基于正交試驗的850噸冷剪機剪切失效機理分析及其優化設計

祁瑁富 孫遠韜 田春雷 馮嘉琪

摘要：

以減小850噸冷剪機剪切力為研究目的，從冷剪機剪切機理及特點出發，采用正交試驗法分析剪切間隙、剪刃傾角、剪切速度、剪刃刀面寬度及剪刃重疊量等參數對剪切力的影響，分別以方差、極差及顯著性作為影響因素的指標，并對其進行優先級排序，進而優化剪切參數，減小剪切力。優化剪切參數前后的冷剪機現場試驗表明，優化前后冷剪機剪切力的實測值與仿真值誤差均在5%以內，仿真結果可靠。采用優化后的剪切參數，冷剪機剪切相同規格鋼筋時，上剪刃最大剪切力減小了5.84 kN，減小約13%，下剪刃最大剪切力減小了4.77 kN，減小約9.7%。經車間反饋，使用優化后的剪切參數可大幅延長冷剪機剪刃崩刃和磨損的周期，增長剪刃壽命和提高剪切效率。該研究對提高設備經濟性和生產效率具有重要意義，可應用于同類型冷剪機的工程設計。

關鍵詞：冷剪機；剪切力；正交試驗；剪切參數；剪刃壽命

中圖分類號：TB24

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Shear Failure Mechanism Analysis and Optimum Design of 850 Ton Cold

Shear Based on Orthogonal Test

QI Maofu1? SUN Yuantao2? TIAN Chunlei1? FENG Jiaqi3

1.Chengxi Shipyard Co.，Ltd.，Jiangyin，Jiangsu，214400

2.School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai，201804

3.School of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao，

Liaoning，125000

Abstract： In order to reduce the shear force of 850 ton cold shears， the shearing mechanism and characteristics of the cold shear were studied， the effects of shear parameters such as shear clearance， blade inclination， shear velocity， blade width and blade overlap on shear force were analyzed by orthogonal test. Variance， range and significance were used as the indexes of influencing factors， and the priority of them were given to optimize the shear parameters and reduce the shear force. The experimental verification of the cold shear before and after the optimization of shear parameters were carried out in the workshops which show that the errors between the measured and simulated values of the shear force of the cold shear before and after optimization were within 5%， which verifies the reliability of the simulation analysis. By setting the optimal shear parameters and shearing the same steel bar， the maximum shear force of the upper shear blade is reduced by 5.84 kN， about 13%. The maximum shear force of the lower shear blade is reduced by 4.77 kN， about 9.7%. Feedbacks from workshops show that the optimization greatly prolongs the period of blade broken and blunt and improves the blade life and shearing efficiency. The results are of great significance for improving the economy and production efficiency of the equipment， and may be applied to the engineering design of the same type of cold shears.

Key words：cold shear； shear force； orthogonal test； shear parameter； blade life

收稿日期：20230827

0? 引言

隨著中國鋼鐵產業的進步和國內基礎設施規模逐步擴大，以特種鋼鐵為代表的高強度鋼正迅猛發展［1］。然而，高強度特種鋼材的不斷發展，造成鋼材加工難度日益飆升，對成形鋼材剪切機工作能耗、工作效率等提出更高要求。

目前流行的鋼材剪切設備的性能已不能滿足生產需要，需對其進行深入研究，以實現更低的能耗和更高的效率［2］。例如，850噸冷剪機被廣泛應用于建筑、冶金、船舶等鋼材加工領域，并主要對生產線上的棒材等工件進行切頭、切尾、定尺剪裁等加工，以滿足后續產品的規格要求，在軋制工藝中起著重要作用［3-4］。由于生產過程中冷剪機工作載荷較大，故常出現剪刃崩刃和磨鈍過快的現象，嚴重影響剪刃壽命和剪切效率。因此，無論從促進冷剪機更新升級的角度，還是從經濟性的角度，深入研究優化剪切參數、減小冷剪機剪切力以延長剪刃壽命，都具有重要意義。

目前，對剪切機的研究主要停留在剪切過程和個別剪切參數對剪切力影響等方面。文獻［5］基于有限元法仿真剪切機剪切銅板過程，獲取了銅板剪切力變化規律，通過對比實測剪切力的值，驗證了仿真的準確性。文獻［6］深入研究了鋼筋剪切過程，發現剪切機剪切力隨剪切速度的提高而減小，可通過提高剪切速度、減小剪切力來延長剪刃使用壽命。文獻［7］基于圓盤剪切機現場剪切實驗發現，剪切間隙是剪刃壽命的主要影響因素，通過優化剪切間隙和其他因素，將剪刃壽命延長了27%。文獻［8］基于有限元法和實驗法研究發現，鋼筋剪切機的剪切力隨著剪刃傾角的增大而減小，優化剪刃傾角可改善剪刃受力情況，為剪切機設計提供理論依據。文獻［9］基于切邊剪剪切機理和材料斷裂理論發現，重疊量也是影響剪刃壽命的主要因素之一，通過選用小重疊量來改善剪切質量和剪刃壽命。

科研人員不斷深入研究影響剪切機剪刃的失效因素，但研究方法較為單一，缺乏系統性的研究分析。本文采用正交試驗法全面研究影響剪刃失效的影響因素，基于有限元仿真優化和現場實驗對比的方法，探究最優的剪切參數，從而延長剪刃壽命。

1? 冷剪機剪切機理及其剪切力性能分析

1.1? 冷剪機剪切機理

圖1所示為一種廣泛應用于鋼筋剪切且結合傳動系統、剪切機構、離合機構、平衡裝置和機架等部件為一身的冷剪機，它的優點在于可以進行快速換刀。機架下面裝有下刀臺，為了方便運行，在與機架接觸的部位安裝滑板，利用剪切機中夾緊油缸在機架上固定下刀臺位置。上刀臺包含上刀臺和上刀臺連桿墊塊，換刀時可將上刀臺和下刀臺同時取出。由于壓緊油缸可固定刀臺位置，因此換刀方便。

圖2和圖3所示分別為冷剪機傳動系統和剪切原理，傳動機構由曲柄連桿機構組成。當冷剪機進行剪切工作時，電機驅動曲柄旋轉，在曲柄驅動作用下，上剪刃以勻速狀態沿豎直方向對鋼筋進行剪切，下剪刃固定不動，直至切斷鋼筋。冷剪機通過與驅動電機相連接的調速器來調節電機轉速，從而改變曲柄的旋轉速度，實現剪切速度的控制。

1.2? 冷剪機工作過程

1.2.1? 切入階段

圖4所示為850噸冷剪機剪切螺紋鋼筋時剪刃受力情況，鋼筋剪切斷面所受剪切力小于自身抗剪能力，鋼筋的剪切區域只出現局部壓縮現象，此時為切入階段，隨著剪切繼續進行，下剪刃與上剪刃對被剪鋼筋形成作用力P和力矩T1=Pa；上剪刃和下剪刃側面會對鋼筋形成力T和力矩T2=Tc。鋼筋轉動角逐漸增大，直到T1和T2平衡時停止轉動，此時

Pa=Tc（1）

假設剪刃與金屬在bx和0.5zx的接觸面（圖4）上的單位壓力是均勻分布且相等的，則有

Pbx=T0.5zx（2）

式中，x為鋼筋切入寬度，m；b為斷面寬度，m；z為剪刃切入深度，m。

由式（2）可知

T=P0.5zb=Ptan γ（3）

由圖4的幾何關系可知

ab=0.5ztan γ（4）

c=hcos γ-0.5z（5）

將式（3）～式（5）代入式（1），可得剪刃轉角γ與切入深度z的關系如下：

tan γ=z2h（6）

式中，h為截面高度，m。

由式（6）可知，剪刃切入深度z越大，轉動角度γ就越大，側向推力T就越大。

在剪刃切入階段，剪切力計算如下：

P=pbx=px0.5ztan γ（7）

式中，p為單位壓力，Pa。

將式（6）代入式（7）可得

P=px0.5zh（8）

以ε表示相對切入深度，則

ε=zh（9）

將式（9）代入式（8）可得

P=pxh0.5ε（10）

1.2.2? 滑移階段

剪切繼續進行，鋼筋進入塑性滑移階段，該階段剪切力由下式計算：

P=τb（hcos γ-z）（11）

式中，τ為單位剪切阻力，Pa。

P與相對切入深度ε的關系如圖5所示，由式（10）可知，在剪切初期階段，剪切力P與相對切入深度ε幾乎成正比關系。在整個剪切過程中，單位剪切阻力τ隨相對切入深度ε的增大而減小，又結合式（11）可知，鋼筋進入滑移階段后，剪切力P隨著相對切入深度ε的增大而減小，直至鋼筋斷裂后，剪切力為零。

1.3? 冷剪機剪切力計算

850噸冷剪機在剪切螺紋鋼筋時，其最大剪切力為［10］

Pmax=0.6K1Aσb（12）

其中，A為鋼筋截面面積，mm2；σb為鋼筋強度極限，MPa。K1根據剪切機的剪切能力進行選?。簩τ谛⌒图羟袡C（P<1.6 MN），K=1.3；對于中型剪切機（P=2.5～8.0 MN），K=1.2；對于大型剪切機（P>10 MN），K=1.1。

2? 冷剪機剪切過程仿真分析

2.1? 冷剪機剪刃失效形式

某廠加工車間850噸冷剪機由于工作載荷較大，出現較為嚴重的剪刃失效現象，如圖6所示。

因該冷剪機剪切的HRB400螺紋鋼筋直徑為12 mm，材料強度極限為570 MPa，且該850噸冷剪機屬于中型剪切機，故選取K=1.2，其最大剪切力為

Pmax=0.6×1.2×π×122×5704≈46.4 kN

2.2? 建立剪切模型

冷剪機剪切鋼筋過程建模主要包括上剪刃、鋼筋和下剪刃三個部分，該廠加工車間的850噸冷剪機為平行刃剪切機，且剪刃與刃口所在平面有一定夾角，建立鋼筋剪切模型如圖7所示。其中剪刃材料為H13鋼，鋼筋材料為HRB400，具體參數如表1所示。該冷剪機現場實際應用的剪切參數如表2所示。

在ANSYS LS-DYNA中完成冷剪機剪切模型的單元類型選擇、材料設定、約束、接觸、載荷以及初始條件施加后，控制其仿真時間和輸出文件的類型，設置完成后進行求解。

2.3? 有限元分析結果

冷剪機上下剪刃剪切力曲線如圖8所示，上剪刃最大剪切力為48.6 kN，下剪刃最大剪切力為52 kN。由上述理論計算可知，上剪刃最大剪切力的理論值為46.4 kN，仿真值與理論值誤差僅4.7%，說明仿真結果可信。

3? 基于正交試驗的影響因素優化分析

基于前人研究結果和冷剪機實際剪切經驗可知，造成冷剪機剪刃失效的因素主要有剪切間隙、剪切速度、剪刃傾角、剪刃重疊量和剪刃刀面寬度，且各影響因素數值的微小變化均對剪切力影響較大，因此，本文采用正交試驗法系統研究影響剪刃失效的5種因素，通過對其進行優化分析來延長剪刃壽命。

3.1? 試驗因素和試驗水平

在正交試驗中，基于正交表制定與冷剪機剪切力相關的5個影響因素。因為各影響因素數值變化對剪切力影響較大，故以保證設備操作安全性為前提，每個影響因素就近設5個水平，具體如表3所示。

根據五因素五水平，選用L25（56）正交表，空余列F作為誤差列，以上下剪刃剪切力作為試驗指標，則正交試驗設計和試驗指標的仿真結果如表4所示。

由上述正交試驗表直觀分析可知，上下剪刃受剪切力均較小的較優剪切參數方案為A3B2C4D1E3和A3B3C5D2E4。當剪切參數為A3B2C4D1E3時，上剪刃受剪切力為43.1 kN，下剪刃受剪切力為47.5 kN。當剪切參數為A3B3C5D2E4時，上剪刃受剪切力為43.9 kN，下剪刃受剪切力為47.3 kN。

3.2? 正交試驗結果的極差分析

對上述影響因素的正交試驗結果進行極差分析，極差數值越大，則該因素對試驗結果影響越大［11］。冷剪機上下剪刃剪切力的極差分析結果如表5與表6所示。其中Ki（因素指標，i=1，2，3，4，5）為表4中任一列因素的水平號為j時所對應的試驗結果之和；ki為因素指標平均值，ki=Ki/s，s為任一因素列上各水平號的出現次數；R為因素極差值，R=max（k1，k2，k3，k4，k5）-min（k1，k2，k3，k4，k5）。

為直觀地反映各試驗因素對試驗指標的影響趨勢，將各試驗因素水平設為橫坐標，試驗因素指標平均值設為縱坐標，得到各個試驗因素與試驗指標的對應關系，如圖9所示。

由表5和圖9可知，冷剪機剪切鋼筋過程中，上剪刃剪切力與各因素水平的極差大小順序為：A>C>B>D>E，則對上剪刃剪切力的影響順序由大到小為：剪切間隙、剪切速度、剪刃傾角、剪刃刀面寬度和剪刃重疊量。又因冷剪機剪切時，剪刃剪切力越小越好，因此上剪刃剪切力的最優方案為A3B2C4D1E5。

與上述方法相同，得到下剪刃各個試驗因素與試驗指標的對應關系如圖10所示。

由表6和圖10可知，下剪刃剪切力與各因素水平的極差大小順序為：A>B>C>D>E，則對下剪刃剪切力的影響順序由大到小為：剪切間隙、剪刃傾角、剪切速度、剪刃刀面寬度和剪刃重疊量。剪切時剪刃剪切力越小越好，因此下剪刃剪切力的最優方案為A3B2C5D1E1。

3.3? 正交試驗結果的方差分析

基于以上數據，對冷剪機上下剪刃剪切力進行方差分析，結果如表7和表8所示。

由表7上剪刃剪切力的方差分析可知，剪切間隙、剪刃傾角和剪切速度對上剪刃剪切力有顯著性影響，優化時應重點考慮。由表8下剪刃剪切力的方差分析可知，剪切間隙和剪刃傾角對下剪刃剪切力有顯著性影響，優化時應重點考慮。

4? 850噸冷剪機的剪切試驗

由正文試驗指標結果的極差分析及方差分析得出，因素A、B、C 對上剪刃剪切力有顯著性影響，因素 A、B對下剪刃剪切力有顯著性影響，且剪切過程中，使上剪刃受剪切力最小的剪切參數為A3B2C4D1E5，使下剪刃受剪切力最小的剪切參數為A3B2C5D1E1。

基于正交試驗直觀分析，上下剪刃受剪切力均較小的較優剪切參數方案為A3B2C4D1E3和A3B3C5D2E4。綜合考慮上下剪刃受剪切力情況，為獲取使得上下剪刃受剪切力均最小的最優剪切參數，對初始剪切參數和上述4組剪切參數分別進行現場剪切試驗。

試驗所用冷剪機為某企業加工車間的850噸冷剪機。將電阻應變片貼在冷剪機剪刃上，剪切時電阻應變片的變形和剪刃上的變形一致，隨后電阻應變片將變形轉換為電阻變化，再基于電橋轉換成電壓信號，最后通過計算得出剪切鋼筋時上下剪刃的最大剪切力。進行剪切試驗時，冷剪機的剪切參數設定如表9所示。

加工車間剪切試驗用冷剪機如圖11所示。

表10所示為冷剪機剪切相同規格鋼筋時，剪切力實測值和仿真值對比，其中，實測數據是相同剪切參數下5次剪切試驗的平均值。

由表10可知，冷剪機剪切鋼筋的剪切力實測值均大于仿真結果，這是由于冷剪機剪切時會受到剪刃振動、鋼筋變形和其他現場因素等原因的影響。剪切試驗中剪切力的實測值與仿真值誤差均在5%以內，證明了仿真優化設計的可靠性。

當剪切參數為A3B2C4D1E3（12組）和A3B2C4D1E5時，冷剪機兩組參數下上下剪刃受剪切力極其接近，這是由于因素E對上下剪刃剪切力均無顯著性影響的原因。應用剪切參數A3B2C5D1E1進行現場剪切，由于因素C僅對上剪刃剪切力有顯著性影響，因此與A3B2C4D1E3相比時，其下剪刃受剪切力相近，但上剪刃受剪切力較大。當應用剪切參數A3B3C5D2E4（13組）進行現場剪切時，因為因素B對上下剪刃均有顯著性影響，而因素C僅對上剪刃剪切力有顯著性影響，因此與A3B2C4D1E3相比時，雖下剪刃受剪切力相差不大，但上剪刃受剪切力相差顯著。以上與顯著性分析結果也是相互驗證的。對比剪切試驗結果，當剪切參數為A3B2C4D1E3時，上下剪刃受剪切力均為最小，因此該組合為冷剪機的最優剪切參數組合。此時與應用初始剪切參數相比，上剪刃最大剪切力減小了5.84 kN，改善約13%。下剪刃最大剪切力減小了4.77 kN，改善約9.7%。

上述實驗驗證了用正交試驗分析法獲取最優解的可行性及其原因，本文也基于該方法確定了核心控制影響因素及水平，提高了冷剪機剪切參數的優化效率和實際施工的可靠性。將最優剪切參數應用于生產后，經車間反饋，該優化參數的應用大幅延長了冷剪機剪刃崩刃和磨損的周期，增長了剪刃壽命，提高了剪切效率，優化效果顯著，該研究對850噸冷剪機剪切參數的選取具有一定指導意義。

5? 結論

（1）基于正交試驗直觀法確定上下剪刃受剪切力較優方案為A3B2C4D1E3和A3B3C5D2E4，再通過正交試驗極差法確定上剪刃剪切力的最優方案為A3B2C4D1E5，下剪刃剪切力的最優方案為A3B2C5D1E1，而后通過方差法確定剪切間隙、剪切速度和剪刃傾角對上剪刃剪切力有著顯著性影響，剪切間隙、剪切傾角對下剪刃剪切力有著顯著性影響。

（2）對上述方案進行剪切試驗，基于試驗結果可知，對上下剪刃有顯著性影響的因素對其剪刃的剪切力有顯著效應，驗證了方差法的可靠性。通過對比試驗結果，確定最優剪切參數組合為A3B2C4D1E3，即剪切間隙為0.5 mm、剪刃傾角為6°、剪切速度為57 mm/s、剪刃重疊量為3 mm、剪刃刀面寬度為3 mm?；趦灮羟袇档纳舷录羧屑羟辛Υ蠓纳?，顯著地延長了冷剪機剪刃崩刃和磨損的周期，增長了剪刃壽命，提高了剪切效率，優化效果顯著。

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（編輯? 袁興玲）

作者簡介：

祁瑁富，男，1993年生，碩士研究生。研究方向為機械設備數值模擬與仿真分析。E-mail：448517153@qq.com。

孫遠韜（通信作者），男，1979年生，副教授、博士研究生導師。研究方向為結構故障診斷與可靠性。E-mail：sun1979@sina.com。