切力由兩端支點(diǎn)分擔(dān)，抗沖擊更好。大型飛剪采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)慣量，大型飛剪高速軸上設(shè)計(jì)有飛輪，根據(jù)軋件的速度、規(guī)格的不同，設(shè)計(jì)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)軋件規(guī)格、速度范圍較寬時(shí)，飛輪還需要設(shè)計(jì)離合裝置，通過離合器動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量配置。

圖1 飛剪結(jié)構(gòu)圖

2 飛剪齒輪箱

大規(guī)格型鋼在生產(chǎn)時(shí)速度比較低，這時(shí)齒輪箱僅設(shè)計(jì)一級(jí)速比是不夠的，通常需設(shè)計(jì)成二級(jí)齒輪傳動(dòng)速比。有些廠家在電機(jī)和飛剪齒輪箱之間增加一個(gè)外置減速箱解決。本文敘述的飛剪是將二級(jí)傳動(dòng)設(shè)計(jì)在一個(gè)齒輪箱中，這樣結(jié)構(gòu)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?zhàn)虞S承，能夠承受大的載荷。刀臂安裝在曲軸上。一級(jí)傳動(dòng)輸出軸2設(shè)計(jì)在齒輪箱的兩側(cè)，分別與下剪切軸齒輪嚙合，一級(jí)傳動(dòng)輸入軸1即高速軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連。

圖2 飛剪齒輪箱

3 曲柄刀臂

飛剪刀臂為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，圖3是刀臂裝配的結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)時(shí)，刀架1近似作平移運(yùn)動(dòng)，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(jì)算

（1）計(jì)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(jì)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(shí)剪刃與軋件的摩擦功，N·m；

A4—剪切時(shí)滾動(dòng)軸承的摩擦功，N·m；

A5—剪切時(shí)加速軋件所需的功，N·m；

A′—剪切過程中電機(jī)所作的功，N·m。

各項(xiàng)剪切功計(jì)算比較繁瑣，本文不作贅述。

（3）計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中：J—設(shè)備總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

J1—高速軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括高速軸、齒輪、飛輪、聯(lián)軸器、軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，kg·m2；

J2—一級(jí)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括軸、齒輪、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，kg·m2；

J3—上剪切軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括上曲軸、齒輪、平衡塊、連桿機(jī)構(gòu)、平衡塊、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，kg·m2；

J4—下剪切軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括下曲軸、齒輪、平衡塊、連桿機(jī)構(gòu)、平衡塊、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，kg·m2；

i1—一級(jí)傳動(dòng)速比；

i2—二級(jí)傳動(dòng)速比。

剪切開始至剪切結(jié)束傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能變化為：

式中：ΔA—?jiǎng)幽茏兓?，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(dòng)能變化應(yīng)大于或等于剪切時(shí)所需的剪切功。

（4）電機(jī)功率計(jì)算

對(duì)于啟停工作制飛剪，由于剪切時(shí)間極短，在一個(gè)剪切周期內(nèi)，飛剪電機(jī)用于啟動(dòng)和制動(dòng)過程較長(zhǎng)，而且在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下啟動(dòng)，具有較大的動(dòng)力矩，因此應(yīng)按照動(dòng)力矩來選擇電機(jī)。

電機(jī)平均驅(qū)動(dòng)力矩為：

式中：MP—平均驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；

n—剪切前電機(jī)應(yīng)達(dá)到的轉(zhuǎn)速，r／min；

t—電機(jī)加速時(shí)間，s；

η－飛剪總的傳動(dòng)效率。

啟動(dòng)時(shí)電機(jī)所消耗的功率為：

式中：N—電機(jī)功率，kW；

ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r／min；

ke—電機(jī)過載倍數(shù)。

（5）啟動(dòng)轉(zhuǎn)角和啟動(dòng)時(shí)間校核

最后需校核飛剪的啟動(dòng)時(shí)間是否滿足要求，校核啟動(dòng)時(shí)間可換算為電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)角與刀臂實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度的比較。

1）電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)角為：

式中：J—系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

n1—剪切開始時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；

T—電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；

i1i2—齒輪箱一級(jí)、二級(jí)速比。

2）曲柄從起始位置至剪切位置的轉(zhuǎn)角計(jì)算如下：

式中：φm—曲柄從起始位置至剪切位置的轉(zhuǎn)角，rad；

φ0—曲柄加速初始位置角，rad；

φ設(shè)—曲柄啟動(dòng)時(shí)預(yù)先設(shè)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(shí)的曲柄的位置角，rad。

如φm＞φe，表明校核通過。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)本文第3節(jié)的描述可以看出，本文所設(shè)計(jì)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在剪切時(shí)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(jì)算可以看出，飛剪在剪切軋件時(shí)，剪切功主要來自飛輪和飛剪傳動(dòng)系統(tǒng)自身的儲(chǔ)能，電機(jī)做功僅占很少部分。這是由于飛剪剪切軋件的時(shí)間很短，這么短時(shí)間內(nèi)，靠電機(jī)做功是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以在大型飛剪的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)飛輪的設(shè)計(jì)，整個(gè)飛剪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算是非常重要的。

（3）本文所設(shè)計(jì)的飛剪結(jié)構(gòu)可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，剪切力可達(dá)到4000kN，適合大規(guī)格型鋼的剪切。