事故液壓剪方案設計及結構要點分析

吳振彤，韓繼紅，宋憲國

剪切機是冶金設備的重要組成部分，對于軋制生產線尤為重要。剪切機的結構形式和大小直接關系到整條軋制生產線的生產效益和經濟效益。剪切機的形式多種多樣，不同類型的剪切機在剪切原理和結構上都有很大區別，選取適合的類型，確定適當的關鍵參數，以最低的成本保證產品的質量和產量是設計過程中追求的目標。本文結合某鋁板熱軋機組中事故剪的設計過程，對不同類型的剪切機進行分析比較，得出適合本機組的剪切機方案及主要設計參數。

1 事故剪的用途和方案選擇

在我公司為某鋼廠設計制造的2300 mm鋁板熱軋機組中，事故剪用于當機組出現卡鋼、斷帶等事故時將帶材剪斷。此剪切機的工作任務是處理事故，因此不需要頻繁工作。被剪材料是鋁材，相對鋼材強度低，塑性好（見表1）。

1.1 驅動方式的選擇

目前軋線中各種剪切機大多使用電機或液壓缸驅動。使用電機的優點在于容易實現大功率和大的剪切力，工作可靠，剪切速度快，適合頻繁使用，但設備復雜，造價高；液壓缸驅動的剪切機結構簡單，重量輕，控制方便，適合間歇工作，但在剪切力較大時密封困難，維護成本相對較高。因此在剪切大型方坯和板坯等剪切力較大并且工作時間較長的場合多用電機，剪切較寬較薄的板材并且工作時間較少的場合多用液壓缸。本次設計中的事故剪僅在出現事故時使用，所剪板材寬、薄，剪切力不大。因此選擇液壓缸驅動。

1.2 刀片形式的選擇

液壓剪有平行刀片和斜刀片兩種形式。用平行刀片剪切時，刀片與軋件整個寬度同時接觸，直至整個軋件被剪斷（見圖1（a））；用斜刀片剪切機剪切時，刀片與軋件接觸區長度不等于軋件整個斷面寬度，而僅僅是一條斜線BC。當刀片剛切入軋件時，刀片與軋件的接觸長度是變化的，由零逐漸增大到BC值，在穩定剪切階段，接觸長度BC是一個常數，在剪切結束時，其接觸長度則由BC值逐漸減少到零。由于刀片與軋件接觸長度BC遠遠小于軋件寬度，所以，斜刀片剪切機剪切面積小，使剪切力得以減小（見圖1（b））[1]。

圖1 兩種液壓剪刀片形式

鑒于以上特點，平行刀片剪切機多用于熱剪切初軋坯 (方坯、板坯)和其它方形及矩形斷面的鋼坯，斜刀片剪切機用來橫向冷剪或熱剪板材、帶鋼、冷板坯。本次設計軋材為熱狀態下的鋁板，最大厚度18 mm，寬度880～2150 mm。因此選擇斜刀片剪切機。

1.3 機架形式的選擇

根據剪切機機架結構形式，斜刀片剪切機可分為開式和閉式兩大類。開式機架一側有較大的側凹形空間，上、下刀臺安裝在這一空間進行軋件的剪切（見圖2（a））。開式機架的特點是結構簡單，便于觀察軋件剪切情況，但是機架剛性差。因此多用來剪切成束小型圓鋼，以及寬度不大的鋼板等軋件。閉式機架又分為焊接結構和鑄造結構兩種（見圖2（b）），焊接結構工藝簡單、成本低，但是相對于鑄造結構剛度差，一般剪切力較大的場合多用鑄造機架。本次設計板材最大寬度2150 mm，寬度較大，適合選用閉式機架，由于鋁板在熱狀態下剪切阻力小，且斷帶多發生在板材較薄的階段，剪切厚度不大，剪切力相對較小，故機架選用焊接結構。

1.4 事故剪方案確定

圖2 兩種機架形式

通過以上分析，本設計選用液壓缸驅動、斜刀片、閉式焊接機架剪切機。根據剪切軋件時刀片的運動特點，閉式機架斜刀片剪切機又可分為上切式和下切式兩種。液壓剪多采用下剪切的形式，也就是上剪刃固定，下剪刃向上運動實現剪切動作。考慮到事故液壓剪在鋁板熱軋機組中要允許較厚的板坯通過，而斷帶等事故又多發生在帶材較薄的道次，在剪切機不工作時，要求上剪刃能夠上升到較高的安全高度，工作時上剪刃又要能夠下降到軋制線附近。因此，液壓事故剪選用上、下剪刃都運動的下切式斜刀片剪切機構（見圖3）。

圖3 事故液壓件方案圖

液壓剪共有四個動作，處于等待工作狀態時液壓缸全部縮回，整個液壓剪重量由下擋塊10支撐。剪切時，無桿腔進油，活塞桿伸出，液壓缸缸體下降，缸體通過拉桿9與上刀架1相連，上刀架1下降，遇到上擋塊11停止。上擋塊11的位置決定剪切位置。無桿腔繼續進油，活塞桿伸出，帶動下刀架4上升，直至活塞桿全部伸出，完成剪切。剪切力完全由聯接上、下刀架的拉桿9承受，機架不受剪切力。剪切結束后，有桿腔進油，活塞桿縮回，帶動下刀架4下降，遇到下擋塊10停止。有桿腔繼續進油，活塞桿縮回，液壓缸缸體帶動上刀架1上升，直至活塞桿全部縮回。至此，完成一次完整剪切過程。

該方案使用兩個并聯的液壓缸實現了上剪刃下降、上升，下剪刃上升、下降兩組動作，結構合理，其動作原理類似剪刀。在手持剪刀剪切的過程中，手有兩個作用，一個是相當于一個雙作用液壓缸，一個是起支撐固定作用（見圖4(a)）。將鉸鏈點打開，加上導向，就形成液壓剪剪切機構（見圖4(b)）。

圖4 剪刀和液壓剪的機構簡圖

2 主要設計參數計算和選取

2.1 剪切力計算

（1）靜力計算 剪切力計算公式較多，如柯洛遼夫公式、諾沙里公式和富姆公式等。文獻 [2]推薦使用富姆公式，認為從計算結果比較來看，該公式更符合實際情況。

式中，P—剪切力（N）；σb—強度極限（N/mm2）；h—板材最大厚度 （mm）；α—剪刃傾角（°）；c—兩刀片側向間隙（mm）。

（2）剪切力動態過程分析 斜刀片剪切機剪切時總是一側先進入剪切狀態，隨著剪切進行，剪切區域逐漸向另一側移動。不計摩擦阻力，以下刀架為受力分析的對象，下刀架受力包括作用于C點的剪切力P，作用于A、B兩點的液壓缸推力F。在剪切開始階段，剪切力作用點C靠左側，由于兩個液壓缸相同，無桿腔油壓也相同，其推力F也相同（見圖5），則下刀架受逆時針方向轉矩

式中，M1—下刀架所受扭矩（N·m）；F—液壓缸推力（N）；L—液壓缸間距（mm）；l—剪切點至剪切側支點距離（mm）。

圖5 下刀架受力分析示意圖

此時，需要同步機構阻止下刀架轉動，否則下刀架和機架間間隙將被擠死，增大其與機架間的摩擦力，加速滑板磨損，嚴重時可能卡死造成剪切機無法正常工作[3]。

在理想狀態下，同步機構施加在下刀架上的轉矩M2應與M1相抵消，即

式中，Q—拉桿的齒條部分作用在同步齒輪上的圓周力（N）；L1—拉桿中心距（mm）。

（3）同步機構設計要點 同步軸齒輪模數應由作用在其上的圓周力Q所產生的齒根彎曲應力確定；齒輪齒數太少不利于平穩傳動，齒數太多浪費材料，推薦取20～30，最好取奇數；在齒輪分度圓直徑一定時，同步軸直徑應該做的盡量大，因為齒輪直徑越大，扭矩越大，同步軸亦應隨之加強，否則扭轉剛度不足將影響同步效果；應限制同步齒輪的Ⅰ、Ⅱ組公差值，保證傳動準確和平穩；裝配完成后兩個同步齒輪應在同一側和齒條貼合。

2.2 液壓缸的選擇

（1）液壓缸行程的確定 液壓缸行程由上刀架向下運動的行程、下刀架向上剪切的行程和重合度三部分組成。上刀架行程由軋材最大厚度決定，上刀架升起后的最大高度應保證最大厚度的帶材通過，并應考慮帶材頭部翹起等因素。下刀架行程首先應保證下刀刃升起后可以剪斷帶材并滿足重合度要求，其次在回落后，能夠保證下刀刃退到輥面以下，不影響帶材通過，并與帶材保持一定距離，以免刀刃受熱帶材烘烤快速鈍化。另外，對于斜刀片剪切機，還應考慮由于刀片傾斜所帶來的行程的增加，即重合度應由斜刀片遠離平刀片的一端確定。

式中，Ly—液壓缸行程（mm）；H1—上剪刃距軋制線的距離（mm）；H2—下剪刃低點距軋制線的距離（mm）；△—上、下剪刃的重合度，本次設計取15 mm。

（2）活塞及活塞桿直徑的確定 剪切軋材時無桿腔進油，液壓缸負荷包括剪切力、下刀架組件的重力和各部件摩擦力，即

式中，d—活塞直徑（mm）；G—下刀架組件重量（N）；p—液壓缸工作壓力（MPa）；η—考慮摩擦的工作效率，一般可取0.85～0.9。

剪切結束后，無桿腔進油，下刀架下降、上刀架上升，液壓缸負荷僅為上刀架重量。上刀架重量遠遠小于剪切力，活塞桿直徑在可選規格中選取較大值，這樣可以增大液壓缸剛度，提高液壓剪工作穩定性和可靠性。

2.3 刀片傾斜角的確定

斜刀片剪切機斜刀片傾斜角α一般為1°～6°，剪切厚鋼板時為8°～12°[4]。由剪切力計算公式可知，刀片傾斜角α越大，剪切時的剪切力越小，但是刀片行程將會增加。最大允許剪切角αmax受軋材和刀片之間的摩擦條件的限制，當α＞αmax時，被剪軋材將從剪口中滑出而不能完成剪切。傾斜角α的大小對剪切質量也有影響，當α很小時，在剪切斷面容易出現撕裂現象。但是隨著傾斜角α增大，剪斷后的帶材的不平度也會增大，有些帶鋼精整線為此不得不增加壓平機[5]。因此設計時應綜合考慮，有所取舍。一般薄板取傾斜角α=1°～6°，本次設計取 2.5°。

2.4 剪刃間隙的確定

剪刃間隙與剪切質量有著密切的關系。文獻[6]從帶材剪切的微觀過程分析出發，給出剪刃間隙的最佳值，

式中，t—帶材厚度（mm）；C0—剪刃間隙（mm）；εf—被剪軋材在剪切狀態下的斷裂應變。

從帶材的剪切過程可以發現，隨著剪切力的增加，帶材先是發生彈性變形，而后是塑性變形，被剪帶材表層金屬開始發生滑移，隨著滑移的增長，當表面金屬變形達到極限值時，在某一點首先出現斷裂裂紋，隨著上、下刀架進一步靠近，內部金屬纖維也將產生斷裂裂紋，當裂紋延伸最終貫穿金屬截面時，帶材即被剪斷。事實上，當帶材在剪刃的擠壓下產生斷裂裂紋后，上、下剪刃只需要很小的運動就可以將帶材剪斷，這個斷裂過程是非常迅速的。因此，我們用斷裂應變作為表征被剪帶材的參數來表達其對剪刃間隙的影響。

由剪刃間隙與被剪軋材工藝參數間的關系式可知，當斷裂應變一定時，帶材厚度越大，所需要的剪刃間隙也越大，一般冷軋帶鋼的經驗參數是剪刃間隙為帶材厚度的10%左右。當帶材厚度一定時，斷裂應變越大，所需要的剪刃間隙越小。通常帶材塑性越好，斷裂應變越大，對同一帶材，剪切溫度越高，斷裂應變也越大。因此，同樣厚度的帶材，有色金屬比鋼材所需的剪刃間隙要小；同一厚度，同一材質，熱狀態下剪切相對冷剪所需的剪刃間隙要小。

此外，剪刃間隙對剪切質量也有直接影響，間隙大則剪切斷面有毛刺、倒角現象。間隙過小，容易造成剪刃過快鈍化[7]。對于要求帶材質量較高的機組，由于帶材規格多，厚度相差較大，必要時需要增設剪刃間隙調整機構。綜合考慮以上因素，本設計剪刃間隙取0.2 mm。

3 結語

本文試圖從方案設計角度對常見剪切機形式進行對比分析，提出部分主要設計參數的計算和確定依據，并通過剪切力動態分析闡明下刀架受力狀態，并提出同步機構的設計要點，供同類型剪切機設計和改進時參考。

[1]鄒家祥.《軋鋼機械》 [M].北京.冶金工業出版社.2007，286.

[2]周國盈.《帶鋼精整設備》 [M].機械工業出版社.1979，9.

[3]朱蔚，蔡誠.開卷線中液壓剪板機的設計要點.鍛壓裝備與制造技術[J].2005.05:27.

[4]文慶明，李森林.《軋鋼機械》 [M].北京.化學工業出版社.2004，279.

[5]趙金英，吳尚超,王振香.邯鋼中板廠精整線剪切機改造實踐.山東冶金 [J].2004.10:30.

[6]張永祥.剪切機最佳剪切間隙的研究.海軍工程學院學報 [J].1995.1:49.

[7]胡平.論剪切質量的提高.南方金屬 [J].2003，4:10.