雙切剪下剪刃軸向竄動原因分析及解決措施

何天慶 ，王新 ，姜大鵬 ，劉發

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114021；3.哈爾濱汽輪廠，黑龍江 哈爾濱 150000）

雙切剪是冷軋廠酸洗頭部的重要設備之一，熱軋來的原料頭尾存在鐮刀彎、不規則頭尾、厚度不均、邊部裂口等缺陷，同時熱軋帶鋼長時間放置，造成帶鋼頭尾銹蝕嚴重，通過雙切剪快速切掉熱軋帶鋼原料超差部分，為激光焊機提供合格的帶頭和帶尾，同時也為軋機提供合格的原材料。尤其生產O5板時，帶鋼頭尾需要切除3刀以上（每刀1 100 mm）,雙切剪應能夠滿足機組連續性生產要求。鞍鋼股份冷軋廠酸洗機組雙切剪為20世紀中期由德國馬克西馬格設計的，該雙切剪在鞍鋼冷軋廠四條酸軋生產線、鞍鋼硅鋼酸軋生產線、鞍鋼莆田酸軋生產線、邯鋼酸軋生產線應用。鞍鋼冷軋廠四條酸軋生產線的雙切剪在正常生產剪切過程中，經常出現下剪刃軸向竄動現象，影響正常生產。

1 存在問題

雙切剪下剪刃初始設計共有6個剪刃鎖緊裝置。工作原理見圖1所示，當鎖緊拉桿后面的液壓缸在液壓油的作用下拉桿伸出，實現剪刃更換作業；當剪刃安裝到工作位置，液壓缸停止供油時，依靠鎖緊拉桿上的碟簧組機械鎖緊剪刃座，剪刃正常工作。然而正常生產中經常出現碟形彈簧組無法正常鎖緊剪刃，導致在生產過程中，下剪刃經常出現鎖不住而向外竄出的現象，見圖2。當生產寬料時（超過1 600 mm），上下剪刃無法剪斷帶鋼而中斷生產。操作人員需要通知機械巡檢人員打開閥臺出口開閉器后重新推入下剪刃才能繼續生產。每次恢復剪刃時間至少在30 min以上，嚴重影響了機組的作業效率，同時也增加了工人的勞動強度。

圖2 剪刃竄出時的照片

2 原因分析

雙切剪下剪刃發生軸向竄動，主要原因為剪刃鎖緊蝶簧組鎖緊力無法克服剪刃在生產過程中產生的軸向力。為了從根本上找出下剪刃軸向竄動的原因，下面從雙切剪剪切原理，剪斷帶鋼所需剪切力以及碟形彈簧組的受力分析與校核等方面進行分析。

2.1 剪切原理

鞍鋼冷軋廠三分廠聯合機組使用的雙切剪為斜刀片布置結構，見圖3，從圖中可以看出，由液壓缸驅動上剪刃裝置往復運動。隨著剪刃的下降剪切，該液壓缸作用的剪切力也逐漸加大，在剪切過程中剪切力保持恒定。

圖3 斜刀片布置結構示意圖

2.2 剪斷帶鋼所需剪切力的計算

帶鋼剪切力P由以下三部分組成［1］

式中,P1為純剪切力；P2為帶鋼被剪掉部分的彎曲抗力；P3為帶鋼在剪切區域內的彎曲抗力。在此區域內由于上剪刃的壓力使金屬形成局部碗形彎曲。

由于剪刃在剪切過程中的主要受力因素是純剪切力，因此重點對純剪切力P1進行計算，其它兩種剪切抗力P2、P3用 B.B諾沙里（Hocalb）的建議進行估算。

式中,α為上剪刃的傾斜角度，值為2°；σb為被剪帶鋼的強度極限，取現場實際剪材，值為980 MPa；δs為被剪帶鋼的延伸率，根據強度980 MPa查資料［2］,δs為 9%；h為帶鋼厚度，6 mm。

總剪切力的計算，考慮P2、P3后得：

式中，Kd為考慮剪刃磨鈍的影響系數，取值范圍1.1～1.3， 一般取 1.2；σb為帶材抗拉強度，MPa，以40Cr為例，取 980 MPa；δs為斷后延伸率，以 40Cr為例，取9%；α為上剪刃的傾角，2°；h為帶鋼的厚度，6 mm；P為剪切力，KN；X為壓板相對距離，即為壓板中心離下剪刃側邊緣距離C與鋼板厚度h的比值，現場C=330 mm，帶鋼厚度為6 mm，因此X=55；Y為剪刃相對側間隙，即為剪刃側間隙與帶鋼厚度的比值，根據標準及電氣設定值，取0.1；Z與被剪掉部分的鋼板寬度d、帶鋼材料延伸率δs以及剪刃傾斜角α有關，取最大值0.95。

解得P=171 kN。

下剪刃軸向力T的計算：

由于上剪刃為2°傾角，所以下剪刃軸向力T=Psin2=5.97 kN。

2.3 碟形彈簧組的受力分析與校核

圖4為初始設計時圖紙中的碟形彈簧組，共計由8片碟簧組成，自由長度為25.2 mm，最大壓縮量為7.2 mm。

從圖1剪刃鎖緊裝置的剖視圖中可以看出碟簧的剩余壓縮量為25.2-22.9=2.3 mm，理論壓縮量為7.2-2.3=4.9 mm。由于該碟簧組按照GB/T1972-1992碟簧A型2級精度要求設計。根據軸向力5.97 kN時，所需要的鎖緊力F鎖為：

式中,μ為鋼與鋼靜摩擦系數，取0.15；F鎖為鎖緊拉桿產生的鎖緊力；F軸為剪刃在剪切過程中產生的軸向力，5.97 kN。

現在對8個碟簧對合時在4.9 mm變形量時進行校核［2］：

A系列D=40 mm碟簧的計算，采用對合組合碟形彈簧組

式中,D為彈簧外徑 mm；d為彈簧內徑 mm；C為彈簧外徑與內徑的比值。

驗證彈簧力公式如下：

式中，t為蝶簧厚度,mm；h0為無支承面碟簧壓平時變形量,從機械零件設計手冊［2］查得h0為0.9mm；Fc為碟簧壓平時載荷,N;E為彈性模量,MPa，彈簧鋼取E=2.06×105MPa；μ為泊松比，彈簧鋼取μ=0.3；從機械零件設計手冊［2］表25-21查得K1=0.686，無支承面，K4=1。（K1和K4為計算系數）

當剪刃鎖緊拉桿里面的彈性碟形組出現疲勞失效，碟形彈簧變形量雖然達到4.9 mm，但是碟形彈簧產生的鎖緊力達不到6.63 kN，無法克服5.97 kN的軸向力時，剪刃在剪切過程中將會發生軸向竄動。

3 改進措施及效果

3.1 改進措施

為了解決現場雙切剪下剪刃軸向頻繁竄出的問題，研究設計了一種剪刃軸向定位裝置。該裝置見圖5，為了最大限度地降低裝置重量，使用100槽鋼作為定位板，在定位板上部的側面焊接2個用Φ10圓鋼制成的掛鉤，把定位板懸掛在雙切剪機架本身的軸上。為了保證有效地限制剪刃軸向竄動，在定位板下部開設有一個孔，開孔內焊接一個M20螺母，雙頭螺柱與螺母M20連接傳動，雙頭螺柱的一端螺紋頂在剪刃座上。為防止雙頭螺桿竄動，在定位板焊接螺母的外側增加一個M20背帽，雙頭螺桿的外端還焊接一個拆卸螺母，方便拆卸。該裝置結構簡單，制造容易，拆卸方便，成本低。

設計依據查詢機械零件設計手冊［2］，M20螺母在8.8級時為147 kN＞6.63 kN,使用M20的螺栓和螺紋是安全可靠的。

圖5 剪刃軸向定位裝置

3.2 應用效果

該雙切剪剪刃軸向定位裝置（圖6）依靠設備本體上的兩個銷軸進行固定，通過雙頭螺柱可以任意調節剪刃軸向定位距離，采用了螺紋摩擦鎖緊的方法，解決了雙切剪下剪刃在使用過程中頻繁向外竄出而導致帶鋼剪不斷問題，同時也提高了生產操作人員剪刃安裝速度。該裝置應用于冷軋廠聯合機組酸洗雙切剪下剪刃軸向定位，達到減少維修工作量，提高了機組作業效率，保證生產順利運行的效果。

圖6 定位裝置現場應用

4 結語

通過剪刃軸向定位裝置在現場實際應用，雙切剪下剪刃再也沒有出現軸向竄出而影響生產的情況發生。同時，該裝置在冷軋廠其他相同產線也得到廣泛地應用。

［1］鄒家祥.軋鋼機械（修訂版）［M］.北京：冶金工業出版社，1988.

［2］蔡春源.機械零件設計手冊（第三版）上冊［M］.北京：冶金工業出版社,2014.