20MN热剪剪切机构及液压压板机构设计说明书

共 41 页 第 1 页摘要在轧钢车间生产的产品, 一般都要经过切头，切尾并切成定尺长度, 根据轧件的断面形状和对切断面质量的要求不同,所采取的切断方法也不同 剪切机构通常用来切断方坯，扁坯，钢板和一些小型钢材。本文主要对 20MN 热剪剪切机的用途，工作原理进行了分析，从而确定其传动方案并根据任务书所给的参数和所剪材料对传动机构的传动形式及曲柄的偏心量确定，减速机的速比，剪切力，剪切力矩，刀片行程，曲轴，滑动轴承，联轴器和各处的键联接进行了详细的设计计算,其次是剪切机的总体设计:曲柄连杆，补强块，上下刀台，刀台的固定，液压压板装置，上刀台的平衡方式及平衡力的确定，机架的结构设计,最后对剪切机的剪切机构，包括曲轴，连杆和刀片进行了必要的说明， 也简介了 20MN 热剪剪切机的安装维护的要求。本次设计后对 20MN 热剪剪切机有了一定了解，对剪切机的设计有了一定的认识，加深对剪切机的工作原理以及剪切机的设计参数，零件尺寸等的理解，以便以后能对剪切机能更好的运用.关键词 20MN 热剪剪切机 液压压板 曲轴连杆 轴承 补强块 键共 41 页 第 2 页AbstractIn mill production product, general go through cutting head, tail and cut to length. According to the rolling cross section shape and the cut surface quality requirements, cut taken by different methods. Cutting mechanism is usually used to cut off the billet, slab, plate and small steel.This article mainly uses to 20MN hot cutting machine, works for the analysis, to determine the transmission scheme. Depending on the task parameters given in the letter, and the cut material on transmission mode of the transmission mechanism and crank the eccentricity determines, reducer speed ratio, shear, moment of shear, cutting stroke, crankshaft, bearings, couplings and throughout the design and calculation of key connection in detail, second is the overall design of the cutting machine: crank and connecting rod, reinforcing blocks, knife, knives fixed, hydraulic linking piece, knife on balance and balance determines, frame structure design, last on the cutting mechanism of shearing machine, including the crankshaft, connecting rod and blade for the necessary instructions, also about 20MN hot cutting machine installation and maintenance requirements. On the 20MN hot cutting machine has a certain understanding on, on the design of cutting machine has a certain degree of awareness, a better understanding of the design works and shearing machine shear machine parameters, part dimensions of understanding for future application can function better to shear.Key words:20 MN hot cutting machine, hydraulic linking piece， crank bearing，bearing， reinforce， a key目录 共 41 页 第 3 页摘要 .1Abstract.2目录 .3.错误！未定义书签。第一章 绪论 .51.1 课题的背景和意义 .51.2 剪切机的发展及现状 .51.2.1 剪切机的分类 .51.2.2 剪切机工作原理 .71.2.3 国内研究现状 .81.3 曲柄连杆上切式剪切机结构 .9第二章 20MN 热剪剪切机的功能结构及机构参数确定 .102.1 20MN 热剪剪切机的功能特点 .102.2 20MN 热剪剪切机的机构结构参数确定 .112.2.1 剪切行程的确定 .12第三章 20MN 热剪剪切机的工艺参数的计算和主电机的选择校核 .153.1 轧件的剪切过程分析 .153.1.1 剪切过程分析 .153.2 最大剪切力和单位剪切功的计算 .183.2.1 最大剪切力 .18maxP3.2.2 剪切功的计算 .193.3 计算曲轴转角 和 角与剪切力的关系 .193.3.1 曲柄连杆机构的计算 .203.3.2 曲轴偏心距的确定 .203.3.3 刀片位移与曲柄转角的关系 .213.4 静力矩的的计算 .223.5.1 平均静力矩 .23第四章 剪切机构的主要零部件设计及强度计算 .254.1 曲轴与连杆的设计校核 .254.1.1 曲轴的选择与强度校核 .254.1.2 连杆的设计与强度校核 .304.2 滑动轴承的选择 .314.3 键的设计与校核 .334.4 补强块的强度校核 .344.5 机架的设计 .354.6 液压压板机构 .36第五章 剪切机构的润滑要求和维护 .375.1 剪切机构的结构设计说明 .375.1.1 剪切机构 .375.1.2 连杆与刀片 .375.2 剪切机的安装与维护 .38结论 .39致 谢 .40主要参考文献 .41共 41 页 第 4 页第一章 绪论1.1 课题的背景和意义剪切机是随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。近二十年来，共 41 页 第 5 页国内的轧钢生产得到了长足的发展，由于市场对产品不断提出新的要求，生产厂对各种剪切机的要求也在不断的变化。在钢板弹簧的生产工艺中，钢板剪切下料是关键工序之一，因此，下料机是其重要的板簧设备。过去的下料设备一般采用圆棒剪切机、机械鳄鱼剪床等，都是采用皮带轮、齿轮传动，噪音大，占地面积大，节拍固定，灵活性差。因此，需要开发一种新形式的液压剪床，以适应国内外市场的需求。精密加工是现代机械加工发展的方向之一，它对毛坯的体积（重量）误差，断面形状及其他几何参数提出越来越高的要求，而现在的下料方法普遍存在能耗高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题。板料高速剪切机是一种新型的剪切下料设备，它采用液压系统驱动，实现高速剪切；板料高速剪切机的液压系统，是保证板料高速剪切机实现动作循环和决定其性能优劣的核心环节。板料高速剪切机要求液压系统工作可靠、响应灵敏度高，具有广阔的市场前景。因此，针对旧式剪切机的上述缺点，展开对液压系统剪切机的研究是符合市场需要的。1.2 剪切机的发展及现状1.2.1 剪切机的分类剪切机的种类很多。对剪切机的分类，从不同的角度出发，有不同的分法。按剪切方式可分为横剪和纵剪；按被剪切钢板的温度分为热剪和冷剪；按剪切机的驱动方式分为机械剪、液压剪和气动剪;按机架的形式分为开式剪和闭式剪；按剪切钢板的品种又分为钢坯剪切机、钢板剪切机、型钢剪切机和切管机等。通常，按剪切机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪切机(见图 1.1)、斜刃剪切机(见图 1.2)和圆盘剪切机(见图 1.3)。下面按剪切机的剪刃形状的分类对三种结构分别进行介绍:（1）平行刃剪切机平行刃剪切机的两个剪刃是彼此平行的，它通常用来在热态下横向剪切方形及共 41 页 第 6 页矩形断面的钢坯。也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的钢板。平行刃剪切机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。上切式剪切机的下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。下切式剪切机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的，其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。平行刃剪切机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。（2）斜刃剪切机斜刃剪切机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置。斜刃剪切机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。上切式斜刃剪:这种剪切机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。上切式斜刃剪通常是作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于 20mm 时，可用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于 25mm 不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。下切式斜刃剪:这种剪切机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动进行剪切。由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。这种剪刃机的剪刃通常上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证钢板的剪切面相对带材中心线及表面垂直度。其缺点是由于压板要放在下面而造成结构复杂化。复合式斜刃剪:在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式斜刃剪切机。这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称上下双层斜刃剪切机。当带材通过固定双刃刀架上部，带材由一台卷取机卷取。当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定双刃刀架下部，由另一台卷取机卷取。（3）圆盘式剪切机这种剪切机的上下剪刃是圆盘状的。剪切时，圆盘刀以相等于钢板的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。圆盘剪通常设置在板材或带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或带材。值得注意的还有塑性力学 Durkcer 公设的提出者Ducrker 等力学家的工作。（4）飞剪机这种剪切机是用以横向剪切运动着的轧件。在剪切过程中，刀片随轧件移动的同时将轧件切断。一般用于连续式轧机轧制线上或钢板横切机组线上，剪切轧件头部、尾部及将扎件切成定尺长度。共 41 页 第 7 页1.2.2 剪切机工作原理1.2.1.1 上切式平行刀片剪切机工作原理这种剪切机的特点是下刀片固定不动，上刀片是上下运动的。剪切轧件的动作由上刀来完成，上切式平行刀片剪切机的剪切机构是由最简单的曲柄滑块机构组成的，除了剪切机本身外，尚有定尺机、切头收集与输送装置等。由于下刀固定不动，为使剪切工作顺利进行，剪切的轧件厚度大于 3060mm 时，需在剪切机后装设摆动台或摆动辊道，其本身无驱动装置。剪切时，上刀压着轧件下降，迫使摆动台也下降。当剪切完毕，上刀上升时，摆动台在其平和装置作用下也回升至原始位置。上切式平行刀片剪切机由于结构简单，广泛用来剪切中小型钢坯，其剪切力一般小于2.5MN。1.2.2.2 下切式平行刀片剪切机的工作原理这种剪切机的特点是上、下刀片都运动，但是剪切轧件的动作是由下刀片来完成的。由于剪切时下刀台将轧件抬离滚道，故在剪切机后就不设置摆动台。而且，这种剪切机的机架不承受剪切力。由于上述两个特点，下切式平行刀片剪切机一般用来剪切中型和大型板坯和钢坯，以减轻整个剪切机组的设备重量。这种剪切机剪切机构较为复杂，往往由多杆机构组成。下切式平行刀片剪切机机构类型比较多，在我国应用最广泛的是六连杆剪切机构。1.2.3 国内研究现状技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着国内液压剪切机市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外液压剪切机生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势，对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。共 41 页 第 8 页丁时锋等人针对板料剪切生产线采用人工控制，定长过程耗时过多，钢板长度尺寸不一致，同时剪切过程总是简单的重复劳动，工人劳动强度大等问题，改为继电器接触器控制，但控制柜接线复杂，使用维护不便。为了解决剪切过程中的板料定长问题，减少加工工时，提高生产效率，同时为了提高生产的自动化程度，并保证生产的稳定，对原系统进行了改造，设计了一种基于 PLC 的板料液压剪切机系统。该系统工作性能稳定，完全解决了剪切过程中板料的定长问题，提高了生产线的自动化程度，并切实提高了生产线的生产效率。在棒料剪切机液压系统的研究方面，杜诗文等人应用液压大系统建模方法建立了数学模型，构建了仿真模型，对棒料高速剪切机液压系统动态特性进行了建模与仿真研究。实践表明：采用液气联合驱动、径向夹紧的棒料高速剪切机，生产效率高，棒料剪切断面质量得到显著提高。仿真结果表明：液压系统具有良好的动态特性，液压大系统建模方法与理论可广泛应用于液压系统动态特性分析为了解决精轧生产线取料问题，梁春光等人通过对剪切及剪应力的分析，同时根据液压剪的工作原理，进行了 HC520-3 新型液压剪主要几何尺寸及其结构参数的设计。实验结果证明：该液压剪能快速剪切 20mm以下的铬不锈钢以及合金钢等，不但保证了轧材的表面质量，还保护了设备，且经济效益显著。液压剪切机构的设计有两种方案，一种是主剪切驱动缸安置在机架的一侧，而且是只有一个主液压缸。当液压缸产生向外的推力后，利用杠杆关系将推力进行放大，并转换成向下的推力，然后推动上刀架向下运动进行剪切，美国的 PCO 中板厂就是采用的这种剪切机构。另一种是采用两个主剪切驱动缸直接安装在机架的顶部，推动上刀架两端向下运动进行剪切。第二种剪切机构是一种新型式，也是第一次采用。两种方案都是可行的，但比较而言，采用第一种机构，其液压系统设计相对于第二种机构要小得多，而且单一的主缸产生推力比起第二种方案需两缸同步产生的推力来讲，控制要简单得多，需用的液压油量也相对较少，仅液压系统就能省下不少的投资；另外，由于主缸放置在机架的侧面，避免了向上热气流的直接烘烤，对主驱动缸的保护有一定的好处。1.3 曲柄连杆上切式剪切机结构这是一种结构最简单，使用也最广的小型钢坯剪切机，其一般结构是由传动系统、剪切机构、离合机构、平衡装置及机架等几部分组成。在高速轴上装有飞轮，中速轴上装有超载装置，并且在曲轴尾部装有离合机构。这种剪切机的一个主要特点是能够进行快速换刀。更换刀片时，与快速更换轧钢机轧辊相类似，能将上下刀台从剪切机机架中抽出，而将另一组上下刀台送入剪切机机架，大大缩短更换刀片的时间。为了适应快速换刀的要求，下刀台安放在机架下部，与机架接触处设有滑板，而下刀台通过夹紧油缸固定在机架上。上刀台有两部分组成：上刀台本体及上刀台连杆垫块。在换刀片时，只将上刀台本体和下刀台一起抽出。上刀台由压紧油缸固定在共 41 页 第 9 页机架上。由于上下刀台都由压紧缸固定，这就便于装卸。此剪切机的另一个主要特点是设置了上刀台行程扩大装置，以便能够让不需要剪切的大断面轧件通过剪切机，上刀台最大升高位置，可上升到轧制线以上 640mm 的位置。上刀台行程扩大装置是由一套连杆机构，以及油缸等组成。如需要扩大上刀台行程时，拔掉安全销，将上刀台压紧油缸松开，上刀台在其平衡油缸作用下，下降落在下刀台上。此时，上刀台行程扩大装置的油缸动作，连杆机构的端部插入能转动曲柄的凹槽中，使曲柄转动一个角度。这样，曲柄连杆摆动起到一定位置。然后，上刀台平衡油缸再次动作，使上刀台上升到离轧制线上 640mm 的位置。为了保证连杆机构在转动曲柄连杆时，其端部不脱出转动曲柄的凹槽，设置了一个平衡机构。第二章 20MN 热剪剪切机的功能结构及机构参数确定2.1 20MN 热剪剪切机的功能特点20MN 热剪剪切机采用曲柄连杆上切式剪切机结构。下图即为 20MN 曲柄连杆式上切式剪切机。这种剪切机的一个主要特点是能够进行快速换刀。更换刀片时，与快速更换轧钢机轧辊相类似，能将上下刀台从剪切机机架中抽出，而将另一组上下刀台送入剪切机机架，大大缩短更换刀片的时间。为了适应快速换刀的要求，下刀台 11 安放在机架下部，与机架接触处设有滑板，而下刀台通过夹紧油缸 12 固定在机架上。上刀台有两部分组成：上刀台本体 10 及上刀台连杆垫块 9。在换刀片时，只将上刀台本体和下刀台一起抽出。上刀台由压紧油缸固定在机架上。由于上下刀台都由压紧缸 8 固定，这就便于装卸。此剪切机的另一个主要特点是设置了上刀台行程扩大装置 6，以便能够让不需共 41 页 第 10 页要剪切的大断面轧件通过剪切机，上刀台最大升高位置，可上升到轧制线以上640mm 的位置。为了保证连杆机构 3 在转动曲柄连杆时，其端部不脱出转动曲柄的凹槽，设置了一个平衡机构 2.上刀台平衡装置采用了三点平衡，传动侧有一个平衡油缸 3（见图 3-1） ，操作侧有两个平衡油缸 4.剪切机压板装置 5 采用液压压板。剪切机前设有切头推出机和机前辊道。在剪切机机后设有定尺机，剪台升降台和摆动辊子等辅助装置。在剪切机操作侧设置了快速换刀装置。图 2-1 20MN 曲柄连杆上切式剪切机1机架 ; 2曲轴；3上刀台平衡油缸（传动侧） ; 4上刀台平衡油缸（操作侧） ；5压板装置；6上刀台行程扩大装置；7连杆；8上刀台压紧油缸；9上刀台连杆垫块; 10上刀台本体；11下刀台；12下刀台压紧油缸；13下横梁；2.2 20MN 热剪剪切机的机构结构参数确定平行刀片剪切机的主要参数包括两大类：一为结构参数，即刀片行程，刀片尺寸（长度高度与厚度）和理论空行程次数；共 41 页 第 11 页下面介绍机构参数设计依据：理论剪切次数：20 次/分剪切温度为：1100C被剪轧件材料：35 钢截面尺寸：200mm 1600mm2.2.1 剪切行程的确定共 41 页 第 12 页2.2.1.1 刀片行程刀片行程是剪切机最主要的结构参数，它决定了剪切机的高度。在剪切能力允许范围内，它也决定了所能剪切的轧件最大断面高度。刀片行程根据轧件的最大断面高度，剪切终了时刀片的重叠量以及下刀片与辊道表面的距离等参数，可按下式计算H= h + y + e + c + s 式 （2-1）式中，H-刀片行程， mmh-被剪轧件的断面最大高度，mmy-轧件上表面与压板之间的距离，此值的选取要保证轧件有一定的翘头时，仍能通过剪切机，一般取 f=5075mm;e-为了避免上刀片受钢坯冲撞，而使板低于上刀的距离，取e=550mmc-为了使轧件顺利通过剪切机，下刀刃不被轧件磨损，使下刀低于辊道表面的距离，一般取 c=520mms-上下刀的重叠量，一般取 s=525mm可得：H=h+y+e+c+s=200+60+35+10+15=320mm2.2.1.2 刀片尺寸：刀片尺寸包括刀刃长度 L , 刀片横断面高度 h以及宽度 b。这些尺寸可以根据被切钢坯最大断面尺寸来选取在大中型剪切机上，刀刃长度按下式进行计算L=(22.5) 式 （2-2）maxb式中 L-刀刃长度， mm- 被切钢坯横断面的最大宽度，mmmax刀片断面高度及宽度可按下述经验公式确定h= （ 0.651.5）h 式 （2-3）= 0.9 200= 180 mmb= 式 （2-4）(2.5 3)=( 6072)mm共 41 页 第 13 页=70 mm 式中 h-刀片断面高度， mmh -被切钢坯断面高度， mmb-刀片断面宽度， mm2.2.1.3 剪切次数 剪切机的每分钟理论空行程次数代表了剪切机的生产率，理论空行程次数（剪切次数）的提高受到电动机功率和剪切机结构型式的限制。确定剪切次数时，可根据轧钢机生产率和有关参考数据选定。 根据轧钢机械 邹家祥主编 P259 页表 8-2 热钢坯剪切机基本参数 （JB2093-77）找出一组对应的结构参数 刀片行程/mm最大剪切力MN 对方坯 对板坯刀刃长度/mm扁坯最大宽度/mm刀片断面尺寸/mm理论空行程次数/(次 )1min0.63 110 110 300 3080 20301.0 160 400 40120 20301.6 200 450 50150 20302.5 250 550 300 60180 18304.0 320 700 400 70180 14186.3 360 800 500 70210 121610 440 1200 1000 80240 101416 500 400 1800 1500 90270 71220 500 450 2100 1800 100300 71225 500 450 2100 1800 100300 58理论剪切次数是刀片不停的运动时每分钟上下往复运动的次数，理论剪切次数是大于实际剪切次数的。共 41 页 第 14 页第三章 20MN 热剪剪切机的工艺参数的计算和主电机的选择校核3.1 轧件的剪切过程分析3.1.1 剪切过程分析轧件的整个剪切过程分为两个阶段：（1) 刀片弹性压入金属阶段。当刀片与轧件接触后，在刀片压力的作用下，是金属产生塑性变形，此时轧件的一部分被压缩，金属被刀片压入一定深度。(2) 金属滑移阶段。当刀片压入到达一定深度时，金属被切断面开始产生滑移,直到被切断面完全断开为止，即剪切阶段。在此，为了使侧推力减小，减小刀架滑板的磨损和倾斜角度，故选择有压板剪切。在不同阶段，被剪切金属剪切区域内应力状态是不同的。在整个剪切过程中，剪切区应力状态不断变化，剪切力也不断变化。实验表明，最大剪切力产生于刀片塑形压入阶段终了，金属塑形滑移阶段开始之时。因此，一般可将剪切过程分为两个阶段来建立剪切过程的受力模型。压入阶段作用在被剪切金属上的力如下图所示：共 41 页 第 15 页当刀片压入金属时，上下刀片对被剪金属的作用力 P 组成力矩 Pa，此力矩使被剪金属沿图示方向转动。而上下刀片侧面对轧件的作用力 T 组成的力矩 Tc,将阻止轧件的转动。随着刀片的逐渐压入，被剪金属转动的角度不断增大，直到转过角度 后，两力矩平衡，便停止转动，即 Pa=Tc 被剪金属停止转动，刀片压入达到一定深度时，力 P 克服了剪切面上金属的剪切阻力，此时，剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段，金属沿剪切面开始滑移，直到剪断为止。假设刀片与金属在 及 的接触面上单位压力是均匀分布而且相等的，即xb0.5z式 （3-1）0.5PTxbz式中 b-轧件宽度 根据式（3-1 ） ，P 与 T 的关系由下式确定式 （3-2）.tanx由上图的几何关系可得式 （3-3）0.5coshz共 41 页 第 16 页将上述关系进行联立，可得刀片转角与压入深度 z 的关系式 （3-4） 22tansitanzh= 5 10 ，T = ( 0.1 0.18 ) P 取 = 8刀片切入深度为：Z = 2h 式 （3-5 ）2tan=22000.0197=7.89mm刀片滑移阶段剪切力：式 （3-6）coshP b( -Z)= 32.731200（ ）207.89cos=7.63MN从上述分析可得出，剪切过程中作用力及其变化规律:剪切力随着 z 的增加而变化，当剪切力 P 为最大值后，钢板开始产生滑移。剪切力 P 的值是同单位剪切抗力 有关。单位剪切抗力 并非常数，其数值大小和钢板材质、剪切温度、剪切速度、剪刃形状、剪刃间隙及相对切入深度等因素有关。单位剪切抗力 的确定有实验曲线法和理论计算法两种。以下对影响单位剪切抗力公的因素进行定性的描述:金属性质:金属材料的强度极限越高，则单位剪切抗力越大 ;塑性越低，对应于。剪断时的相对切入深度越小，即金属断的越早。因此单位剪切抗力与金属的强度和塑性有关。剪切温度:钢板剪切时的温度越高，单位剪切抗力越小，对应于剪断时相对切入深度则越大。变形速度:热剪时，理论上变形速度与剪切速度成正比关系，单位剪切抗力随变形速度增加而增加;冷剪时，剪切速度对单位剪切抗力的影响很小，一般可不加以考虑。剪刃侧向间隙:剪刃侧向间隙的大小，可以使剪切时的受力状况发生变化。当侧向间隙由零逐渐增大时，钢板的受力状况分别为压缩剪切弯曲状态，侧向间隙过小或过大都会使单位剪切抗力增加。因此，合理选择和保持剪刃侧向间隙的大小，对于正确使用剪切机是十分重要得。刀钝半径:刀钝半径的大小，直接影响单位剪切抗力的大小。刀钝半径越大，刀就越不“快”，剪切抗力就越大。但在压入阶段剪切力的计算中，不考虑刀钝半径的影响是允许得。共 41 页 第 17 页剪切断面的宽高比 b/h：当 b/h 小于 1 时， 与 b/h 几乎无关；当 b/h 大于 1时， 值随 b/h 的增大而迅速增大。除上述因素影响外，压板、剪刃与钢板的摩擦系数及剪刃的几何形状等因素，对单位剪切抗力也都有一定的影响，但这些因素相对来说影响很小，可以忽略不计。现有剪切机一般存在占地面积广、噪音大、节拍固定、灵活性差等问题，尚需解决。3.2 最大剪切力和单位剪切功的计算3.2.1 最大剪切力 maxP最大剪切力计算公式如下式 （3-7）maxaxmPKF式中 - 被剪轧件最大的原始断面面积，aF 2m- 被剪轧件材料在相应剪切温度下最大的单位剪切阻力， x MPaK - 考虑由于刀刃磨钝，刀片间隙增大而使剪切力提高的系数，其数值根据剪切力能力选取：= 1.138.52001600 maxP=13.55MN共 41 页 第 18 页3.2.2 剪切功的计算剪切功与剪切力和刀片行程有关，当不考虑刀片磨钝等因素时，可按下式计算式 （3-8）AFhda ， 称为单位剪切功 a 式 （3-9）0.72b （ 96) 式中， 为材料延伸率，取 0.16.ba （ ) =0.84640.16=8.6KW所以，剪切功为：AFha= 20016002008.6= 550.4KNm3.3 计算曲轴转角 和 角与剪切力的关系图中，L 表示连杆长度，mmR 表示曲柄偏心距，mmA 点表示曲轴和连杆的铰接点。B 点表示连杆和刀架的铰接点。共 41 页 第 19 页3.3.1 曲柄连杆机构的计算 曲柄连杆机构的计算，主要是确定曲轴的偏心距，曲轴在任意转角时的连杆端转角，上刀架的位置和作用在曲轴上的力矩，以便计算剪切机的电机功率和零件强度。3.3.2 曲轴偏心距的确定 对曲轴连杆式剪切机，刀片行程 H 等于曲轴偏心距 R 的 2 倍所以，曲轴偏心距：R = = 240mm2共 41 页 第 20 页3.3.3 刀片位移与曲柄转角的关系由根据轧钢机械 邹家祥主编的教材图知：35号钢1100度时最大剪切力产生在相对压入深度为=0.34，其最大剪切变形抗力为 max=38.5MPa;Z = h 式 （3-10）= 0.34200=68mm式中 Z 表示为压入深度 刀片开度：H = h -Z= 200-68= 132mm此时上刀到回转中心的距离为：式 （3-11）1R+L-s式中 表示上刀到回转中心的距离S表示重叠量1H=-s=160+1800-15-132mm设曲轴与中心成1 角，则由余弦定理：式 （3-12）2211cosLRHa又：将数据代入 解得 814.2曲柄转角 56970共 41 页 第 21 页3.4 静力矩的的计算1) 角 = 式 （3-siniRL082.156.97sin80613）=5.0895 2） 角式 （3-/2adu/2du14）式 （3-15）031.846sinLba72.13） 最大剪切力 abMxP式 （3-cos()sin()abu16）)782.1059.sin(1.)782.059.cos(36abP13.81MN4) 求力臂，对转角大于 90 度时：/2odu750om式 （2-17）cs(9)aoR5.3746)90782.1.186.60 4235）求静力矩 (10.5)jabMPc共 41 页 第 22 页=jMmkN842.350.1498.231.3.5 电机的选择和校核3.5.1 平均静力矩由剪切功确定平均静力矩;式 （2-180mAMa18）式中， A-剪切功，此处用最大剪切功即可满足， 50.4AKNm-完成一次剪切偏心轴的实际工作角度。 a180mAM4.356.97mkN023.5.2 电机的选择与校核 初步选择 功率为 1400KW 转速为 550 转/分的 电机 2 台将选的电机的转速带入公式 1：式 （3-5097mHMnPi19）KW03.415.2.共 41 页 第 23 页所求的功率 P 在电机的额定功率的范围之类，在根据公式 2 进行校核，将所选电机的转速带入，并使不等式成立式 （3-20）2015()qpnGDaM式中，n- 表示为电动机的转速-为固定值 2GD220.4GDNm0.3qpMNm15/.04nMiM1a5.024.693(5)第四章 剪切机构的主要零部件设计及强度计算共 41 页 第 24 页4.1 曲轴与连杆的设计校核4.1.1 曲轴的选择与强度校核（1）曲轴 曲轴式剪切机上传递运动的主要零件，工作时既受弯矩又受扭矩作用，而且所受的力不断变化，工作情况比较复杂。（2）曲轴材料的选择 在中小型的曲轴材料通常选择 40Cr 钢。其 ；轴的设计包括轴的结50sMpa构设计和轴的计算。轴的计算包括轴的强度计算、轴的刚度计算。 轴的设计原则是，在满足结构要求和强度、刚度要求的条件下，设计出尺寸小、重量轻、安全可靠，工艺上经济合理，又便于维护检修的轴。 在一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还必须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上做轴向移动，需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应做周向笃定；3）对轴与其他零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性。(3) 轴的校核曲轴的主要尺寸：曲轴轴颈直径的结构参数，可根据剪切机最大剪切力 按所列的经验公式初maxP步确定，然后进行校核验算。(4) 按扭转强度条件计算 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予与考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴颈。轴的扭转强度条件为式 （4-1）3950.2TTPnWd式中： -扭转切应力， ；TMpaT-轴所受的扭矩， ；Nm共 41 页 第 25 页-轴的抗扭截面系数， ；TW3m-轴的转速， ；n/inrP-轴的传递的功率， ;KW-计算截面处轴的直径， ；dm-许用扭转切应力， ，见表 3-1TMpa由上式可得轴的直径式 （4-2）33330950950.2.2TTPPdAnn计算可得并根据 20MN 钢坯剪切机的数据参考得出 轴的直径为 480mm；由此对曲轴的各个参数进行计算：曲柄颈直径： 0(1.25)1.34862Addm共 41 页 第 26 页曲柄颈长度： 0(1.32)1.7486ALdm轴颈长度 ： 20.5.1曲柄两臂外侧面的长度： 0(2.83)2.94832qLd曲柄臂的宽度： 0(1.6)1.76am曲柄臂的长度： 0.85.482bd圆角半角： 0(.6.1).3.r曲柄轴受力较为复杂，但在强度计算时可近似认为以承受弯扭合成的简支梁来考虑，曲柄颈和轴承轴颈处都作用着集中力。曲柄轴的许用应力可用下式计算：式 （4-3）sn0.75式中， 为许用弯曲应力；为许用剪切力：为安全系数， 2.5-3.5，刚度要求高的去上限，低的去下限；nn为材料的屈服极限。s材料 热处理屈服极限 ， Mpas许用弯曲应力 ，MPa许用剪切力，Mpa4540Cr37SiMn2Mov18CrMnMoB调质调质调质调质360500 650750100-140140-200 180-260210-30075-100100-150140-200160-230表 2 曲柄的许用应力在此，取 MPa180Pa135807.5.共 41 页 第 27 页78.2n如果考虑曲柄曲轴变形（图） ，由于弯曲变形，曲柄颈中部的变形大于两边的变形，连杆给予曲柄颈的作用力为一个两端大中间小的非均布载荷，此时，可近似认为在曲柄颈上作用着两个集中力（图 6-2） ，作用在距离曲柄臂 2r 处，r 为圆弧半径，考虑到轴瓦的磨损，曲柄轴简支梁的支点也是在距离曲柄臂 2r 处，这种计算简图属于纯弯曲性质。曲轴变形及载荷分布共 41 页 第 28 页况 况 况 况 况 况况 况 况 况 况 况况 况 况 况 况 况Lqd02r dA 2rCC2rr2rP2 P2况况况况况况况况况况况况况根据图，危险断面 C-C 处的弯矩 :Mw式 （4-4）max84qaWLrP共 41 页 第 29 页式中， 为最大剪切力；maxP为曲柄两臂外侧面间的距离qL为曲柄颈长度aC-C 断面的弯曲应力 为：= = 式 （4-5）wMdPlAaqr3max1.0)8(4631(39264).510.48PaC-C 断面的扭矩 可按最大静力矩 的一半计算，则 C-C 断面的剪切应力c jmax为：式 （4-6）maxax3120.2jjTAMWd46.335Pa所以，所选曲柄轴的材料和尺寸满足要求；4.1.2 连杆的设计与强度校核连杆是将曲柄轴的旋转运动变为上刀台的往复运动的一个主要零件，连杆比试决定连杆长度的主要参数，当刀片行程相同，而连杆比不同时，曲柄连杆机构受力情况就不同，连杆比（ =R/L）小的剪切机,设备高度低、刚性好，但曲柄轴扭矩大，刀台的侧向推力大，影响轧件的剪切质量。选 =R/L=1/9，此时 L=2160mm，R=240mm连杆式剪切机中承受全部工作负荷的重要部件，通常用 ZG35 制成,新牌号为ZG270-500。极限强度 =270Mpa，抗拉强度2.0 50bMPa共 41 页 第 30 页时， 取 则0.34059.0.1,u当 maxcos()sin()ABP=13.81MN连杆截面面积 21.548270.13SaABmd6.取 D=227mm连杆强度校核：考虑摩擦的影响，连杆作用力将切于大小端头的摩擦圆。此时，连杆本体亦产生相应附加弯曲应力。据某些剪切机测定数据，当 =0.1 时，附加弯曲应力 的 40%。ANF式 （4-7）1.4ANWMPa8.37013.624.0785. 3因为 ,所以，该材料强度符合要求。AB4.2 滑动轴承的选择选择剖分式径向滑动轴承，已知 /2=6.775MN,轴颈直径 d=480mm,转速Pmaxn=18r/min1) 宽径比 B/d低速重载的轴承，为提高轴承整体刚性，宽经比取为 1，则 B=480mm2) 计算轴颈圆周速度V=dn/60*1000 = 式（4-8）3.1480.452/6ms共 41 页 第 31 页3）轴承工作压力P= = 式（4-9）dBF675029.448MPa4）计算轴承的 ( )值pvsm/式（4-10）29.0513./5）选择轴瓦材料查表 12-2，在保证 pp，vv,pvpv条件下，选定轴承材料ZcuPd30(30 铅青铜)6）滑动轴承选择脂润滑，因为