圓盤剪極限與持續切邊能力評估技術的研究

何偉剛，崔衛華，劉 軍，余 濤，賈海亮

(1.鞍鋼集團本鋼集團板材冷軋總廠，遼寧 本溪 117000；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；3.華菱安賽樂米塔爾汽車板有限公司，湖南 婁底417000)

0 前言

圓盤剪以及配套設備安裝在連退機組生產線的出口段，主要用于對帶鋼寬度控制或者對帶鋼邊部進行剪切以獲得高質量板帶，對帶鋼邊部板形質量的控制、機組的順利生產有著重要作用[1-6]。圓盤剪的剪切能力與持續切邊能力主要與剪切力、剪切功率以及刀片的磨損程度有關，圓盤剪的剪切力以及剪切功率決定著機組能夠加工的帶材厚度范圍，圓盤剪刀刃的磨損程度則代表著圓盤剪能夠持續工作的時長。國內外學者針對圓盤剪剪切過程中出現的問題展開了諸多研究。冀俊杰等[7]利用軟件對圓盤剪剪切廢邊的運動軌跡進行了仿真模擬。曾軍等[8]對不同間隙量和鋒利度的圓盤刀刃磨損進行了仿真分析，針對工藝參數對刃口磨損深度和分布的影響進行了對比并建立了圓盤刀磨損模型。李學兵[9]分析了圓盤剪刀刃側間隙及重疊量在滾剪剪切過程中對剪切質量的影響。通過對文獻的分析可知當前的研究內容對于圓盤剪切過程、刀刃磨損的研究較多，但是沒有進一步對圓盤剪極限剪切能力以及持續切邊能力進行研究，因此圓盤剪時常由于超負荷工作或者持續工作時間過長導致帶鋼邊部剪切質量變差，嚴重影響了機組的生產效率[10-11]，因此對于圓盤剪極限能力與持續切邊能力的評估成為重要的研究內容。

1 圓盤剪極限與持續切邊能力評估模型的開發

圓盤剪能否順利剪切帶鋼主要與剪切力以及剪切功率有關，圓盤剪的持續切邊能力則主要與刀刃磨損量相關，當刀刃磨損量達到一定程度后，圓盤剪剪切帶鋼的效率就會降低，可能會導致粘邊、剪不斷或者刀刃崩斷的事故發生[12-15]。

現以圓盤剪電機額定功率、帶鋼剪切所需要的極限剪切力以及刀刃所允許的最大磨損深度為限制條件建立圓盤剪極限與持續切邊能力評估模型。即：

(1)

式中，Pmax為圓盤剪設備的許用剪切力，P為圓盤剪剪切帶鋼時的剪切力，wmax為圓盤剪刀片許用磨損量，w為刀片剪切時的磨損量，Nmax為圓盤剪的電機許用功率，N為圓盤剪剪切帶鋼時的功率。

其中，圓盤剪的許用剪切力、刀片許用磨損量以及電機許用功率為設備參數，而剪切帶鋼所需剪切力、刀片剪切時的磨損量以及剪切功率可根據相關模型進行求解。

2 圓盤剪刀刃磨損以及剪切長度模型

在圓盤剪剪切帶鋼的過程中，刀刃或多或少都會產生磨損量，輕微磨損可能會導致剪切困難、剪切力增大，重度磨損可能會導致剪不斷、粘邊等板形缺陷。在圓盤剪剪切帶鋼的過程中把一卷帶鋼的剪切看作是一次剪切，圓盤剪剪切不同鋼種的帶鋼的磨損量是不同的，另外，圓盤剪刀刃的磨損程度還與剪切的公里數、刀刃的原始磨損程度相關。根據剪切動力學與刀刃磨損量的幾何關系可知[16]，刀刃磨損模型可用式(2)表示。

(2)

式中，wi為第i次剪切時刀刃的橫向磨損深度，ξ為與材料特性相關的常數，Ti為帶鋼的抗拉強度，d為剪切速度，b為帶鋼強度影響指數，α為剪切速度影響指數，β為刀刃的角度，H為刀片與水平線角度，為刀刃初始硬度(HRC)。

通過上述模型就可以根據帶鋼規格、帶鋼性能以及其他一些相關參數對帶鋼的磨損深度進行計算，通過現場跟蹤確定刀刃所允許的最大磨損深度后就可以根據計算結果預估刀片的剪切公里數，防止刀片使用后期出現剪不斷、刀刃崩斷等現象的發生，帶鋼長度計算模型為

(3)

式中，n為圓盤剪剪切帶鋼的次數，Vi為圓盤剪剪切速度，ti圓盤剪剪切時間。

3 圓盤剪剪切力以及剪切功率模型

如圖1所示為圓盤剪剪切帶鋼時的設備結構示意圖，根據剪切示意圖以及實際剪切狀況可知圓盤剪刀片的直徑遠大于帶鋼厚度，因此可將圓盤剪的剪切過程簡化為斜刀剪切過程。如圖2所示，上下圓盤剪刀刃的剪切軌跡可看作斜線段AB和CD，則根據相關文獻的斜刀刃剪切理論[17]，圓盤剪的剪切力的計算式為

圖1 圓盤剪的結構

P=P1+P2+P3

(4)

式中，P1為剪切力，P2為帶鋼被剪掉部分的彎曲力，P3為帶鋼在剪切區域內的彎曲力。

圖2 圓盤剪的剪切軌跡

隨著剪切設備使用時間的增長，圓盤剪刀片的橫向磨損量會逐漸變大從而導致刀片厚度變薄，而刀片厚度的改變會導致刀片之間的間隙量Δd發生改變[18-19]，如圖3所示為圓盤剪刀片之間的間隙量示意圖，結合刀刃的橫向磨損深度計算模型，可將實際間隙量表示為

Δdi=Δd+2ηwi

(5)

式中，Δdi為上下刀片的實際間隙量，Δd為間隙量設定值，η為刀刃橫向磨損深度對間隙量的影響系數。

圖3 間隙量示意圖

同時，間隙量的變化還會對帶鋼被剪掉部分的彎曲力P2、帶鋼在剪切區域內的彎曲力P3產生影響。考慮到刀刃鈍化的影響，并根據諾沙里建議，剪切力的最終表達式可用式(6)表示。

(6)

式中，k為刀刃磨損影響系數，h為帶鋼厚度，aqx為刀刃的傾斜角，C為轉換系數，σb為帶鋼的抗拉強度，δ為帶鋼的斷裂延伸率。

在已知圓盤剪剪切力計算模型的基礎上，根據剪切功率計算的相關理論[20]，驅動圓盤剪的總功率可用式(7)表示。

(7)

式中，μ1為刀片與帶鋼之間的摩擦系數，v為圓盤剪的剪切速度，η為傳動系統效率，D為刀片直徑，P為總剪切力，α為刀刃傾斜角，n為刀片對數，d為刀片軸的直徑，μ為刀片軸承處的摩擦系數。

如圖4所示為圓盤剪極限與持續切邊能力評估流程圖，通過收集剪切設備參數以及剪切工藝參數就可以對刀刃磨損量、剪切力以及剪切功率進行計算，結合計算結果以及圓盤剪設備的許用參數就可以對圓盤剪剪切的帶鋼極限規格以及持續切邊能力做出提前預估，以減小圓盤剪剪切帶鋼時發生剪切故障的幾率。

圖4 圓盤剪極限與持續切邊能力評估流程圖

4 評估技術的應用

為了便于對圓盤剪極限與持續切邊能力評估技術的可視化研究與分析，保證圓盤剪剪切設備順利工作，考慮到現場圓盤剪剪切設備的結構特點以及剪切工藝特點，根據上文所述模型，基于C++語言編制了離線軟件“圓盤剪極限與持續切邊能力評估軟件”，該軟件可對圓盤剪剪切的帶材極限厚度、刀刃最大磨損深度以及剪切的帶鋼公里數進行預估，為機組的全面規格拓展奠定了基礎。

現利用評估軟件與相關設備參數對圓盤剪的剪切能力以及持續切邊能力進行評估，特選擇軟鋼鋼種1與鋼種2以及硬鋼鋼種3與鋼種4進行剪切力、剪切功率與刀刃磨損深度的計算與分析。

根據相關的設備參數以及帶鋼參數計算軟鋼鋼種1與鋼種2以及硬鋼鋼種3與鋼種4的剪切力，如圖5與圖6所示為鋼種1與鋼種2以及鋼種3與鋼種4在厚度為0.3～2.5 mm范圍內的剪切力曲線圖，由圖可見在厚度范圍內鋼種1的最大剪切力為193.95 kN，鋼種2的最大剪切力為348.35 kN，鋼種3的最大的剪切力為339.31 kN，鋼種4的最大剪切力為396.86 kN。

圖5 鋼種1與鋼種2的剪切力

圖6 鋼種3與鋼種4的剪切力

根據相關參數計算鋼種1、鋼種2與鋼種3、鋼種4的剪切功率。圖7與圖8所示為厚度在0.3～2.5 mm范圍內的剪切功率曲線圖，鋼種1的最大剪切功率為50.74 kW，鋼種2的最大剪切功率為91.14 kW，鋼種3的最大剪切功率為88.78 kW，鋼種4的最大剪切功率為103.83 kW。

圖7 鋼種1與鋼種2的剪切功率

圖8 鋼種3與鋼種4的剪切功率

根據相關的設備參數以及帶鋼參數計算圓盤剪剪切鋼種1與鋼種2以及鋼種3與鋼種4的刀刃磨損深度曲線如圖9與圖10所示。從圖可以看出圓盤剪刀刃前期磨損比較快，后期的磨損量逐漸趨于平穩，從圖可看出圓盤剪的刀刃磨損曲線跟剪切的帶鋼強度以及公里數是成正比的。

圖9 鋼種1與鋼種2的磨損深度

圖10 鋼種3與鋼種4的磨損深度

綜上所述，從帶鋼剪切力曲線、剪切功率曲線可以知曉某種帶鋼剪切時的剪切力以及剪切功率數據，從圓盤剪刀刃磨損曲線可知圓盤剪剪切某種帶鋼時剪切公里數以及磨損深度之間的關系。根據圓盤剪的實際剪切工況確定刀刃的極限剪切力以及刀刃允許磨損深度就可以確定圓盤剪能夠加工的帶鋼極限厚度以及使用的時長，以此可完成圓盤剪極限與持續切邊能力的評估，將評估技術應用到國內某鋼廠的連退機組后，相比于原來其圓盤剪的刀刃崩斷率下降了近90%，剪不斷以及粘邊現象大幅減少，連退機組因圓盤剪發生故障而停機的幾率基本消失，極大地提高了連退機組的生產效益。

5 結論

本文對圓盤剪極限與持續切邊能力進行了研究，解決了圓盤剪刀刃崩斷、剪不斷等剪切缺陷，在實際應用中提高了機組的生產效益。

(1)在對圓盤剪剪切原理以及剪切過程簡化分析的基礎上，對圓盤剪剪切力模型、剪切功率模型以及刀刃磨損模型做出了改進與建立。

(2)針對圓盤剪剪切過程中發生的剪不斷、粘邊以及刀刃崩斷等問題，在以往模型的基礎上建立了圓盤架極限與持續切邊能力評估模型。

(3)利用現場相關設備參數以及帶鋼參數對軟鋼鋼種1與鋼種2以及硬鋼鋼種3與鋼種4的剪切力、剪切功率以及刀刃磨損深度進行了定量分析。