剪切機主要力能參數的新研究

供稿|張宏洲

剪切機主要力能參數的新研究

供稿|張宏洲

內容導讀

鋼鐵行業本身是一個高能耗的基礎產業，隨著全球經濟的發展，全球經濟和能源的危機，必然要對高能耗的產業進行節能降耗的改造和開展低碳環保經濟的發展。通過對現有設備的升級改造及新設備的低碳設計來滿足經濟可持續發展的要求，就必須對現有的理論進行深入的分析和研究，為其提供理論依據。在此前提下，作者根據多年的設計經驗和現場實測，對剪切機力能參數進行深入分析和計算，無論是對新的剪切機或同類設備工藝和產品設計，還是對原設備的工藝改造及產能裕度的計算，都具有實際意義。

剪切機是現代軋鋼車間連軋生產線上的關鍵設備，通常用于方坯、扁坯、鋼板和一些條形鋼材的切頭、切尾和定尺長度的切斷。中國從 20 世紀 70 年代引進現代化的冶金設備至今，不論是引進的和自行設計的剪切機，在實際生產使用中都會出現不同程度的問題。通過長期的設計和現場使用，對現有的多種設備的結構進行了實測、力學分析、有限元分析，發現力能參數計算是值得深入認真研究的重要問題。

隨著現代技術的不斷發展，各種復雜結構的剪切機不斷產生，一般根據工作原理、刀片形狀和用途的不同，可分為平行刀片剪切機、斜刀片剪切機、圓盤式剪切機、飛剪機這幾種基本類型。目前的剪切機一般由剪切系統、齒輪傳動系統、離合系統以及控制系統組成。

剪切機的主要參數包括兩類：一類是結構參數，如刀片行程、刀片最大開口度、刀片尺寸和剪切次數：另一類是力能參數，如剪切力、剪切力矩和電機功率。

結構參數的確定主要根據軋件的斷面尺寸以及生產工藝決定，但其參數的變化與力能參數又緊密結合。力能參數的確定最終決定了結構參數。每一個力能參數的確定都與剪切力有密切關系。不管其結構再復雜，其力能參數是基本不變的。因此對剪切機力能參數的深入研究，對現有的在線設備改造和新研制設備都具有重要的實際意義。

剪切機的典型結構

近些年來，隨著軋鋼設備現代化發展，高新技術水平不斷提高，一般軋鋼車間常見的剪切機是啟停式連桿機構，這種剪切機從原理結構上大致可分為兩類：一類是離合器啟停式剪切機，始于 20 世紀 70 年代我國引進消化技術和自行設計制造的設備，其主要有氣動離合和機械離合以及帶反爬復位裝置的離合控制；另一類是電機啟停式剪切機，目前國外的先進設備多是直接對電機進行制動控制，控制精度高，價格昂貴。

上切式曲柄連桿滑座式剪切機是啟停式連桿機構典型的結構。該類型剪切機主要由電機、飛輪、離合和制動器、剪切機本體 (包括減速器)、檢測元件等部分組成。其特點是氣動離合器和氣動制動器一般都安裝在高速軸上，通過對氣動離合器和氣動制動器的控制來實現該設備的兩種狀態：一種是非剪切狀態。此時，氣動離合器處于打開狀態，氣動制動器處于制動狀態，高速軸不轉，電機通過皮帶傳動帶動飛輪長轉，上刀座處于剪切上位。另一種是剪切狀態。此時，氣動離合器處于閉合狀態，氣動制動器處于打開狀態 ，高速軸旋轉，電機通過皮帶傳動帶動飛輪旋轉，通過二級傳動減速器帶動曲軸及滑座、上刀座完成一次上下剪切動作。剪切完成后通過檢測元件發信號直接進入非剪切狀態。

剪切力的計算

依據剪切機結構特點的典型性對其力能參數進行深入的研究對設備產能的發揮和新設備的設計是有指導意義的。

首先是剪切力的計算。此類型剪切機的刀片形狀圖一般有以下兩種形式：一種是平行刀片剪切機見圖 1 (a)；一種是斜刀片剪切機見圖 1 (b)。

圖1 (a) 平行刀片和 (b) 斜刀片剪切機

平行刀片剪切機的兩個刀片彼此平行，通常用于剪切鋼坯，有時也用于管坯和小型圓鋼。斜刀片剪切機的兩個刀片，一個水平，另一個則傾斜某一角度 α，通常用于冷剪、熱剪鋼板和薄板坯，有時也用于棒料和型鋼。按圖 1 (a) 斷面 F (剪切力) 圖對剪切力進行計算分析。一般按下式計算：

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式中，Fmax為最大剪切力，N；τmax為最大單位剪切阻力，N / mm2；A 為被剪切原始斷面面積，mm2；K1為考慮刀刃磨鈍、刀片間隙增大而使剪切力增大的系數，可按剪切機的能力選取；小型剪切機 (F ＜ 1.6 MN)，K1= 1.3；中型剪切機 (F = 2.5 ～ 8 MN)，K1= 1.2；大型剪切機(F ＞ 10 MN)，K1= 1.1。

在設計剪切機時，首先通過坯料確定最大斷面尺寸和找出材料單位剪切阻力曲線最大值，選取合適的負荷系數就可以計算出最大的剪切力。這種計算出來的剪切力作為本體結構設計的值，會與實際測量的不符。通過對使用的狀況實測及分析，在所有的剪切過程中無論是什么類型的剪切機，在實際剪切過程中，其刀片突然遇阻，所產生的沖擊力是比較大的。在剪切中，一般從剪切開始到剪切結束時間為剪切周期的 1/4，時間一般都不超出 1 s，如果是高速線材和帶鋼所用的在線飛剪機，則時間有的不超出 0.01 s，時間很短。同一種材料，同一種規格，其速度越快沖擊力越大。依據動量定律，動量的增量等于合外力的沖量。即：

式中，t1、t2為剪切開始時間、剪切深入 30 % 時間；F 為瞬間沖擊力；Fm為平均沖擊力；m為上刀座的質量；v1、v2為剪切開始速度、剪切深入 30 % 的速度。

從式 (2) 可以看出時間越短沖擊力越大。因此，在確定最大的剪切力時，應該對沖擊力進行單獨計算并與原計算的最大剪切力迭加。這個值主要與剪切的速度有關：當速度高時其值較大，速度低時其值對計算結果影響不大，可以不用考慮。若剪切速度為v，v ＜ 0.5 m / s 時，可以不考慮；v ＞ 0.5 m / s 時，根據具體剪切速度、剪切時間及參照對象，對其值進行修正。其最大剪切力可以按式 (3) 計算：

由式 (3) 所得的計算值，與實際分析比較接近。

曲軸傳動力矩的計算

曲柄連桿滑座式剪切機的計算，主要是傳動曲軸的力矩計算，傳動曲軸的靜力矩是由剪切力矩和摩擦力矩兩部分構成。即：

式中，Mj為曲軸的靜力矩；M1為剪切力矩；M2為摩擦力矩。

式 (4) 中傳動曲軸的靜力矩 Mj可以通過圖解法和解析法兩種方法求出。所求解的力矩值是與剪切力 F 相關的解析式，一旦剪切力確定，傳動曲軸的靜力矩 Mj就可求解出。因此，在計算Mjmax時，把剪切力 F 的計算換成式 (3)，其值即可計算出。

電機功率的計算

驅動剪切機刀座轉動或移動的電動機為主電機。確定主電機容量的關鍵是確定傳遞到主電機軸上的力矩，也就是電機的負載轉矩，要使剪切機的力矩負荷與相應的電機電磁轉矩特性相匹配。

剪切機的力矩負荷變化很大，為使電動機的負荷均勻，往往采用飛輪裝置。飛輪的作用：在非剪切時，飛輪儲存動能；在剪切時，飛輪釋放其動能，幫助電機克服尖峰負荷。

在剪切的瞬間，由于沖擊力是很大的，特別是剪切時間越短其值越大，在選擇電機容量時必須考慮其作用。一般飛輪要安裝在電機端或高速軸上，通過實測和計算，其產生的瞬間動能是相當大的，如飛輪力矩選取合適，其瞬間釋放的剪切能量與所要求的剪切功是匹配的，這樣可以將電機容量選取的比計算值更小一些。剪切機剪切過程飛輪釋放的能量按式 (5) 計算得出：

對 8.5 MN 上切式曲柄連桿滑座式剪切機，如不考慮沖擊作用，其常規計算電機功率是所選的實際電機功率的 1.6 倍。考慮到沖擊作用，選用電機功率是 90 kW 的電機，經過實踐使用，運行狀況良好。

結束語

依據上切式曲柄連桿滑座式剪切機典型性，其主要力能參數的研究結果，同樣適用于其他類型的剪切機，不論是飛剪機，還是滾切剪。并且其分析方法也適用其他行業的同類產品的設計計算。

[1] 黃華清. 軋鋼機械. 北京: 冶金工業出版社，1979

[2] 鄒家祥. 軋鋼機械. 北京: 冶金工業出版社，1988

Research Newly on the Essential Mechanical Parameters of Shears

ZHANG Hong-zhou

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張宏洲(1973—)，男，本科，工程師，現從事冶金工藝及設備的設計和研發。

洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039