雙偏心曲柄擺剪的運動學分析

張全逾

(承德石油高等?？茖W校汽車工程系，河北 承德 067000)

雙偏心曲柄擺剪是棒材生產線上的重要設備[1］。通過對擺剪機構進行動力學的分析研究，可以對擺剪的剪切過程進行深入了解以及對其機構進行優化。研究采用運動學軟件進行[2-4］。雙偏心擺式飛剪系統的三維實體模型采用三維建模軟件SolidWorks 2012建立。擺剪系統由若干零部件構成。由于要對整個系統進行運動學分析，因此，在首先建立起各部件的零件圖，進行裝配后再進行運動機構動態仿真。

1 三維模型的建立

首先，根據零件的真實尺寸建模，主要零部件有雙偏心主軸，連桿，上下刀座，上下剪刃等。各主要零部件的模型建立后，對其進行裝配，按照擺剪實際的接觸、相對位置，采用配合工具里面的同軸，平行等條件為約束，建立的雙偏心擺剪的三維模型如圖1所示。

2 擺剪的運動學分析

2.1 兩剪刃的運動軌跡

擺剪模型建立后，加載偏心軸和擺動驅動的運動參數，進行運動仿真模擬，在結果選項里選擇路徑跟蹤功能，選擇剪刃的兩個端點，可以看到兩個點在整個剪切周期內的運動軌跡，如圖2所示。

A，B點分別為兩剪刃距離為0的時刻的位置，CD為剪切時剪刃的最大重疊量。根據運動規律，上下剪刃的擺動速度隨擺動曲柄的轉動速度有關，擺剪剪刃速度從0加速直至最大，當到達最左端時又減速到0，在這個過程中上剪刃下降，下剪刃提升。之后剪芯開始向右擺，直至基本達到最大速度時，剪刃開口為軋件直徑時開始剪切，并同時等速前進，到達A點時，軋件切斷。切斷后，上剪刃繼續下降達到D點，下剪刃繼續上升達到C點，則達到最大重疊量。隨著剪切進行，上、下剪刃提升，到B點時，兩剪刃重疊量為0，直到最右端速度為0時，最后恢復到初始位置?？梢钥吹剑羟幸约扒袛嗍窃诔跏嘉恢玫淖髠冗M行的。

2.2 雙偏心軸起始相位角的影響

由于雙偏心主軸存在著一個大偏心量和一個小偏心，所以其初始角度不同，兩剪刃的開口是不一樣的，同樣轉動過程兩剪刃的運動軌跡、咬入剪切時刻、速度變化規律都是不同的，因此研究了不同起始相位角對各參數的研究規律。以擺剪開口最大位置時雙偏心擺剪的啟動相位角為0°，取相位角分別為0°，45°，60°，69°，86°，98°。

圖3為不同啟動相位角，剪刃的運動軌跡。可以看到隨著起始相位角的增加，剪切位置由右側向左側移動。

當啟動角為0°時，剪切位置基本處于最右端，由圖發現剪刃重疊的過程中剛剛結束，就發生了回復，這個時刻剪刃的水平速度基本為0。當啟動角為98°時，剪切位置基本處于最左端，剪刃剛剛經過最左端而向右擺動，這時刻剪刃的水平速度同樣基本為0。所以就找到了剪切極限位置時的初始相位角，合理的初始相位角必定在這個范圍內，圖 3 b)，c)，d)，e)分別為 45°，60°，69°，86°時的軌跡。為了考察其合理性，以剪刃的水平速度與軋件的速度差為主要依據，以剪刃的垂直速度大小為次要依據，詳細分析啟動相位角的合理范圍。

表1為不同啟動相位角的情況下，剪切φ32 mm的鋼筋咬入與切斷的時刻，可知，隨相位角的增加，咬入剪切時刻提前。

表1 不同啟動相位角咬入時刻與剪斷時刻

表2為剪切過程中，剪刃水平速度大于軋件速度的時間范圍，以及在這個時間內剪刃的垂直速度范圍?？芍剿俣却笥?.4 m/s的時刻都在0.47 s～0.57 s附近，這是由于導柱的擺動主要決定了剪刃的水平速度大小，但垂直速度就在這時間的變化就很大，這主要由曲柄的初始相位角決定。

啟動角為0°，咬入時水平速度已經達到1.4 m/s，剪斷時刻速度已經低于軋件速度，則會出現堆鋼現象，垂直速度處于上升階段。啟動角為45°，軋件從咬入到剪斷剪刃都處于水平速度大于1.4 m/s，并且剪切時速度也處于較大值。而啟動角大于60°時，水平速度未達到1.4 m/s時就已經開始剪切了，同樣會出現堆鋼，并且垂直速度較低，引起一定的沖擊振動。因此啟動相位角在45°左右比較合適。

表2 水平速度大于軋件速度的時間范圍與該時間內的垂直速度

2.3 上下剪刃的速度分析

2.3.1 水平速度分析

根據擺剪運行的實際參數，分別在雙偏心主軸好下擺曲柄上添加驅動電機，將兩個轉速隨時間的變化曲線輸入到軟件中。擺剪在剪切過程，上下剪刃的水平速度與軋件的運動速度的匹配，對擺剪的沖擊，尤其是軸承等關鍵部件的影響較大。

下圖4為飛剪機剪切運動時上下剪刃的水平速度。由于上剪刃固定在上刀座上，上刀座沿著導柱上下滑動，下剪刃所在的下刀座與導柱固定在一起，在擺動連桿的帶動下左右搖擺，所以上剪刃的水平速度有擺動的導柱決定，由于上刀座的回轉半徑略小于下刀座的，所以上刀座的水平速度略低于下刀座，尤其在兩剪刃開口較大的范圍內，兩者速度差最大。

下剪刃接觸軋件時和上下剪刃同時接觸軋件時，軋件會對上下剪刃產生一定的沖擊，但是如果軋件與兩剪刃之間的速度差別不大時，這種沖擊可以忽略不計;當軋件水平速度與兩剪刃之間的速度差較很大時，軋件在水平方向上會對上下剪刃產生較大的沖擊，加大軸承的沖擊載荷，以及關鍵部件的磨損，甚至斷裂，影響飛剪機正常工作，同時增大振動幅度，造成很大的噪聲，所以必須消除或降低這種水平方向的沖擊力。

由圖可以看到，從0.472 5～0.577 5 s，兩剪刃的水平速度大于軋件的水平速度1.4 m/s，剪切過程在這區間內完成，則軋件對擺剪的沖擊較小，剪切斷面質量較好。

2.3.2 垂直剪切速度分析

擺剪剪切過程中，是由曲柄帶動上刀座，使其速度由0加速到最大值，通過上刀座儲存的能量將棒材切斷，由于上刀座包括鎖緊缸以及剪刃的總質量高達2.5 t左右，因此，在驅動電機轉速變化規律一定的情況下，剪切時剪刃的速度愈大，剪切力對雙偏心主軸以及軸承的沖擊越小。

圖5為上下剪刃剪切方向的速度隨時間的變化趨勢。由圖可知，由于上剪刃的所屬的軸承的偏心量明顯大于下剪刃，所以其剪切速度明顯較大?？梢钥闯?，上下剪刃速度最大時，都處于下降趨勢，其中上剪刃最大速度為799 mm/s，下剪刃最大63 mm，兩者的速度差為736 mm/s，速度峰值出現在0.465 s。如果剪切時刻出現在速度差最大時刻，則有利于剪切質量以及對擺剪系統的影響。

2.4 剪切時刻的判定

為了考察擺剪剪刃的最大水平速度和垂直速度最大值是否出現在在剪切過程中，提取了上下剪刃的y向坐標隨時間的變化規律，圖6所示，兩者的差為擺剪剪刃的開口，當兩剪刃的距離減小到軋件直徑32 mm時，則兩剪刃同時接觸軋件，此時，剪切開始。

由圖可以看到，當0.215 s時下剪刃先接觸軋件并將軋件向上抬升，當0.485 s時，兩剪刃距離達到32 mm，上下剪刃接觸軋件，上下剪刃相對運動剪切軋件，在0.535 s時，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，直到0.577 5 s時剪刃重疊量達到最大9.09 mm，之后兩剪刃開始分離，直到0.92 s開口達到最大值150 mm。

根據前面的研究我們知道，剪刃的水平速度大于軋件速度的范圍為0.472 5 s～0.577 5 s，垂直速度峰值出現在0.475 s左右，都在軋件咬入直至切斷這個時間范圍內，因此，偏心軸和擺動曲柄的轉速設定是合理的。

3 總結

1)應用三維建模軟件solidworks建立了雙偏心擺式飛剪的三維模型，可以直觀的對擺剪進行運動學研究。

2)當雙偏心主軸的啟動相位角為45°時，軋件的剪斷過程中剪刃的水平速度都大于1.4 m/s，并且上下剪刃垂直速度也處于較大值，達到736 mm/s。

3)剪切直徑32 mm的軋件時，擺剪在0.485 s時開始剪切，0.535 s時切斷，整個剪切過程0.05 s。

[1]左家信，陳斌，馬鋪智.棒材熱連軋4500kN擺剪的工作原理及結構改進[J］.機械工程師，2011(6):151－153.

[2]辛文彤，李志尊.SolidWorks高級教程簡編[M］.北京:人民郵電出版社，2012.

[3]李傳軍，李振華.三維空間刀具半徑補償算法實現簡[J］.承德石油高等?？茖W校學報，2014，16(5):29－30.

[4]He.N，Bai.H.Developing the SolidWorks Standard Workpiece Library Based on VB[J］.Machinery＆ Electronics.2004，6:5－11.