双动液压横切剪强度分析以及结构设计—毕业设计论文.doc

本科学生毕业设计（论文）双动液压横切剪强度分析以及结构设计学 生：学 号：指导教师： 专 业：机械设计制造及其自动化摘 要双动液压横切剪是某热轧带钢厂精整线上剪切钢板的重要设备。现如今该厂想要开发生产b=1000mpa高强度系列厚度规格的钢板，为了确定该横切剪机床是否能承受剪切这类高强度钢板时产生的应力，这篇论文针对它的承载能力进行了理论分析计算。首先，在进行测试之后，根据数据验证了计算横切剪得平均剪应力可以运用b.b.诺沙里公式，考虑到冲击力放大系数的影响，经过计算，得出了该横切剪机在剪切b=1000mpa高强度钢板的最大厚度是21mm。接下来，根据这台剪切机床的机构运动特点，对这台机器进行机构分析，并用cad软件画出该机床的装配图，关键零件图，其中手画零号图一张，两张cad零号图，这样，能对这台剪板机的机构以及运行特点的理解有很大的帮助，并且为后面的理论分析计算打下了良好的基础。最后，通过有限元软件ansys13.0对关键部位的零件进行分析，确保此零件的受力变形在允许的范围之内，从而确保机床能平稳运行，并且能为设备的检修提供帮助。关键词：横切剪，剪切应力，有限元abstractdouble acting hydraulic crosscut-cut is a hot-rolled steel online shear vital equipment of the factory. nowadays, the factory want to develop and product 1000mpa high strength series of steel.to determine whether the crosscut shear machine can afford this kind of high strength steel shear stress, when producting the steel. its bearing capacity calculation were analyzed in theory in this paper. first, the tests verified according to the data, the average cuting force can be calculated by b.b. ruoshaly. considering the influence of impact amplification coefficient.through the calculation, we obtain the date of crosscut shear machine in shearing 1000mpa high strength steel plate is at most 21mm. next, according to the motion characteristics of this shear machine,analyse the machine mechanism , and draw the key parts of the machine by cad software, , including size zero figure by hand, two size zero pictures by cad. so it is of great help for understanding of the characteristics of the operation, and lays a good foundation for the theoretic analytical calculation. finally, through the analysis of the key mechanism by ansys13.0, we can make the force in permitted range, thus ensure the machines can smooth operation and provide help for equipment maintenance. key words： crosscut scissors, shear stress, finite element 目 录中文摘要abstract1绪论1 1.1 国内外发展概况以及发展趋势1 1.1.1飞剪的基本要求和工作类型1 1.1.2 飞剪技术的发展1 1.2 课题研究背景意义2 1.3课题研究方法的概述31.3.1运动学与动力学的分析方法简介31.3.2强度分析方法简介41.4课题研究内容和技术路线.52双动液压横切剪机的设计.7 2.1 机械结构.7 2.2确定驱动方式10 2.3确定剪板机的剪刃11 2.4剪板机的设定参数 13 2.4.1剪刃行程的确定13 2.4.2剪刃尺寸的确定13 2.4.3剪刃斜角 14 2.4.4剪切次数 14 2.4.5剪切力的计算 14 2.5液压系统设计 16 2.5.1液压系统原理 16 2.5.2系统参数计算 163关键零件的有限元分析 194 总结 27参考文献 281 绪论横切剪技术广泛被应用在连续的轧机的生产线、横切机组等，钢厂里面可少的关键设备。在别的行业，横切剪机床也受到相当多欢迎，并且应用很广，比如说冶金行业，横切剪机就很受追捧。1.1国内外研究概况以及发展趋势1.1.1飞剪的基本要求和工作类型横切剪机多年来一直是冶金工业的重要生产设备之一。平时说的剪切机，是指横向运动剪切的扎件，并且满足用户定尺要求的设备。所以，横切剪机必须具有三个必要的条件：1、剪切运动扎件时刀刃的水平分速度跟扎件同步；2、剪切机要能满足不同用户的定尺要求；3、剪切速度同时必须跟生产线上其它的设备相匹配，这样可以提高生产率，同时提高经济效益。现代剪切机根据原动机的类型可以划分为连续式还有启停式两个大类。连续式剪切机采用的一般是异步电动机驱动，配置有飞轮高速运转，通过快速响应的离合器及制动器实现小惯量下启动、制动，而在大惯量下剪切，可以充分提高动力距，提高速度。启停式剪切采用低惯量大扭距直流电机，每剪切一次，电机启动、制动一次。不同工作制的剪切各有优缺点，连续式适合高速频繁启动，但电机连续运行浪费电能资源，启停制结构简单，但电器控制方面要求比较高。1.1.2飞剪技术的发展 传统剪切机结构通常都十分复杂。例如自上世纪七十年代我国引进的施罗曼飞剪为第一代引进的飞剪机，是双曲柄摇杆式飞剪机。这类剪切机都有一个复杂的匀速系统和倍尺机构。 随着电机技术的快速发展，特别是交流变频技术、大型伺服电机制造及控制技术的发展，使复杂的剪切机构设计变得十分简洁。如第二代引进的是所谓的翁格尔飞剪机及第三代引进的桥式剪切，完全取消了以往飞剪机的匀速机构及倍尺机构：利用先进的电气控制技术，简单明快地满足了生产工艺对飞剪机的要求。 横切剪机床的类别比较多,包括带钢精整生产线的定尺横切剪在内，还有很多结构独特、用途新奇的横切剪，例如板坯剪切，型钢横切剪，切头横切剪，滚筒式横切剪，碎边剪切等等。模式飞剪又称滑座式飞剪，是中厚钢板定尺剪切中不同于卷筒式或曲柄式飞剪的定尺剪切装置，最大差别是其刀架作纵向直线运动来和钢板同步，是精整生产线中关键的组成部分，其任务是对作业线上的带钢按照用户的要求进行各种尺寸的剪切。横切剪定尺精度要求高，控制系统复杂、其apc优化算法呈现出多样性。飞剪机的机构分析和动力学分析一直在横切剪机研究史上占据重要地位，很多学校的科技工作者都对此进行过研究分析。例如燕山大学王海儒等人将双偏心摆式飞剪机 简化为二自由度平面六杆机构，运用复数向量法建立了剪切的运动学与动力学数学模型；同时，在此基础上，针对剪切的同步剪切以及定尺精度要求，研究了两主动曲柄的控制对策。武汉科技大学机械自动化学院刘海昌等人在大量实验测试、分析计算的理论基础上，指出了我们平时常用的诺沙里的剪切力公式存在不能使用的场合，即剪切时的冲击问题。对剪切机的力能参数的计算提出简洁实用的计算方法。刘海昌在进行摆式剪切刚体动力学计算中，考虑机构铰链间隙对机构动力学的影响，把间隙当作“间隙矢量构件”添加到原机构中，仍利用动态静力法进行计算：不同的是原结构增加一个“间隙矢量构件”就增加了一个自由度。武汉科技大学姜惠军在其硕士论文中针对武钢热轧厂三号精整线上剪切摇床和滑道之间、摇床和下刀架钩轮之间存在间隙因此在运动过程中产生冲击的问题进行了动力学方面的研究。1.2课题研究背景意义 这台横切剪机床是某热轧带钢厂精整线上的由中冶赛迪公司设计的一种连续工作制剪切（如图1.1所示），是对 开卷后钢板定长剪切的重要设备。该横切剪机床设计的最大剪切力为5145kn，用于剪切钢板强度b=300mpa 1000mpa、厚度h=525.4mm、最大宽度可达2200mm的钢板。这种类型的剪切利用液压机带动传动机构运转，剪切时通过离合器控制剪切机构进行剪切，剪切完毕后，又通过制动器将剪切机构固定于待切位置。该剪切是一种比较先进的横切剪机，它采用离合器和制动器取代了传统连续工作制飞剪的空切机构和匀速机构，具有结构紧凑、定尺调整方便，同样剪切能力下对原动机的选型要求比较低，所以目前应用较多。随着生产的发展，新型钢种的出现，能否剪切一些材料参数超过原设计参数的钥种(例如该厂拟开发生产b=1000 mpa的高强度系列厚度规格的钢板)，就需对剪切机进行实测以及动力学研究，才能清楚的了解该剪切机的承载能力挖掘设备潜力：同时在操作中应该注意哪些问题，并且探讨机构改造的方法。因此本论文具有实际应用的价值。图1.1双动液压横切剪布置图1.3课题研究方法的概述1.3.1运动学与动力学分析方法简介机构运动学不考虑机构中力的作用，仅从几何的观点来研究机构各构件和构件上的点的运动参数一位移、轨迹、速度、加速度等的求解一运动学分析(kinematic analysis)，以及仅从运动角度设计新机构的方法一运动学综合(kinematic synthesis)；机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学，即动力学分析和动力学综合。动力学分析是动力学综合的基础。机械动力学的分析过程，按其功能不同，可分为两类问题：1) 动力学反问题(inverse dynamics)：已知机构的运动状态和阻力(力矩)，求解应施加于原动件上的平衡力(力矩)，以及各运动副中的反力(即已知运动求力)。2) 动力学正问题(forward dynamics)：给定机器的输入力(力矩)和阻力(力矩)的变化规律，求解机器的实际运动规律(即已知力求解运动)。在机械动力学发展历史上，先后提出了四种不同水平的分析方法：静力分析、动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。1) 静力分析(static analysis)：对低速机械，运动中的惯性力可以忽略不计。对机械的运动过程中的各个位置，可用静力学方法求出平衡机械的载荷而需在原动构件上施加的力(力矩)，以及各运动副中的反作用力。动力学反问题(inversedynamics)：已知机构的运动状态和阻力(力矩)，求解应施加于原动件上的平衡力(力矩)，以及各运动副中的反力(即已知运动求力)。2) 动态静力分析(kinetostatic analysis)：根据达朗贝尔原理，将惯性力和惯性力矩计入静力平衡方程来求出为平衡静载荷和动载荷而需在原动构件上施加的力(力矩)，以及各运动副中的反作用力。由于采用了“原动件等速回转这一假定，在动态静力分析中便不涉及原动机的特性。动态静力分析应用于动力学反问题中。对许多速度高的机械，多用动态静力分析代替静力分析。3) 动力分析(dynamic analysis)：在力的作用下，机械并不能维持“原动构件等速回转”这种理想化的假定。尽管这种假定在许多情况下是允许的，但在工程实践中也常常要求知道原动构件和机械系统的真实运动。动力分析抛弃了对原动构件运动规律的理想假定，因而要把原动机包括在机械系统内来进行分析，它应用于动力学正问题中。4) 弹性动力分析(elsatodynamic analysis)：在上述三种分析方法中，构件均被认为是刚性的。弹性动力分析是计入构件弹性的动力分析方法。这些研究工作主要集中于机构参数的确定、运动参数的分析、刚体动力学计算等。1.3.2强度分析方法简介近几年，高碳、高合金钢种逐渐增多，些钢种已超出原设计的产品大纲，为了保证正常生产，很多大专院校和科研院所对钢厂投入使用的各类飞剪机的承载能力进行了研究，采用的技术路线是采用现场在线测试与有限元仿真相结合的方式。上海宝钢研究院的姚利松等人通过对热轧精整厚板生产线模式飞剪剪切力在线测试，结合理论计算分析了横切剪的剪切能力，同时采用有限元对刀片和刀架强度、变形进行计算分析，指出现有剪切机存在的问题，为下一步改造提供依据。华东冶全金学院的潘紫微等人在分析研究剪切机机架应力分布和强度时，采用模型实验应力分析和实测机架动应力相结合的方法。在模型实验应力分析中采用脆性涂料法确定模型机架最大主应力部位和主应力方向，采用电阻应变测量法确定模型机架的主应力水平。据此选定最大主应力的测点进行实际剪切过程中动态应力和相应剪切力的测定，确定并分析机架强度。有限元仿真是进行机架强度校核的一个重要技术手段，许多学者在在运用有限元理论和有限元分析软件ansys方面做了不少工作。有限单元法基本理论、研究现状及发展趋势：随着现代科学技术的发展，人们对机械设备的安全性和精密度的要求也越来越高。这就要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析(fea，finite element analysis)方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径n引。有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析。国际上早在20世纪60年代初就投入了大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(nasa)在1966年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的nastran有限元分析系统。70到80年代是有限元分析软件蓬勃发展的时期，美国的ansys、abaqus、adina、i-deas、lsdy、marc、sap，德国的ask焱、英国的pafec、法国的systus等软件不断推出强大的新版本。有限元法数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握。能够灵活处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩形形式表达基本公式，便于计算机编程运算，这些优点赋予有限单元法强大的生命力。它发展至今，不断开拓新的应用领域，其范围由杆件结构问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定问题，由固体力学问题扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几个场的耦合发展吖矧。90年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元类型、非线性分析、场分析、优化设计和数值方法等方面有很大改进和增强外，前后置处理功能更加强大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还提供与cad软件(如proe、ug等)的接口，将cad模型自动转换为适于有限元分析的模型，成为科技工作者的有力工具，解决了大量的实际问题。整体分析步骤为：首先按照一定的集成规则，将各单元刚度矩阵集合成结构整体刚度矩阵，并将单元等效节点载荷集合成整体等效节点载荷矩阵；然后引入结构的位移边界条件，求解整体平衡方程组，得出基本未知量节点位移列阵；最后计算出各单元的内力和变形。从以上论述可看出，有限单元实质就是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要研究并确定有限元大小的单元力学特征，就可以根据结构分析的方法求解，使问题得到简化。实践证明有限元分析方法是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。东南大学吴军等人运用有限元理论和有限元分析软件ansys的apdl参数化程序设计技术，对某型机车电源机架进行优化分析，得到了合理的结构形式和尺寸，在满足工程要求的情况下，节省了大量的工程材料。安徽工业大学包家汉等人利用apdl语言，建立了辊压机机架有限元模型与优化设计模型，采用耦合节点自由度的方式处理机架各部件间的螺栓和销轴联接，同时对螺栓联接的预应力，采用温降法加以考虑。优化设计结果表明，机架中各钢板的厚度分布趋于合理，第一主应力降幅显著，机架强度能够满足工程应用要求。1.4课题研究内容和技术路线主要研究内容有：1） 横切剪机床简化为机构的运动学分析和动力学分析；2） 建立剪切刀架、机架等主要受力部件的有限元模型3） 横切剪剪切能力的评估4） 在找出的横切剪剪切机的强度薄弱部位的基础上提出改进措施2 双动液压横切剪机的设计本科题所研究的剪板机的内容是在对其设计的过程中逐步深入，首先是对剪板机进行方案设计。方案设计的主要内容是确认其设备的结构形式、驱动类型以及各种参数的计算。方案设计的主要任务有两点：一是结合产品的技术要求和需求的具体条件确认设备的机械结构；二是完成对设备的结构参数和力能参数的计算。这二点是相互补充，又互为参考，应当综合考虑。2.1机械结构如前所述，剪板机结构分为平行刃剪板机、斜刃剪板机、圆盘剪板机三大类。以下对其各自的特点进行分析：1）平行刃剪板机：平时刃剪板机的剪切方式有上切式和下切式两种。上切式平行刃剪板机，其下剪刃固定不动，上剪刃向下运动进行剪切。通常采用曲柄连杆机构，具有运动和结构简单的特点，主要缺点是被剪切的钢板容易产生弯曲，剪切断面不垂直，以致影响剪切后钢板的工艺线上的顺利运行。当剪切比较厚的钢坯时，还需要增设一组摆动辊道。下切式平行刃剪板机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现，广泛用于教案且厚钢坯，剪切过程的特点是：剪切开始时，上剪刃先下降，几乎达到与钢板接触后停止，其后下剪刃上升进行剪切；切断钢板后，下剪刃首先下降回到原来的位置，接着上剪刃上升恢复到原位，一次剪切过程完成。这种剪切方法，具有下述优点：剪切时钢板高于手工艺线，不需要增设摆动辊道；剪切长的钢板时，钢板不会产生弯曲；活动压板保证剪切断面比较垂直；机架不承受剪切力；由于能缩短剪切周期的间隙时间，提高了剪切生产率。因此，钢坯剪板机（特别是大型钢坯剪板机）多采用下切式。下切式剪板机在结构上比上切式剪板机较复杂。2）斜刃剪板机：斜刃剪板机的剪切方式可分为上切式、下切式和复合式等类型。以下仅对前两者的结构特点进行分析。上切式斜刃剪板机的类型中传统形式主要有单面传动斜刃剪板机、双面传动斜刃剪板机、下传动斜刃剪板机；现在为提高剪切质量，也出现了上刀台作摆动或滚动的摆式剪板机。a）单面传动斜刃剪板机：上刀台的运动是通过电动机、三角皮带、齿轮和曲柄连杆机构而实现的。现对于双面传动形式而言，它的动力仅通过剪板机的一侧进行传递。为了制造方便，一般用直轴和两个偏心套筒组成曲柄轴。其特点是结构简单，制造方便，应用较为广泛。b双面传动斜刃剪板机：通过曲轴带动刀架两侧的齿轮，将上剪刃上下驱动。一般上刀台也是通过电动机、三角皮带、齿轮和曲柄连杆机构实现。他的曲柄短，受力好，制造方便。但装配比较困难，特别是两对齿轮同步问题要求较严格。此类剪板机大多用于大型钢板剪板机。c下传动斜刃剪板机：下传动的动力源安装在剪机下部，可降低剪板机的高度，减轻设备重量。其缺点是机架不宜做成带凹口的c形机构，使剪切时不便观察，且其下部结构较复杂。d摆摆式斜刃剪板机：其组成结构见图2.1。摆动上切式斜刃剪板机的上刀台是作直线往复运动，而是围绕一圆心作圆弧往复摆动。图2.1摆动式上切斜刃剪板机 1-上刀台；2下刀台由此可见，上刀架下端通过o与机架铰接，作为摆动支点。支点o比下刀台高一个距离e。上刀架上端o铰接于曲柄连杆上。当曲柄连杆转动时，通过连杆使上刀架绕支点o摆动。由于上刀台摆动半径较大，刀片剪刃处的摆动轨迹接近于直线，相当于倾斜剪刃，可以获得较好的剪切质量。3）圆盘式剪板机：其广泛应用于纵向剪切厚度小于2030mm的钢板及薄钢带。由于刀片是旋转的圆盘，因而可以连续纵向剪切运动着的钢板或带钢。由于上述特点，目前各国都在研究扩大圆盘式剪板机的剪切厚度的范围。圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带刚。根据其用途可将圆盘剪分为两种，形式；剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。剪切板边的圆盘剪每个圆盘刀片均悬臂地固定在单独的传动轴上，刀片的数目为两对，这种圆盘剪用于中厚板的精整加工线、板卷的横切机组和连续酸洗等作业线上。剪切带钢的圆盘剪用于板卷的纵切机组、连续退火和镀锌等作业线上。这种圆盘剪得刀片数目是多对的，一般刀片都固定在两根公用的传动轴上，也有少数的圆盘剪固定在单独的传动轴上。圆盘剪板机在连续剪切钢板的同时要对其切下的板边进行处理，通常在圆盘剪后面设置碎边机，将板边剪成碎段送到专门的滑槽中去。此外，对于薄带刚也有用卷取机来处理的，其缺点是需要一定手动操作，卸卷时要停止剪切等。以上是三种剪板机结构的特点描述，下面了解业主对设备的产品提出的技术要求（剪表2-1）。设备用于离线剪切2050热轧各机组提供的带钢样板，主要制造部实验室提供检验小样，提供剪切的钢板均是作好标记的钢板（不大于2500*2500mm）。设备性能参数表表2-1序号参数项目代号单位数值备注1可剪板厚范围hmm2-322钢板抗拉强度bmpa1200板厚20mm650板厚26mm450板厚32mm3钢板延伸率0.204剪切宽度 dmm 25005剪板机能力 两次/min6剪切精度直线度：1mm/1m平面度3mm/400mm7试样平行度 按国标根据产品的特点，要满足如此大范围的要求，而且设备的造价又须控制在一定范围内，通过分析比较，其剪切形式采用斜刃剪板机最为合理。而要满足其产品的要求，平行剪得最大剪切力又高达4000吨，明显是不可取的方案。通过以上对集中斜刃剪板机形式的比较，最后确定采用双面传动斜刃剪板机。其主要原因有以下几点：a剪切质量好：剪刃可以进行间隙调整，以适应剪切不同厚度，不同材质的板料要求，以获得良好的切口质量；选取合理的剪刃倾斜角，可尽量减小钢板被剪切后翘曲。b能加工宽度比较大的钢板，设备原理和操作相对简单，对设备在以后的维修中也不要求技术难度高的工作，对人员的要求不高。2.2确定驱动方式剪板机的驱动方式主要有两种：电机驱动和液压驱动。电机驱动分为直流电机和交流电机两种。一般小型剪板机多采用交流电机驱动，高速轴上装有飞轮，电机为连续运转，剪切动作必须用离合器来实现。常用的离合器是牙嵌式离合器，此种离合器的特点是传递力矩大，但剪切次数太高时，这种离合器就容易发生故障，因为它动作时间长，同时在离合的瞬间不可避免地有冲击现象。由于上述原因限制了剪切次数的进一步提高。所以有些剪板机采用摩擦离合器，此种离合器虽然操作灵活，但在合闸瞬间会因滑动而发热，引起磨损，特别是大型剪板机尤为明显。大中型剪板机多采用直流电机驱动，并以启动工作制进行剪切。小型剪板机多采用交流电机驱动，电机继续运转，靠离合器来实现剪切。液压驱动比电机驱动有很多好的特点，比如结构紧凑、惯性小、操作方便、调节简单等。但因为液压剪切不能采用飞轮，剪切过程中所消耗的能量都要通过液压系统供给，因此液压系统中使用的泵的电机容量就决定了剪切次数。为了减小电机功率，有些液压剪切设备装备了不同流量的泵，低压大流量泵用于空行程，高压小流量泵用于剪切行程。对于大型的剪板机，其剪切过程中辅助时间长，剪切次数不高，故采用液压驱动是比较合理的选择。但是要注意液压系统中的泄露现象、剪切时的振动、事故多和维修工作量大等问题，这会降低剪板机的可靠性。通过对两种驱动方式的分析和比较，最后确定该横切剪剪板机采用液压驱动方式。该设备采用液压驱动方式有以下几点优点：a机械设备结构简单、布置紧凑。在上刀架上安装有两个液压缸，可实现对上刀架的驱动，结构简单、可靠。尤其是不用安装驱动电机、同步机构等大型零件，从而减小了设备重量。在设备进行安装和调试的时候，对安装的要求不高，这样就减小了安全隐患。而且其液压缸的体积功率比很大，可使其布置起来有更高的灵活性，方便了设计人员进行优化。b剪切动作平稳可靠。液压缸的动作可通过流量和压力阀组惊醒可靠和精确的调节，通过使其在剪切的过程中达到产品对设备的要求，比起电机驱动方式来说，剪切过程中的功率传递环节要少，实现动作更加平稳可靠。另外在剪切不同的钢板时，还可对液压系统的部分参数（比如压力和流量）进行灵活的调整，实现对剪切动作的调整。c液压系统能自动防止设备能力过载。当剪刃进行剪切时，驱动用的电机会发生堵转，剪板机便是运用这一特性进行剪切工作。但如果遇到负载过大的情况，电气系统的保护装置便会工作，增加了一个维修环节。而液压驱动的系统便不会出现这种情况，它能够在负载增大超过其工作压力进行自动停止工作，实现自动保护。d采用液压压板装置，能增大压板的压力，而且其系统压力可以进行调整来控制压板的压下力，有效地提高了设备的剪切精度，普通的机械压板采用弹簧装置，依靠弹簧的压力来实现对钢板的压下，这样的装置由于结构的限制，一是压力不可能达到较大的值，二是调价压力不容易实现。设备采用液压驱动方式的缺点及采取减小影响的措施如下：a剪板机生产效率地。设计两分钟每次，该设备能完全满足生产要求。b油泵电动机功率比电动机传动的电动机功率大。通过对整个剪切工作制度的设计优化，电机采用连续工作制，选用蓄能器对系统流量进行补充和平衡，稳定系统的压力，减小工作中的冲击。c液压缸同步的实现较复杂，在本剪板机中液压缸的同步通过上刀架实现机械同步，不需要另外增加同步装置。2.3确定剪板机的剪刃通过以上的分析和比较，最终确定剪板机的结构为液压双面传动斜刃剪板机。以下对设备的机构和特点作简单介绍。设备本体结构（见图2.2）主要包括剪板机机架、液压缸、上刀架、压料装置、安全罩、入口台架等部件。设备毛重约为6.5吨。剪板机机架是主要受力部件，重约25吨，为框架式全焊接结构，整个机架由钢板拼焊而成，关键的焊缝进行磁粉和超声波探伤。机架分为左右立柱、上横梁、工作台、油缸座、连接板等部件。上刀架固定安装在左右立柱上，两个剪切液压缸的油缸座固定在上横梁上，工作台的托料装置百年与板料传送。如果机架采用铸造加工，这样会增加设备的刚性，但是同时铸造部件的重量过大，而机架的体积较大，运输和加工均不方便，将该件改成焊接件既减轻了设备的重量，又降低了设备的造价，同时通过探伤保证焊接件的质量。上刀架也是主要受力部件，同机架一样也是焊接结构。用钢板焊接成全封闭的结构，增加了部件的刚性。上刀架由剪切液压缸的驱动，上下运动进行剪切动作，其行程由两个行程开关调节，分别控制液压缸的工进和快进，保证安装操作并提高生产率。上剪刃采用小倾角的剪刃，这样能保证剪切后的钢板的翘曲程度较小。图2.2横切剪机的整体结构图压料装置安装在入口台架的上方，用来把要剪切的钢板紧压在下剪刃上，保证剪切过程的可靠和安全；剪板机的压料装置采用液压缸驱动，有足够的压料力，压料可靠，而且其压力可以进行调节。压料装置与上刀架顺序东东，只有当钢板压紧之后，上刀架然后才开始动作。后挡料装置安装在上刀架的下方，用于调节要剪切钢板的厚度。间隙调整装置用来调节剪刃间隙，以适应剪切不同厚度、不同材质的板料要求，以获得良好的切口质量。调节范围在0到3.2mm之间。2.4剪板机的设计参数剪板机的主要参数包括两大类：一是设备结构参数，即刀片尺寸（长度、高度与厚度）和理论空行程次数；二是设备力能参数，即剪切力、剪切功、剪切力矩以及输入功率。剪板机的生产大纲见表2-1，设备的参数按大纲的要求进行计算。2.4.1剪切行程的确定剪刃行程的大小，按照能够顺利完成钢板的剪断为原则。行程如果很小，翘头的钢板不能通过；行程太大，又会带来一系列的问题。对液压驱动的剪板机来说，则会使液压缸的行程加大，使液压缸的冲液时间增长，较小剪板机的每分钟剪切次数，这样就降低了生产率。剪切行程公式如下：hx=hp+hl=hp+bmaxtg 式（2-1）hp=h1+s+1+r 式（2-2）式中 h1 入口台架到压板下平面间的距离：一般取最大钢板厚度加上5075mm，主要是为了保证其钢板翘头通过所留的余量。此处取107mm； s 上下剪刃的重叠量，可在525mm内选取。此处选25mm； 1 压板低于上剪刃的数值，以保证上剪刃不被钢板撞击。一般取525mm，此处取25mm； r 入口台架高出下剪刃的数值，用以保证下剪刃不被钢板撞击和磨损。一般可取220mm，此处取20mm； bmax 被剪钢板的最大宽度，此处取1780mm 剪刃倾角。此处取3； h=（32+75）+25+25+20+1780tg3=270.3mm剪刃行程初定为270mm。考虑到液压缸两端的缓冲行程，其行程亮度通过行程开关进行位置控制，最终选定液压缸的行程为300mm。2.4.2.剪刃尺寸的确定斜刃剪剪刃长度主要是根据钢板的最大宽度确定。一般按下式选取，l=bmax+（100300）（mm）. 式（2-3）剪刃横断面尺寸的选取出了根据所要剪切的钢板的断面尺寸外，还要根据剪板机的公称能力来作为选择的依据，并应尽量选用标准的剪刃以降低设备的成本。通过分析、比较剪刃供货商的产品标准加以确认。该热轧机组生产的最大钢板为1500mm，考虑到剪切时可进行灵活操作，在一段剪刃磨损后，操作人员可将剪切位置进行适当调整，所以选取剪刃长度为1780mm。剪刃尺寸最后确定为：bhl=551801780（mm3）2.4.3剪刃斜角斜刃剪剪刃倾角的大小，直接影响着剪切力的大小以及剪切质量的好坏，倾角越大，剪切力越小，但与此同时，剪切时产生的侧向推力也越大，以致被剪切的钢板可能被推出。因此，受到钢板与剪刃之间摩擦条件的限制。另外剪刃倾角的大小对剪切质量也有影响，当很大时，剪切断面会产生撕裂的现象，钢板也会产生较大的变形。目前，剪板机剪刃斜角趋向于采用较小值。为了克服剪切断面产生撕裂的危险，减小钢板被剪切后的翘曲，该剪板机采用较小的剪刃倾角3度。这样虽然增大了剪切了，但将主液压缸在剪板上进行合理的布置，并不加大主液压缸的直径。2.4.4剪切次数按照工厂提出的生产大纲要求，剪切次数定位2次/min。2.4.5剪切力的计算斜刃剪板机的剪切力由三个部分组成： p=p1+p2+p3 . 式（2-4）式中 p1 纯剪切力； p2 钢板被剪掉部分的弯曲力，即被剪掉部分在剪切时对上刀片沿着钢板折边曲线作用的弯曲力 p3 钢板在剪切区域内的弯曲力，在此区域内由于上刀片的压力使金属形成局部的碗形弯曲。经过理论分析、计算后，纯剪切力用下式表达： p1= . 式（2-5）考虑p2、p3后，总剪切力根据b.b诺沙里的公式，可按照下式计算：p=0.6b（1+z+）=p1（1+z+）n式（2-6）式中 z 系数，实验研究表明此系数与被剪掉部分的钢板宽度d、钢板材料延伸率以及刀片倾角等因素有关，即z=（）= （），其变化规律如下图所示，系数的最大值为0.95； y 刀片相对侧隙，即为刀片侧隙与钢板厚度h的比值， y= 式（2-7） x 压板相对距离，即为压板中心离下刀片侧边缘c（图），与板厚h的比值 x= .式（2-8） 斜刃剪板机的剪功a等于剪切力p与刀片假定行程的乘积，即 a=pbtan. 式（2-9） 式中 b 钢板宽度； 将产品大纲中最大的产品参数带入以上的公式，通过计算，得出斜刃剪的最大剪切力，具体参数计算剪表2-2.设备参数表 表2-2设备参数产品种类最大板厚mm强度极限mpa延伸率剪刃间隙mm压板距离mm纯剪切分力n104刚板弯曲分力n104剪切弯曲分力n104剪切合力n104hbhp1p2p3p产品一2012000.201.0230219.9745.60139.24506.01产品二266500.201.3230201.3641.7484.21409.14产品三324500.201.6230211.1743.7860.80394.67通过上表可以初步确定剪板机的公称能力在6.3106n这个级别，根据剪切合力和剪刃的做功行程计算剪切功见表2-3.设备剪切功及功率计算参数表 表2-3产品种类剪切合力p104n最大板宽b mm剪刃倾斜角剪切功aknm剪切速度vmm/s剪切功率nkw产品一506.0125003331630.4产品二409.1425003268624.5产品三394.6725003258623.7为了给液压系统泵的选型提供依据，这里参照类似设备先设定剪切速度v以计算剪切功率。通过剪板机结构参数和力能参数的计算可以初定设备的方案图，为完成设计提供可靠的技术数据。2.5液压系统设计剪板机采用液压驱动来实现剪切功能。液压系统的设计主要包括两个方面：一是根据剪板机的工作特点来分析和确认系统原理；二是对液压系统的参数进行计算，为液压产品的选型提供数据参考。2.5.1液压系统原理系统工作压力由设备类型，载荷大小、结构要求和技术水平确定。工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是现在液压的发展方向，但要注意遗漏、噪音控制和可靠性问题的妥善处理。由于本设备的剪切力大，根据工厂的生产经验，在进行分析和考虑各种相关因素之后将系统压力定位20mpa。在进行原理设计时，要注意以下几个问题：a上刀架的运动中有一段行程是空行程，系统不做功，所以液压缸动作的行程有空行程和做功行程两个阶段，空行程是需要低压大流量，做工行程需要高压小流量。在计算电机功率和蓄能力器的参数时要认真考虑。b当上刀架向下运动而剪刃尚未进行剪切之前，系统需要克服的阻力比较小，而上刀架本身自重又比较大（约为10t），属于一个重力系统。系统要求此时对上刀架的速度进行控制，否则会出现超速现象，应在系统中增加平衡阀以保证剪板机工作的安全可靠。但要注意不能使用两个平衡阀。c当上刀架快进时，系统的流量大，易采用插装阀进行控制。插装的流量大，能满足系统的要求，二级控制可采用电液换向阀。d基于剪板机的工作原理，系统宜采用手动变量恒功率轴向柱塞泵。恒功率可以对剪板机空行程和剪切行程两种不同的工作进行自适应。2.5.2系统参数计算剪板机的最大剪切力按630104n来估算，根据结构的尺寸进行机械力学分析，每个液压缸的最大压力为236104n。根据前面确定的系统压力20mpa。主剪切液压缸的缸径为： d=103=388mm经圆整，根据gb2348-80取标准数400，确认液压缸内径为400mm。为了把保证设备的刚性，其活塞杆直径定为280mm。需要指出的是，计算用的最大剪切力比根据生产大纲计算的剪切力增加了约25%，而计算时未考虑液压系统背压（约为0.5mpa）和管路、滤油器等液压辅助元件的压力损失，详细的就散结果与上面的结果基本上一致，选取液压缸内径400mm是合适的。液压缸行程必须保证在剪切时剪刃能够完全将板切下，根据剪刃行程270.3mm，将数据圆整后切丁液压缸的行程为300mm。多余的长度通过行程开关进行控制，以保证生产的节奏。主泵的参数为压力范围p=820mpa,流量范围是q=210120l/min。根据上述的书籍和下面的公式对系统的参数进行计算。液压缸的推力：f1=d2*p液压缸的拉力：f2=(d2-d2)*p液压缸的推出速度：v2=液压缸的缩回速度：v3=液压缸的推出时间:t1=液压缸的缩回时间：t2=式中 d 液压缸活塞直径（mm） d 液压缸活塞杆直径（mm） p 液压系统压力（mpa） q 液压系统流量（l/min） s 液压缸行程（mm） v 液压缸速度（mm/s） t 液压动作时间（s）计算的结果见表2-4液压系统计算表 表2-4参数工况参数压力mpa系统流量l/min缸径mm杆径mm行程mm推力kn拉力kn推出速度mm/s缩回速度mm/s推出时间s缩回时间s最小压力工况8210400280280100551213.927.320.119.7最大压力工况20120400280280251212818.015.617.634.5根据上面的数据可得知，液压缸的剪切力能满足方案设计要求。液压缸工作行程按70mm，剪切速度按最大压力工况的速度计算，得出剪切工作时间t1=8.8s剪切空行程按180mm，空行程速度选最小压力工况的速度，空行程时间t2=12.9s上刀架复位空行程按300mm，速度选最小压力工况的液压缸缩回速度，则其复位时间t3=9.2s。则剪板机的工作时间总计：t=t1+t2+t3=30.9s剪板机的节奏不能满足生产大纲的要求，需要增加系统的流量。在系统调整后，计算的最终工况参数见表2-5。液压系统工况参数表 表2-5序号快进、快退工况参数剪切进、退工作参数1q快进=340l/minq工进=94l/min2q快退=345l/minq工退=77l/min3v快进=22mm/sv工进=6mm/s4v快退=45mm/sv工退=10mm