130X130 曲柄飞剪剪切力能参数计算

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摘要：建立了起停式曲柄飞剪机剪切力能参数的计算模型，并利用所建模型对 130×130 飞剪机进行计算分析。在飞剪机力能参数计算分析过程中，主要考虑电机是否能够在允许的启动角内启动、在剪切过程中能够释放足够的动能以及剪刃水平分速度是否大于等于轧件速度。传动系统的速降所释放动能提供剪切轧件所需的剪切功，根据电机起动平均力矩来确定电机功率。曲柄转速变化规律和飞轮尺寸决定传动系统所释放的动能大小。分析结果表明：可将所确定的起停式曲柄飞剪机剪切力能参数计算模型用于飞剪机剪切力能检验及同类飞剪机的设计。

飞剪是轧钢生产线上重要的设备之一。其工作性能的好坏直接影响到轧制线的生产效率和产品切口质量。

飞剪的力能参数包括剪切力和电机功率。剪切力是飞剪的主要参数，驱动飞剪的电机及飞剪主要零件尺寸的确定，安全使用或充分发挥飞剪的能力都与剪切力有关。因而正确计算各种具体条件下的剪切力，对于合理设计飞剪是非常重要的。本文以 130×130 飞剪机为例，对其力能参数进行计算，以确定或检验电机功率、电机起动条件、电机转速变化规律和飞轮的尺寸。该飞剪所剪切钢坯的公称断面为 130mm×130mm，应用于大中型 H 型钢轧制车间，是启停式低速简支型的曲柄剪。采用两台 400 kW 直流电机传动，并联输入，通过两台标准减速机一级减速，并在高速轴上配置了飞轮，再通过两个小齿轮同步传动下曲轴上的大齿轮，这个大齿轮再传动上曲轴上的大齿轮，上下曲轴驱动带刀架的连杆同步相向运动实现剪切。

1 、起停式曲柄飞剪机的结构

130×130 飞剪机的剪切机构见图 1，其传动系统见图 2。

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2、 剪切力能参数的计算模型

2.1 、剪切角

剪切角 φ ，即开始剪切时曲柄与垂直线的夹角，可由下式计算：

式中:s———剪刃重叠量；

h———被剪切轧件的厚度；

R———曲柄半径。

2.2、 最大剪切力

由于钢坯为方钢，故剪切力按平行刀片剪切机剪切力的公式计算，即：

式中:K———考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数，大型剪切机一般取 1.1；

τmax———被剪轧件在相应温度下的最大单位剪切阻力；

Fmax———被剪切轧件的最大断面积。

2.3、 剪切力

式中:

τ———单位剪切抗力（N/mm2），可通过实验曲线得到。

F———被剪钢坯的原始断面面积。

2.4 、水平拉力

飞剪在剪切过程中除了克服剪切变形所需的剪切力外，在水平方向尚有侧压力 T、拉力 Q 和动载荷 u。

对于飞剪来说，侧压力 T 主要与剪切的同步性有关。根据实测数据，最大侧压力为最大剪切力的 17 %～34 %。

剪 刃 在 剪 入—剪断过程中水平位移为：△L1=R(sinφ- sinφ1)，轧件为△L0 = ν0 tj，φ1 是钢坯被剪断时曲柄与垂直线的夹角。

水平拉力 Q 为：

式中：

E———剪切温度下轧件的弹性模量；

L ———剪断时，飞剪剪刃与前一台轧辊间的距离，

tj ———纯剪切时间。

动载荷 u 为：

式中：

G ———被加速轧件的重量；

g ———重力加速度，

ν0———轧件速度，

ν ———剪刃速度。

水平总拉力 P2 为：

2.5、 传动系统转动惯量

折算到电机轴上的传动系统转动惯量可用下式计算：

式中:i———减速比;下角标对应于图 2 中各传动件的序号。折算到电机轴上的飞轮力矩为：

2.6 、剪切功

剪切轧件所需剪切功为：

水平拉力功

剪切时剪刃与轧件间的摩擦功

和剪切功和水平拉力功相比，剪切时滚动轴承中的摩擦功和剪切时加速轧件所需的功，在总剪切功中所占比例很小，故将其忽略不计。因此总剪切功为：

剪切开始到终了传动系统动能的变化为：

式中: ω1 、ω2———分别为剪切开始和终了电机的角速度。

剪切开始到终了，系统动能的变化能量加上电机在启动至剪切过程中所做的功，应大于或等于剪切轧件所需的剪切功。

2.7 、电机功率

对于起停工作制的飞剪机，在确定电机功率时，要满足起动和剪切两方面的要求。确定电机功率的主要因素是起动电机所消耗的功率，这要求电机应具有较大的加速度，使剪切开始时曲柄转速能达到剪切所需的速度。在加速时间内，电机的起动平均力矩为：

式中: n———剪切前电机应达到的转速；

t———电机加速时间。

初步计算起动时电机所消耗的功率为：

式中:ner———电机额定转速；

K1———电机过载系数。

因滚动轴承上飞剪机的摩擦力矩较小，所以在此忽略了飞剪机的空转力矩。

2.8、 曲柄起动转角和电机起动时间

要使曲柄转速在一定的允许起动转角内和允许起动时间内达到剪切所需的速度，从电机起动到到达剪切速度，曲柄转过的角度必须满足允许起动转角，而且电机实际起动时间 t’应小于电机加速时间 t。剪切时不允许剪刃速度下降幅度太大，以防止剪刃速度滞后于轧件速度。

电机起动时间 t’ 的计算式为：

式中: Mk———折算到电机轴上的空转力矩；

Mq———电机额定力矩，

可由式(18)计算得到，即：

式中: K2———电流充满系数，一般取 0.6～0.8；

Ner———电机额定功率。

依据满足的，最终确定电机功率。

3、 力能参数的计算分析

3.1 、飞剪机参数

设计飞剪时首先确定被剪切钢坯的断面面积、钢坯厚度和轧制速度。断面面积是确定所需剪切功大小的主要因素。根据所需剪切功和剪切速度来确定剪切机构尺寸。当剪切速度和剪切机构尺寸确定后，剪切角的大小也随之确定。剪切机构尺寸确定之后，剪刃水平分速度的变化规律、剪刃的运动特性也能够确定了。

在飞剪机力能参数计算分析过程中，主要考虑电机是否能够在允许的启动角内启动、在剪切过程中能够释放足够的动能以及剪刃水平分速度是否大于等于轧件速度。剪切轧件所需的剪切功及所选电机，决定了剪切过程中电机转速的速降。在整个剪切过程中，剪刃水平分速度应大于等于轧件运行速度；轧件运动速度决定了剪切终了时曲柄转速。

剪切相同断面轧件时，所需的剪切功一定。轧件速度越高，要求电机始剪转速就越高，但电机启动至始剪转速时曲柄所转过的角度必须在允许转角范围内。

当飞剪机本体各个参数已经确定之后，如果剪刃水平分速度在剪切过程中小于轧件运行速度，须提高电机始剪时转速。在剪刃水平分速度满足要求的情况下，当轧件运行在最低速度时，如果系统释放动能不能满足剪切功要求，根据式（14），可以增大电机始剪转速，或者在电机能够启动的条件下增大飞轮转动惯量；当轧件运行在最高速度时，如果电机不能在要求转角内启动至要求转速，可以考虑选用更大功率电机或者减小飞轮转动惯量。在轧件运行最低速度时，验算电机提供的动能是否满足剪切功，在最高速度时，验算电机能否按要求启动，实际上就是在选择电机功率和飞轮转动惯量之间找到一个平衡点。当二者不能同时满足时，可以在高速和低速时采用不同的转动惯量进行剪切。即在低速时，加上飞轮以增大剪切功；在高速时，去掉飞轮以保证电机能够启动。改变参数后需要重新计算，以验算所选参数的正确性。

130×130 飞剪机传动系统的主要参数为：两台 400 kW的 ZFQZ355- 12 电机，额定转速 880 r／min，过载系数 3，转动惯量 10.5 kg·m2；传动系统总减速比 17.395，飞轮直径 Φ0.97m，飞轮宽度 0.2 m；转化到电机轴上的惯量为 327.745 kg·m2；重合量 s = 1mm；折合到电机轴上的 GD2=12.487 kN·m2。曲柄飞剪机剪切机构的主要结构尺寸：曲柄半径 AC=240mm，摇杆 BD 长度 390 mm，剪臂 BE 长度 660 mm，连杆 CB 长 度 1194 mm，支点 OB 间的水平距离为 1000 mm，垂直距离为645 mm，曲柄轴中心距离 a = 1800 mm。

飞剪所剪切材质为 20 号钢，所剪切钢坯公称断面为130mm×130 mm，最大规格为 130mm×213 mm，轧件运动速度范围为 0.4～0.8 m／s。剪切温度为 860℃时，剪材最大抗力τmax=72MPa。

3.2 、计算结果分析

利用上述模型对飞剪进行计算分析，当轧件运动速度为0.4 m／s，剪刃始剪时水平分速度 0.4926 m/s，此时电机转速为468.2144 r/min。剪切过程中，电机转速从 468.2144 r／min 下降到 292.7006 r／min，离材时，剪刃水平分速度等于轧件运行速度。

取这样的速度降和飞轮，所释放的动能为 240 k N·m，满足 了 剪 切 功 229.04 kN·m 的需要，因此能够剪切温度 为860℃、规格为 130mm×213mm 的钢坯。电机启动后转速升至468.2144 r/min 时所需时间为 0.771s，小于曲柄转至始切点时所 需 的 时 间 1.7671 s，在允许范围内 。电 机 型 号 为ZFQZ355- 12，电机起动所需力矩 20.805 kN·m，起动所需功率626 kW，均小于电机额定力矩 20.836 kN·m 和额定功率 800kW，表明电机带飞轮空载起动没有问题。

当轧件运动速度为 0.8 m/s，剪刃始剪时水平分速度等于轧件速度，则此时电机转速的最低转速为 759.3648 r/min，取电机始剪转速为 760 r/min。剪切过程中，电机转速从 760 r／min 下降到 585.4r／min。取这样的速降和飞轮，所释放的动能为 420kN·m，满足了剪切功 228.32kN·m 的需要，因此能够剪切温度为 860℃、规格为 130mm×213 mm 的钢坯。电机起动后转速升至 760 r/min 时所需时间为 1.2552s，小于曲柄转至始切点所需时间 1.4768s，电机启动时间满足要求。电机型号为ZFQZ355- 12，电机起动所需力矩 20.793kN·m，起动所需功率625 kW，均小于电机额定力矩 20.836 kN·m 和额定功率 800kW，表明电机带飞轮空载起动没有问题。

剪切温度为 860℃ 、规格为 130mm×213mm 的型钢，是本飞剪机所能剪切的最大规格，从计算结果来看，当轧件分别运行在最低速度和最高速度时，该飞剪的力能参数均满足剪切要求。从现场剪切此规格轧件的情况来看，飞剪机运转平稳正常，证明了本计算模型是可用的。

4 、结 论

(1) 剪切轧件所需剪切功由传动系统释放的能量和电机做功提供。传动系统所释放能量的大小，取决于飞轮的尺寸和剪切阶段曲柄转速的下降幅度。电机功率的选取取决于电机平均起动力矩，而飞轮尺寸对电机的起动时间、起动所需转角和起动力矩影响显著。

(2) 在飞剪机力能参数计算分析过程中，主要考虑电机是否能够在允许的启动角内启动、在剪切过程中能够释放足够的动能以及剪切过程中剪刃水平分速度是否大于等于轧件速度。轧件运行速度和剪切功决定了曲柄开始剪切时的转速。

(3) 设计同类飞剪机或检验能否剪切新开发的轧件时，要同时考虑满足剪切力能、剪刃水平分速度、电机起动等要求。根据轧件规格和轧件运动速度，确定曲柄转速的变化，再按本模型反复进行有关设计验算。