双边圆盘式剪切机的设计

第一章绪论1．1我国窄带钢生产现状及产品结构的调整我国窄带钢行业的发展现状宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。按厚度不同分薄板（<4mm）、中板（厚4-25mm）和厚板（>25mm）三种。钢带就包括在钢板类内，是宽度一定而6002005118224121。表1 2004～2006年窄带钢行业生产变化情况 单位：万年份 窄带钢 热轧窄带钢 冷轧窄带钢钢协数据 国研数据 钢协数 国研数据 钢协数 国研数据据据据200420052006--根据国研网的统计，，其中，，％，，％；2005年窄带钢产量超，其中年窄带钢产量继续攀升，并突破4000万吨，，％，，％可以看到虽然热轧窄带钢的生产被列入国家限制发展行业范围内但我国窄带钢产品中的冷热轧比仍在下降产品结构矛盾进一步突出很显然我国窄带钢产量逐年增长的动 力完全来自其不断增长的社会需求。以表观消费量表示。，、年窄带钢的需求量同样突破3000万吨年，窄带钢的功效双双突破4000万吨。年份窄带钢热轧窄带钢冷轧窄带钢表观消费量 年份窄带钢热轧窄带钢冷轧窄带钢表观消费量 供需缺 表观消费量 供需缺 表观消费量 供需缺口口口200420052006资料来源：国研网、中恒远策收集我国的窄带钢行业一直存在着一定规模的供给缺口，。随着我国窄带钢产量和出口量的大幅上涨，，。也就是说，随着我国窄带钢产能的扩大，窄带钢行业已经进入供大于求的发展阶段，随之而来的将是更加激烈的市场竞争。那么，如上表2 2004～2006年窄带钢的需求其缺口变化情况整理过技术进步和产品结构的调整实现在巩固原有消费市场础上新兴市场的开拓将成为各大窄带钢尤其是热轧窄带钢生产企业需要认真思考的问题。12-15mm95%97%。可见窄带产品结构的调整300采取相关的技术措施，并需要对现有工艺设备进行必要的改造。窄带生产不但没有减少，反而增加，说明其仍有生存空间。其原因是多方面的，主要有如下几方面：1〉市场需求层次多样我国宽带轧机虽已具有一定规模，但总体讲我国轧材生产还是长材多，2〉纵剪热带售价高无论国内外，热轧纵剪带钢的价格要高于宽带卷价格的3%-4%，这主要是为了补偿纵剪100/200-300/吨，甚至更高。3〉窄带钢吨材投资低与热连轧宽带轧机相比，热轧窄带轧机设备简单，能全部国内制造，投1000/易于建设投产。4〉窄带生产成本低热轧窄带生产尽管成材率低(个别的接近热轧穿带轧机)，但窄带轧机使100/10-15/30/吨)尚有余。热轧窄带的燃料、劳动力、轧辊等消耗相对高，是窄带成本增加因素。200-250/吨。有的窄带钢生产企业还自身配有冶炼、连铸系统，可使用自产的更为便200-400/有利可图。因此热轧窄带钢在目前颇有竞争力，很有生存空间。宽带冷轧机轧速高、产量大，适于生产低碳软钢及高强度钢等，而冷轧窄带钢轧机适于生产弹簧、碳工、低合金钢带、捆扎带、自行车用带、也具有一定优势，能满足批量小，品种多等要求。分析认为，目前窄带钢生产的经济效益是现实的，但并不能说窄带轧机1>热扎带钢产量增长快速,,随着新项目的增多,到2006年生产能将达到3900万吨,后几年我国带钢市场需求仍会有较大增长,但估计到今年市场需求也紧在2500万吨,且由于热扎带钢的下游项目如冷扎带钢的产能不足,将会引起热扎带钢市场形成供大于求的局面。2>中宽带钢生产规模将不断扩大。我国市场对带钢的需求呈多层次，以前500mm100mm520-900mm市场份额。同时由于中宽生产规模的扩大，企业间的竞争也将会越发激烈。3>4>（T8、T10A、45#等）和部分合金钢如65Mn、40Mn5>2010年后，中宽带生产线也会逐步减小，带钢所占我国薄板带的消费比例将降低。在提高轧机装备水平方面有以下特点：1制水平。2>将条件好的厂或车间的单机逐步改造成连轧机，以提高生产率和改善产品的质量。3HC机和异步轧机等。4行实时调节，以大幅度地提高产品质量的控制水平。提高厂（车间）的总体装备水平在这方面，可采用连续（半连续）卧式酸洗机组进行酸洗，采用装备水平比较高的轧机进行轧制和平整，采用连续式（光亮）退火炉进行退火等等，只有提高整个厂（车间）的总体装备水平，并使各个工序的装备水平相互匹配，都有可能生产技术水平。加强和应用现代化的检测手段应积极采用先进的现代检测手段，对设备、生产过程和产品质量等进行精确的检测和监督。只有这样，才能不断地改进和完善工艺制度，提高生产技术这一点，对高、中碳钢和合金钢带生产来说，尤为重要，改善和建设高精度轧机应根据具体情况，对我国的冷轧机窄带钢轧机进行合理的分工，迅速改造和建设一批高精度轧机，专门用来生产小批量、多品种的高精度、高强度带钢，以满足特殊行业的用材的需要。在这方面，冷轧宽带轧钢机是无能为力的，应是冷轧窄带钢轧机技术改造和发展的重要方向之一。精整机组序。重卷是为了满足作业机组的卷径要求，小卷焊成大卷，松卷卷成紧卷。修边是为了防止带钢在以后轧制中出现裂纹；同时还可对带钢两边的缺陷进行修边。有时为了满足出厂规格，对成品要进行卷。这样的重卷机组不应属于准备机组。括热轧带卷的平整分卷、纵切、横切等工序的作业机组。1> 纵切机组（分条机组）：用来把成卷宽带钢，分切成几条窄带钢。2〉横切机组：用来把成卷带钢，剪成一定定尺长度的钢板。3连续拉伸矫直设备及连续拉伸弯曲矫直设备等。4〉涂油机组：用来对带钢表面涂油，以防止带钢表面生锈。5足用户的要求。6（捆扎）机组。目前包装（捆扎）工作大部分实现自动化和半自动化。双边剪的类型脱开传动装置，使其按拉剪工作。双边剪的作用业线上。的圆盘剪刀片固定在单独的传动轴上。卷取机来处理的，其缺点是需要一定的手工操作，卸卷时要停止剪切等。下刀片小些，此时，被切掉的板边将剧烈的向下弯曲。压辊。左右机架内的齿轮，带动上刀盘旋转而进行剪切。转动上下两根刀轴进行剪切。轴，底座，移动机构，传动装置和调整机构等组成。5～8mm。不同规格的剪切机组，工作方式有所不同。当剪切带钢的厚度s<，应采用主动剪切方式；s>6～7mm时，宜采用综合剪切方式，以避免卷取机及拖动电机过于庞大；<=s<=6～7mm时，可以采用被动剪切方式。1〉开卷机：用于支撑，转动钢卷，并使其开卷，其类型有双锥头开卷机，双柱头开卷6～12m/min234成。阻力均由卷取机承担；采用综合剪切方式时，卷取机只承担全部阻力的 3/4，其余由圆盘剪承担。中小型纵剪机组的设计是一个复杂的过程，合理地确定剪切机组的工艺布置、设备结构形式及设备参数又是设计中非常重要的工作。双边剪的类型与作用双边剪的分类双边剪广泛用在板、带生产车间各辅助机组中，如横剪机组、纵剪机组、重卷检查机组、酸洗机组、镀锡机组及焊接机组等。剪。按双边剪的传动方式又有拉剪和动力剪之分；所谓拉剪，即刀盘没有传动装置，直接由机后的拉力辊及卷取机等设备将带钢拉过圆盘剪进行剪切；如某厂1700冷扎酸洗机组的圆盘剪。横剪或纵剪机组里的圆盘剪均在传动系统中装有离合器，使用时可根据情况由离合器脱开传动装置，使其按拉剪工作。双边剪的结构分析动左右机架内的齿轮，带动上刀盘旋转而进行剪切。转动上下两根刀轴进行剪切。刀轴，底座，移动机构，传动装置和调整机构等组成。1〉机架还装有行程开关，控制机架间移动的最大和最小开口度。2〉机架移动装置

图 作业线高度调整机构示意图；；；（液压马达机架移动装置示意图； ；；；手动机构由手轮、丝杠（1、丝母（2、联轴器（5）等组成。当手动调整机架刀盘开口度时，手轮旋转扭动丝杠1）带动丝母2、联轴器5）3〉上下刀轴s架（包括左右机架和上下轴，一套在作业线上工作，另一套则在作业线外换装拆的离合器联结。动机，减速分配箱，两根万向联轴器和快速离合器等组成。4〉双边剪调整机构下刀轴的轴承座之间的弹簧用以消除螺纹间的自由间隙。下移动。移动，将刀轴上各刀盘的重合量调整到同一数值。向间隙，是在更换刀盘时用中间隔套来确定，工作时不在调整。第二章 双边剪的主要参数双边刀片尺寸包括圆盘刀片直径D及其厚度。双边刀片直径D主要决定钢板厚度 h，其最小允许值与刀片重叠量 S和最大咬入角α有下列关系D=(h+s)/(1-coα)通常取咬入角α=10o15o（α值也可根据剪切速度V来取、D/H6mm变化则更大。按上式选刀盘直径是有问题的，因此双边剪刀盘直径常根据实际经验确定。图 双边剪切示意 V双边剪刀片咬入角α与剪切速度v的关系曲线1按表2-1、表2-2、表2-3选取。表2-1 剪切带钢时的刀盘直径，毫米带材厚度刀盘直 径热 扎<3～～230～320320～400～600冷 扎<～1150～200200～3320～6400表2-2 分条剪的刀盘直径，毫米带钢厚度刀盘名义直径刀盘最小直径刀盘厚度～16014012～123020020～3280240251～32029030～640036040被剪切金属厚度刀盘直径刀盘厚度～150～17015被剪切金属厚度刀盘直径刀盘厚度～150～17015～250～27020～6440～460406～10680～7006010～25700～100080刀盘的厚度b一般采用b=(～)D刀盘一般为圆柱形，即刀刃角为90o,。～，D=240mm,b=25mm（综合上表。刀盘材料与刀片一样，也应具备强度大，韧性高和硬度高的性能。热剪时，剪切温度有时可达200～300oC,刀盘在此条件下应具有耐高温性能。刀刃硬度过高则可能发生折损，裂肩等事故，硬度过低又容易磨损或烧损。一般来说，剪切厚度硬的材料时，刀刃有脆裂危险，硬度应稍低，剪切软而薄的带材时，则可采用硬度稍高的刀刃。2-4切板带的强度也是变化的，确定刀刃硬度时应考虑这些因素。被剪切钢材厚度，毫米刀刃硬度，HRC≤≥60〈1≥被剪切钢材厚度，毫米刀刃硬度，HRC≤≥60〈1≥1～650～55刀盘材料可采用高碳钢和渗碳钢，但与合金钢相比，耐磨性差，刃性也不好，45刀盘两端面的平行度一般取4-5级精度，表面光洁度为▽7-9。一般根据被剪切钢板厚度来选取，下图为某厂采用的刀片重叠量与钢板SS剪切冷扎钢板、带时，刀刃侧向间隙取被切金属厚度的9～11%。～，12～16%¦¤¦¤¦¤¦¤ 板厚，毫米、侧向间隙与板厚度的关系曲线确定侧向间隙时，还要考虑被剪切材料的强度。侧向间隙过大，剪切时带钢将产生撕裂；侧向间隙过小，又会导致设备超载，刀刃磨损快。带钢剪边发亮和毛边过多，根据双边剪的具体情况而定。第三章 双边剪力参数的计算剪切机构合理性分析b使钢板保持水平位置的方法刀盘轴错开上下刀盘用不同直径剪切力作用在一个刀片上总剪切力由两个分力所组成，即:P=P1+P2 式式中 P1——纯剪切力；P2——产生的，特别对于较窄的钢板更为显著。ABCDBD切入深度大于εo,ABCD于宽度为dx=qxdx=τhdx式（）式中qx——作用在接触弧AB水平投影单位长度上的剪切力。由相对切入深度知2xtan，式（）h微分后得

h d 式（）2tan式中α——弦AB与CD间夹角的一半。所以纯剪切力为 p1= τhdx 式（）P1=

h22tan

式（）P1=

h2 式（）2tan式中的α值可利用平行剪单位剪切功数据。在圆盘剪上冷剪时，α=kσkδ=σδ 式（）=1；

1 b

btanP=pz1 1

) 式（）上式中的第二项为分力P；系数Z决定于被剪掉的板边宽度与厚度的比值d/h。2 1当d/h≥15时，Z的数值趋近于渐进线Z=。1 1考虑到刃口磨钝的影响，一般将计算的剪切力增大15～20%。为了保证剪切质量，剪边不出毛刺，当钢板厚度大于3mm时，刃口变钝的允许半径r=。剪切时刀片侧向推力不超过剪切力的5%。圆盘剪上的剪切功率可根据作用在刀片上的力矩来确定。在上下刀片直径速度相等而且都驱动时则与简单扎制情况相似合力P垂直作用在刀片上这时转动一对刀盘所需之力矩为：M=PDsinα 式（）1式中：D——刀片直径。假设合力P的作用点在弦AB和CD中间，则α可按下式求得EF+Dcosα=D-s 式（）或 cos=1-sEF 式（）D式中 S——刀片重叠量。又 EF=（1-0）h 式（）2sh10所以 cosα=1

2 式（）2D驱动圆盘剪的总力矩为：M=n（M+M） 式（）1 2式中n——刀片对数；M=pdμ,d直径，

2 2μ——刀片轴承处的摩擦系数。剪切力计算过程：圆盘剪切力一般按诺沙里公式进行计算：p

h2

0.7

（公斤）b tan 式中： P——作用在一个刀盘上的剪切力，公斤；——被剪切金属的强度极限，公斤/毫米2；bh——被剪切金属的厚度，毫米；——金属的相对切入深度，一般取0

+～；——被剪切金属式样断裂时的相对延伸率；5——咬入角，度；sh10 2可由下列公式求得：cos1 2D式中： S——上下刀盘重合量，毫米D——刀盘直径，毫米。取h= , s=, =。计算得：50根据设计要求取：b

500公斤/毫米2；0

h0.6～（h=；1.250.180.02; 0.18。5计算得： ph2 00.7252.8，公斤。5 tan 剪切力矩的计算1>理论基础M=n(M+M)+M,式中：

1 2 3M——作用在刀轴上的扭矩， ;M——一对刀盘剪切所需的扭矩1M=PDsinα, ;1M2M=Pdf,2其中d——轴承内径，厘米；f——轴承摩擦系数；M——消耗于从活套中曳引带材的扭矩，3M=， ；3其中P——活套给于带材的拉力，公斤；Ln——工作刀盘的对数MPDsin78.80N.m；1由手册查得 f=;Mpdf44.06900.003N.m;2M=2×（+）+0= M=0)。3¦¤¦¤米¦¤米 毫¦¤¦¤毫 ，¦¤， 量隙 合间 重板厚，毫米圆盘剪刀盘重合量、侧向间隙与冷轧带钢厚度的关系曲线电动机的选择范围应包括：电动机的种类、形式、容量、额定电压、额定转速及其各项经济指标等。而且对这些参数就综合进行考虑。不仅造成设备上的浪费，而且运行效率低，对电能的利用也很不经济。因此，选择电动机时，首先就是在各种工作方式下选择电动机的容量。电动机功率的计算：滚动轴承效率1

0.99;联轴器2

0.97;带传动3

0.96;减速器4

0.95；摩擦传动5

0.90。2

0.9920.970.960.950.90.78；1 23452MN=

vmax

2178.96121/604.5KW;102D 1022401030.78查机械设计师手册取N=KW。考虑到实际工作环境经济性情况，选择一般异步电动机Y（IP44）封闭式三相异步电动机。YIEC工作防方式：额定电压为380V；额定频率为50HZ；使用海拔高度不超过1000mm；3KW及以下Y接法，4KW以上为Δ接法。Y132s-41440r/mincos0.8;68Kg。已知参数：已知参数：P=11，KW；970;1n750,r/min2设计计算项目设计计算依据结论K工作平稳，查表A计算功率p/kw p=KPc c AVVSPA小轮直径d/mm1推荐标准值100验算带速v（m/s）V=d n/60000,1 15～25m/s大轮直径d/mm2dd n/n2002 1 12n'2/ n'=nd/d2 11 2nd，11720（r/min）从动轮转速误差（n'-n）/2 2a/mm0推荐：240a=（～（d+d）0 1 2Lc/mm

2aL 0 1

d 2

d21c选定基准长度Ld/mm 查表

2 4a0

800定中心距a

aa0d

L/2c

280amina

/mm/mm

amina

=a0.015Lda0.03L

268304max max d验算包角1

1800dd57.301 d 1

1600单根带基本额定功率 查表P/KW0i

id22d21功率增量p0长度系数KL

/KW 包角系数K单根带许用功率

查表P(Pp)kK[P]/（KW）0

0 0 0 L Vz

zPc

40V带单位长度质量q/ 查表（kg/m）单根V带的出拉力

2.5K

286F/N0

F500P0

Kzv

qv2F/NQ

F2zFQ

sin(1

/2) 1690第四章 双边剪传动系统的设计电动机减速器齿轮箱联轴器圆盘剪刀轴方案说明：1> 备的利用率，为适应这一要求，剪切机的传动齿轮采用硬齿面齿轮。2> 上下一对刀片的间距可通过上面的丝杆来调节。3> 减速箱与齿轮箱内要有充分的润滑冷却。选择齿轮材料，确定许用应力45齿轮常用材料及力学性能材料牌号热处理方法强度极限屈服极限硬度B/MPS/MPHRC（齿面）45调质，表面淬64737340～50火注：[机械设计]—124页根据图表选取齿根的弯曲疲劳极限应力 240MP；Fmin根据图表选取齿面的接触疲劳极限应力为 950MP（参考机械设计HlimP125-P12。FP Y理论公式： FP

FlimSFlim

stYN其中： YST

——试验齿轮的应力修正系数，取YST

=2；Y——弯曲疲劳强度计算的寿命系数，取YN S S

=1；=。Fmin Fmin

2402 FlimFP SFlim

stYN

=1.6

1300MP。T1

9550Nnnv

12000

19r/mind 3.14200T9550N95505.527641 n 19考虑齿轮的制造精度，取K=。齿轮参数的确定初步选定齿轮参数：齿树ZZ40；齿宽系数0.5。由机械设计教1 2 d材图5-38取外齿轮的复合齿形系数YFS

=4，3KTY1FSz2d FP1.32764430.53KTY1FSz2d FP1.32764430.5402齿面齿根弯曲强度取m=6。中心距: a=mz=6×40=240计算几何尺寸：d=mz=6×40=240;b=d

d=×240=120mm.转矩T=2764;齿面接触疲劳极限应力 950MP；1 Hlim齿面接触疲劳强度的校核公式为：H

112ZE

；KTKT1bd2u1MPKTMPKT1bd2u1E189.8；1.3276412024021则 112ZH E

=112×189.8

685MP。齿面许用接触应力 HP

HlimZZS NHmin其中

Hmin

——接触强度的最小安全系数，因为是重要传动，所以取S Hmin

Z——接触的疲劳强度计算的寿命系数，一般取ZN Z——工作硬化系数，两齿轮均为硬齿面，故取ZW

=1；=1；则 HlimZZHP S NHmin

=95011730MP1.3满足H

，故符合要求。HP名称代号名称代号 计算公式备注模数m根据强度计算或结构需要而定 6压力角α200200分度圆直径ddmz ,dmz1 1 2 2dd2齿顶高hahma6齿根高hfh f全齿高hhhh2.25ma f顶隙cc=齿顶圆直径dadmz2a252齿根圆直径dfd 2.5f225基圆直径dbd dcos,db1 1db2 2cos齿距pP=m齿厚s齿槽宽e中心距aS=m/2em/2az/21 2240基圆齿距pbP=PCOSb减速器传动比的分配原则：（齿面接触强度大致相等；；，润滑最为简单。减速器传动比的确定：刀轴的最大转速为n

vmax19r/min；max D总传动比in减速器的选用：

nmax

72019

38。ZQ-400-40-Z距为400mm,i=40P（3-8-4。第五章 刀轴的设计选用调质处理的45钢。，主要力学性能，许用弯曲应力材料牌号热处理力学性能抗拉 抗拉弯曲剪切许用弯曲应力 0b 强度 屈服疲劳疲劳极限 极限极限极限 B S11优质４５调质６４３３２７１５２１１００６０碳素０５５５５钢初步估算轴径

C3 zpmin np式中 Ｃ——材料常数由机械设计书表１２－４取Ｃ＝１１０；P——轴所传递的功率，P＝；z zdd

min

110

67。4.334.33则d 5%70.3mm，取d 75mm。min min轴上零件的轴向定位刀盘的一端靠套筒定位，另一端靠螺母定位，刀与刀之间由定位套筒定位，装拆比较方便，两端轴承常用同一尺寸，以便加工、安装和维修，为了便于装拆轴承，轴承处轴肩不宜太高，同时为避免轴上有应力集中，故刀轴两端有轴肩。刀盘与轴的周向定位制，轴的尺寸公差为Ｋ６。h=(～)d,尺寸可视需要灵活设计，但一般套筒壁厚大于３mm75mm85mm90mm104mmmm120mm116mm120mm140mm111mm90mm：P 5.50.78转矩T9550295502 n 192

2156.29N.m；圆周力Ft2

2T22156.2910317969.08N；2d 24022总径向力Fr总

5P5252812640N；F 12640r垂直面上的支反力：F，F， 6320N；rA B 2 2M ,M ,F10363202561031617.9C1 C2 A由于水平方向上受到的力很小，所以水平方向上受到的弯矩可视为零。合成弯矩为M M 1617.9N.m；C1 C2转矩为T2156.29N.m；2因为刀轴单向回转，所以视转矩为脉动循环，应力矫正系数ab,则截Ｃ处的当量弯矩为：M 2M 2T2C1 2M ,M ,VC1 VC2

2071.58N.m；1617.91617.91617.91617.92156.292071.581293.77合成弯矩转矩图计算弯矩图按弯扭合成应力校核轴的强度

轴的强度计算截面Ｃ处当量弯矩最大，故Ｃ为可能危险截面。查得1b60MPaM M 2071.58103 C C 11.98Mp<

60MPaC W 3 0.11203

1b轴端处仅受转矩，但其直径最小，则该截面亦为可能危险截面T2M T0.62156.29T2CMCMCc W 3

1293.7710330.66Mp0.1753

60Mpa 所以强度足够。第六章 其它零部件的选择与校核剪刀轴上的