滾切式雙邊剪退刀機構受力分析及改進

霍建軍

（華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠， 湖南　湘潭　411100）

滾切式雙邊剪退刀機構受力分析及改進

霍建軍

（華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠， 湖南湘潭411100）

介紹了華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠雙邊剪退刀機構及其有限元分析計算，并根據分析計算的結果得出規律，以實現對退刀機構的整改。整改后，該廠退刀機構連桿再未斷裂。

寬厚板雙邊剪有限元退刀機構偏心

寬厚板廠雙邊剪設備常用來對軋制后的鋼板進行切邊定寬，其結構復雜、結構緊湊、精度要求高、維護難度大，是寬厚板廠非常重要的設備之一。退刀機構是雙邊剪的關鍵部件之一，一般用于在剪切完后將上剪刃拉回，從而保證上剪刃與鋼板邊部之間有一定的間距，在鋼板運輸過程中可以保證鋼板邊部不會磨損上剪刃。退刀機構與拉回缸及剪刃間隙調整裝置一起實現剪刃間隙的調整功能。退刀機構、拉緊機構與剪刃間隙調整裝置見圖1[1]。

退刀連桿是退刀機構的重要零件，用來連接主齒輪箱和退刀機構。由于工作中退刀連桿一直承受拉伸力，并且直接承受剪切及退刀過程中的沖擊，導致退刀連桿極易出現斷裂現象。退刀連桿斷裂事故將會導致剪刃間隙無法保證，退刀機構也無法退刀，伴隨的剪切效果表現為廢料翻轉，切變質量極差。檢修更換退刀連桿涉及到減速機內部結構，施工難度大，且時間過長，通常情況下只能將斷裂處焊接起來繼續使用，不僅花費時間極長，且留有隱患，將會帶來長時間的停產檢修并造成巨大的經濟損失[2-3]。

1　退刀連桿斷裂分析

1.1退刀機構動作分析

圖1　主軸及軋機布置圖

對退刀連桿斷裂進行分析的前提是分析退刀機構是如何動作的。退刀機構是依靠兩個凸輪來驅動的，見下頁圖2。凸輪1與凸輪2之間有一個固定的相位差，凸輪1的凸出部分對應凸輪2的凹陷部分，凸輪1的凹陷部分對應凸輪2的凸出部分，即當凸輪1的凸出部分轉動到與A點接觸時凸輪2的凹陷部分與B點接觸，此時橫梁AB繞O點順時間轉動，連桿AC向上移動，并帶動桿CDE繞D點順時間轉動，E點轉動時將桿FI和桿GH壓向左側，這就是非退刀階段；而凸輪1的凸出部分轉動到與A點接觸時凸輪2的凹陷部分與B點接觸，此時橫梁AB繞O點逆時針轉動，連桿AC向下移動，并帶動桿CDE 繞D點逆時針轉動，E點轉動時將桿FI和桿GH拉向右側，這就是退刀階段；而凸輪1和凸輪2的凸出部分和凹陷部分之間都有一段過渡圓弧，當凸輪1與A點接觸的部位從凹陷部分進入凸出部分時，為進入退刀階段；而當凸輪1與A點接觸的部位從凸出部分進入凹陷部分時，為進入非退刀階段。

圖2　退刀機構連桿模擬圖

因此，退刀機構的動作總結為以下四個階段：非退刀階段、進入退刀階段、退刀階段、進入非退刀階段。

1.2退刀機構受力分析

由于退刀機構、拉回缸及剪刃間隙調整裝置配合在一起使用，所以在分析退刀機構時很有必要將拉回缸一起分析，而剪刃間隙調整裝置對退刀機構的受力情況影響不大，所以在此處不作分析。退刀機構和拉回缸的受力圖，（見圖3）。

圖3　退刀機構受力分析

圖3中OBC為導向框架，單獨對其作受力分析得出：

由式（1）—（4）可知：

對于桿LMN有：

式中MDM為扭矩。則有方向向下。

由于拉回缸的拉力一直存在，在拉回缸的作用下，退刀連桿上一直存在FL=4.06×104N，方向向下的拉力。由上面的運動學分析可知當處于非退刀狀態時，退刀連桿承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而當處于退刀狀態下時，退刀機構實際上也是在拉回缸的拉力下完成的退刀，根本不需要凸輪提供動力，所以退刀連桿承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而當處于進入退刀階段時情況與上面的是一樣的；但當處于進入非退刀階段時，由凸輪提供動力來使退刀后的連桿提升，此動力的大小只需要FL=4.06×104N即可。由以上分析可知退刀連桿受力即為FL=4.06×104N。以此數據作為參考來對退刀連桿進行有限元分析。

1.3退刀連桿有限元分析

華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠（以下簡稱五米寬厚板廠）的雙邊剪退刀連桿在使用中多次出現過斷裂現象。斷裂處如圖4所示。

圖4　退刀連桿斷裂處

經檢查斷面非常整齊，對于連桿而言斷裂處為其危險截面，此處為M64的螺紋，螺距為4 mm，小徑約58.5 mm。然而設計上是將螺栓作為薄弱面，因此筆者認為連桿斷裂處直徑尺寸過小。在對其應力進行計算的同時，分別對連桿和螺栓進行有限元分析并比較其應力情況，最后根據分析情況更改連桿尺寸并比較前后的應力情況及薄弱點是否有轉移。

另外退刀連桿的材料選為EN10025標準的S355J2G3，其抗拉強度取σ1b=550 MPa。

而退刀連桿下方兩個方塊之間的連接依靠的是2 個8.8級M42的不帶螺母的內六角螺栓，其螺紋橫截面積為螺栓的抗拉強度為σ2b= 800MPa，其應力為

由此可見退刀連桿的應力反而比螺栓的應力小，但螺栓的抗拉強度比退刀連桿要大，正常情況下退刀連桿的壽命有可能比螺栓要短，在同樣情況下退刀連桿會比螺栓先斷與實際情況相符。

退刀連桿有限元分析圖見圖5，固定連桿上端的孔，對連桿下方施加FL=4.06×104N的拉力，對連桿劃分網格并計算后得出連桿下方最細處為薄弱點，其最大應力為σ3=2.4 MPa。

圖5　退刀連桿有限元分析

螺栓有限元分析圖見圖6，由于對螺紋有限元的計算耗時過長，而螺紋又具有重復性，為了計算方便，我們將螺栓簡化為直徑為Φ37 mm的圓鋼，固定圓鋼上端，對連桿下方施加FL=4.06×104N的拉力，對連桿劃分網格并計算后得出圓鋼上方為薄弱點，其最大應力為σ4=2.6 MPa。另外選取圓鋼任一點的應力為σ5=1.9 MPa，并以此應力計算其壽命。

圖6　螺栓有限元分析圖

2　結語

退刀連桿的應力反而比螺栓的應力小，但螺栓的抗拉強度比退刀連桿要大。由此可見，正常情況下退刀連桿的壽命有可能比螺栓要短，在同樣情況下退刀連桿會比螺栓先斷。華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠整改的方向就很明確，為了確保設備具有合理的可靠性及安全系數，并且維修成本不高，五米寬厚板廠對退刀連桿及螺栓進行優化設計，使螺栓的抗拉極限低于退刀連桿的抗拉極限，就可以做到螺栓永遠比連桿先斷裂，從而保護退刀連桿不再斷裂。此結論已經應用于實際，整改后，五米寬厚板廠退刀機構連桿再未斷裂。

[1]吳宗繹.機械設計設手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]劉寶珩.軋鋼機械設備[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[3]王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，1995.

（編輯：王慧芳）

Force Analysis and Improvement of Retracing Structure Rolling-cut Double Side Shear

HUO Jianjun
（5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

This paper analyzes the retracing structure and its finite element calculation of rolling-cut double side shear of 5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，and gets its regulation to reform the retracing structure.After reform，The plant connecting rod and the blade is not broken any more.

plate mill，double-side shear，finite element，retracing，decentration

TG333.21

A

1672-1152（2016）04-0088-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.30

2016-06-05

霍建軍（1988—），男，從事機械設備管理類工作，助理工程師，研究方向為機械制造工藝與設備。