滚切式双边剪结构与参数设计的探讨

2022-09-12

近年来, 我国造船业、建筑业、国防舰船工业及其它相关行业的飞速发展, 对各种宽厚板的需求量急剧增加, 这需要宽厚板厂设备的装机水平同步提高。滚切式双边剪是宽厚板轧制生产线精整区的核心设备, 代表了一个国家重型轧制装备的研发水平和制造能力。传统的中厚板生产线均采用斜刃剪或火焰切割方式来进行钢板的切边, 其弊端是几何精度低、端面变形较大, 材料利用率低, 无法满足国民经济发展对钢材产量和质量的要求。滚切式双边剪是利用三轴三偏心运动原理进行滚切式剪切, 能够对厚度小于等于5 0 m m, 宽度3 0 0 0 m m~5 0 0 0 m m钢板进行高精度的双边定宽剪切, 并同时对切下的废边进行碎断和收集。具有剪切断面平直、光滑、无变形、几何精度高、剪切速度快等优点。滚切式双边剪已经成为宽厚板轧制车间必不可少的关键设备。滚切式双边剪技术复杂、制造难度大, 2 0 0 3年以前我国该类产品主要依赖进口。本文所介绍的滚切式双边剪是自主设计、全部国产化, 并具有机电液高度集成的设备, 它完全实现了钢板剪切过程的自动化控制。

1 工作原理

滚切式双边剪的剪切机构见图1, 其剪切过程如下。

(1) 先开始切边, 然后再碎边。

(2) 切边进行到一定长度后, 碎边剪开始碎断切下的废边。

(3) 剪切结束后, 切边剪与碎边剪松开板材, 板材向前进给, 进入下一个剪切周期。

滚切式双边剪的切边剪是装有半径为1 4 m的弧形上刀片的上刀架, 在具有不同相位角和偏心半径的两个曲轴及连杆带动下, 并在控制杆的约束下, 上刀片沿一个水平基面实现理想的滚动运动中, 将钢板的两边剪断。该基面比水平的固定下刀片略低约5 m m, 基面与下刀片的高度差即是上下刀片的重叠量, 剪切过程中该重叠量保持不变。当剪切钢板的厚度改变时, 可通过改变两个曲轴相位角来适当调整刀片的重叠量。但对于双边剪, 由于其剪切断面质量较好, 一般可不予调整刀片的重叠量。

滚切式双边剪的剪切动作是由连续运转的主电机, 同时带动三根曲轴运转, 曲轴带动连杆及上刀架以精确规定的运动规律完成纵向切边和废边的横向剪切。当切边刀片和碎边刀片抬离下刀片向上张开时, 同时控制夹送辊及辊道, 将钢板送进一个确定的剪切步长。钢板停止运送时, 三根曲轴带动的上刀片刚好回到剪切位置, 完成下一次的剪切动作, 这一动作连续不断重复进行, 直至切完这一张钢板为止。

这里的技术关键点需要通过计算机辅助设计系统来解决, 是滚切式双边剪自主设计的根本保障。通过计算机辅助设计系统正确地建立三轴三偏心滚切运动轨迹的数学模型, 使剪刃的重叠量均匀地达到5 m m, 这是达到理想剪切效果的必备条件;通过计算机技术优化确定连杆尺寸、曲轴的偏心数值和偏心相位角, 保证合理的剪切机构;通过计算机模拟仿真上剪刃的运动轨迹, 保证合理的受力状态, 既要保证碎边剪的最大剪切力与此时切边剪的剪切力之和, 要小于双边剪的剪切力最大值。

2 结构特征

一台滚切式双边剪是由一台固定剪和一台移动剪组成, 这两台剪机相对地安装在同一底座上。每台剪机都有切边的纵向剪刀和切废边的碎边剪刀, 它们各自由主电机经过齿轮传动装置传动的三根平行的曲轴来带动。

每台剪机的主要组成部分包括:机架、传动装置、刀架及剪刃固定装置、剪刃间隙调整机构、剪刃后退机构、拨料器及压板装置、夹送辊、左右剪同步机构、移动剪横移装置、辊梁及碎边溜槽、快速换刀装置、板厚测量装置、稀油润滑系统、干油润滑系统、液压管路系统等。

3 滚切式双边剪的主要结构特征分析

3.1 机架

固定剪和移动剪的入口及出口侧各有一个铸焊结构的机架, 固定剪机架用螺栓固定在两个平行的底座上, 移动剪安装在底座及横移装置上。每台剪机的机架在靠近剪切线的下方与铸钢的下刀台连结在一起, 其上部通过安全销用扭力搬手把合, 当剪机过载时安全销被拉断, 下刀架卸压, 以保护设备安全。机架在靠近剪切线的上方用螺栓及斜键与前面板连结在一起。机架的上方前部装上主减速机箱体, 用液压予应力拉杆及螺栓把它们连结成一个刚性的整体。机架的上方后部与主电机的平台连结成一体。机架下方后部与换刀装置的横梁连结成一体。

3.2 传动装置

主传动装置由可分的上、中、下主减速机箱体、齿轮、轴及曲轴组成。箱体为铸焊结构, 高速轴由滚动轴承支承, 低速轴由滑动轴承支承。固定剪和移动剪的主减速机上的全部齿轮与轴是通过外锥式中间套液压过盈连接, 以便于调整曲轴的相位角的同时利于卸装。主减速机上、中、下箱体用液压予应力拉杆连接在一起。主减速机结构图 (见图2) 。

主电机安装在剪机机架上部的平台上, 每台剪机由2台主电机传动。主电机与主减速机之间由带制动盘的齿型安全联轴器连接, 每个联轴器上装有2个安全销, 以保护设备免受过载, 每个安全联轴器的制动盘处装有一个制动器, 当过载断销时由电气控制令其设备运转制动。固定剪和移动剪的主传动同步是由主减速机上部的花键轴来实现。当主机断电时, 制动器随即将主传动装置制动。

3.3 剪刃间隙调整机构

为了保证剪切质量, 对于不同厚度钢板及不同的材质, 在剪切前必须调整剪刃间隙。切边刀片的间隙调整装置由前面板与上刀架之间镶有自润滑板的4个调整楔, 上刀架与主减速机箱体之间镶有自润滑滑板的4个调整楔以及连杆和蜗轮箱组成, 每个调整楔都由各自的连杆及蜗轮箱带动, 蜗轮箱之间用万向接轴相连, 并通过两个锥齿轮箱由一个共同的电磁制动异步电动机驱动。

前侧的每个调整楔由各自装于前面板的两组碟簧压紧机构自始自终压在上刀架上, 以保证上刀架的无隙导向。剪刃间隙调整机构 (见图3) 。

4 滚切式双边剪的主要力能参数分析

滚切式双边剪可以将上剪刃看作是刀盘直径很大的圆盘剪, 其剪切原理是带弧形半径的上剪刃沿水平的下剪刃做近似理想的滚切运动, 从而完成对钢板的纵向切边动作。

剪切过程的实质是金属塑性变形过程。剪切力是剪切机的主要力能参数, 驱动剪切机的电机功率及剪切机主要零件尺寸的确定, 安全使用或充分发挥剪切机的能力都与剪切力有关, 因而正确计算在各种条件下的剪切力, 对于合理地设计剪切机是非常重要的。最大剪切力是用来设计或校核剪切机的零件强度的重要条件。影响剪切力大小的参数很多, 如咬入角、板厚、材料强度极限、剪刃半径、剪刃重叠量及刀钝影响系数等。

4.1 咬入角的计算

式中:α为咬入角;

R为剪刃半径, m m;

h为钢板厚度, m m;

s为上、下剪刃重叠量, m m。

类比我们生产过的双边剪的咬入角, 一般不大于6°。

4.2 剪切力的计算

按柯洛辽夫公式则有:

式中:k1为剪应力与拉应力之间的的转换系数;

k2为应力应变系数,

k3为剪刃变钝系数,

h为被剪钢板厚度, m m;

σb为钢板材料的强度极限, M P a。

5 结语

随着滚切式双边剪设备的广泛使用, 滚切式双边剪的设计、制造正朝着系列化、规模化方向发展。开发研制拥有自主知识产权、适合中国国情的、高效的、全部国产化的滚切式双边剪, 必定为国家节约了大量的外汇, 也为各钢铁企业带来可观的经济效益, 同时大大带动行业的技术升级, 为我国钢铁企业的发展壮大做出了更大贡献。

摘要：阐述了自主设计的滚切式双边剪的剪切原理, 并对主要结构进行了详细的分析论证, 最后通过力能参数的设计作出适合中国国情的、高效能的、全部国产化的新型滚切式双边剪。

关键词：滚切式双边剪,自主设计,计算机辅助设计,主要力能参数,结构分析