浮動式液壓剪的結構特點及參數計算

胡佳楠

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

在鋁加工車間軋制線及其輔助作業線上，經常采用液壓剪對板帶材進行頭、尾部剪切或分切。浮動液壓剪具有開口度大、結構簡單、性能可靠、安裝維護方便、重量輕、成本低等特點，因此浮動式液壓剪在鋁帶熱軋生產線上得到了廣泛應用。

下面以我院為某鋁加工廠設計的熱軋機組中的浮動式重型液壓剪為例，淺析浮動液壓剪的結構特點和主要參數的設計計算。

1 浮動液壓剪的結構組成及特點

該浮動液壓剪(如圖1)主要由上刀架、下刀架、剪刃、下橫梁、張力柱、滑套、同步機構、側支座、板帶壓緊裝置、液壓缸等組成。上、下剪刃分別安裝于上、下刀架上;下刀架和下橫梁由液壓缸連接;通過張力柱、鎖緊螺母等將上刀架和下橫梁連接一體，構成封閉的框架結構，張力柱可在滑套中上下滑動。

浮動液壓剪動作過程:液壓剪共有四個動作。液壓缸活塞桿縮回，整個液壓剪的重量由下緩沖器9支撐;剪切時進油，活塞桿伸出，下橫梁—上刀架隨活塞缸缸體向下滑動，遇到上緩沖器5停止，上剪刃位置固定于此;活塞缸繼續進油，上刀刃停止動作，活塞桿推動下刀架向上滑動，直至活塞桿全部伸出，完成剪切;剪切結束后，活塞缸控制進油，上刀架隨活塞缸缸體向上滑動，直至活塞缸的活塞桿全部縮回。至此，完成一次剪切過程。

該浮動液壓剪有以下特點:

(1)上、下刀架都浮動

上、下刀架都移動是本液壓剪最大特點，剪切時，上刀架向下移動后固定，下刀架再向上移動完成剪切。因此開口度比較大，能使帶材翹頭嚴重也不影響帶材通過，而且可以配置在機組中間，在正常軋制時，不會影響軋件通過。

(2)斜剪刃設計

為了消除被切斷面的撕裂現象和減少剪切負荷，通常上剪刃或下剪刃有一定的傾斜角度α。傾角不能太小或太大，傾角較小時，在被剪帶材斷面容易出現撕裂現象，影響剪切效果;傾角較大時，受板材與剪刃間摩擦條件的限制，帶材從刀口滑出，不能進行剪切; α通常用1°30'～6°，該項目中下剪刃水平布置，上剪刃與水平面成4°夾角。

(3)高承載力的齒輪—齒條同步機構

同步機構是使兩個液壓缸動作能同步移動。雖然兩個油缸的結構和尺寸完全一樣，但密封件的摩擦力和漏損、支持件的摩擦力、以及管路閥件的總合阻力等都不同，以致兩油缸出、入口的壓力不同，使活塞的移動速度亦有差異，因此同步裝置必不可少。機械同步裝置多采用齒輪—齒條機構或連桿同步機構。兩種同步機構各有優缺點:①連桿同步機構同步精度高，抗偏載能力好，但是占用空間大;②該液壓剪最大剪切厚度達到100mm，因此本設計采用齒輪—齒條式結構;齒輪軸安裝于下刀架上，張力柱上加工有齒條;③齒輪—齒條式能承載較大負荷，并且占用空間較小，但是對齒輪、齒條加工精度要求較高。對剪切力要求較大的剪子通常配備此種同步結構。

⑷空氣彈簧壓板裝置

在液壓剪工作時，板帶材會被下剪刃抬離輥道一段距離，設置壓板裝置可防止帶材翹頭，使剪切順利進行。

圖1 浮動液壓剪結構圖

⑸高強度張力柱。高強度的導向張力柱由上實心圓柱頭、下實心圓柱頭、空心圓柱套管3部分組成，通過空心圓柱套管的兩端分別將上、下實心圓柱頭連接成一體(如圖2)。

圖2 張力柱簡圖

根據材料力學抗彎強度理論，等截面的空心圓柱桿件抗彎截面模量高于同等截面的實心圓柱桿件，這說明要達到同等抗彎截面模量的要求，空心圓柱桿件的重量要低于實心圓柱桿件。

⑹碟璜緩沖裝置

碟形彈簧有剛度大，緩沖吸振能力強，能以較小變形承受較大載荷的特點。該浮動液壓剪在側支座上頂部和底部均布置緩沖器，在上、下刀架下降遇到擋塊時緩沖器起到緩沖左右，減少對設備沖擊，延長設備使用壽命。

2 主要參數的確定

(1)剪刃尺寸

剪刃尺寸包括剪刃長度l，剪刃斷面高度h'及寬度b'。這些尺寸可以根據被剪板帶最大斷面尺寸來選取。

剪刃長度可按下述經驗公式確定:

式中l——剪刃長度，mm;

bmax——被 剪 帶 材 橫 斷 面 最 大 寬 度，bmax=1500mm;

計算所得l=1500+300=1800mm。

剪刃斷面高度及寬度可按下述經驗公式確定:

式中h'——剪刃斷面高度，mm;

h——被剪切件最大斷面高度，h=100mm;

b'——剪刃斷面寬度，mm。

計算所得h'=1.5×100=150mm;

式中F——剪切力N;

K——考慮到剪刃磨鈍、剪刃側隙等所取系數1.2～1.3，取F=1.3;

h——被剪切件最大斷面高度，h=100mm;

ɑ——剪刃傾斜角，ɑ=4°;

σb——被剪切帶材的強度極限MPa，本案復合鋁在300℃下的σb=29MPa;

δ——被剪切帶材的延伸率，本案復合鋁在300℃下的δ=70%;

計算所得F=2265000N取F=2300000N

(3)液壓缸

剪切寬幅帶材的液壓剪一般布置兩個液壓缸，無桿腔的直徑可由下式計算:

(2)剪切力

斜剪刃的剪切力可由以下經驗公式計算:

式中d——液壓缸無桿腔直徑，mm;

F——剪切力，F=2300000N;

G——下刀架、橫梁等的重量，G=45500;

ρ——液壓系統壓力，ρ=19MPa;

η——考慮液壓傳動損失系數，取η=0.85。計算所得d=304.068mm，取d=320mm。

3 結束語

該浮動液壓剪結構合理、開口度大、剪切能力大，制造成本低，自投產以來運行平穩性好，維護方便，經濟效益顯著。

［1］鄒家祥.軋鋼機械［M］.北京:冶金工業出版社，2000

［2］成大先.機械設計手冊.第四版.第三卷.北京:化學工業出版社，2002

［3］肖亞慶.鋁加工技術使用手冊.第一版.上冊.北京:冶金工業出版社，2005