偏心转角对飞剪剪刃位移差的影响分析

严 国 平

(中冶南方工程技术有限公司技术研究院，湖北 武汉，430223)

偏心转角对飞剪剪刃位移差的影响分析

严 国 平

(中冶南方工程技术有限公司技术研究院，湖北 武汉，430223)

以热轧H型钢飞剪为研究对象，根据飞剪剪切机构的特性推导出剪刃轨迹、速度、角速度及角加速度的矩阵计算公式，同时根据几何关系建立摇杆支承偏心轴的偏心转角与摇杆长度增量的对应关系，并依据迭代求解的数值方法编制相应的求解程序进行求解。结果表明，偏心转角值对剪刃x和y方向位移都有影响，进而影响了剪刃重合度及侧隙，在进行剪刃重合度及侧隙调整时须结合x、y两个方向进行综合考虑。

飞剪；偏心转角；剪刃；位移差；运动特性

采用曲柄摇杆飞剪对H型钢生产线中轧材进行剪切时，剪切断面的质量会随着上下剪刃的重合度和剪刃侧隙的变化而变化，同时不同厚度的轧材对剪刃侧隙的要求也不同[1]。为此，在设计中需将飞剪的剪刃重合度及侧隙控制在一定的理论值范围内。但在工程实际中，由于飞剪机本体的主传动小齿轮和大齿轮在安装及加工过程中存在一定的误差，易导致飞剪机上下剪刃的重合度及侧隙偏离理论设计值。为了达到较好的剪切效果，一般会在曲柄连杆机构中采用偏心轴形式来对剪刃重合度及侧隙的误差进行部分补偿。文献[2-4]对于这种飞剪进行了一些研究，但主要集中在剪刃的运动特性分析上。本文结合工程设计实际，对不同偏心转角下剪刃的位移差进行对比，定性分析了偏心转角对剪刃重合度及剪刃侧隙的影响，以期为实际工程中剪刃的调节及同类型飞剪剪切机构的设计计算提供参考。

1 飞剪剪刃运动参数计算

根据曲柄摇杆飞剪的结构及运动连接特性，画出机构运动简图如图1所示。由于飞剪结构具有对称性，故本文仅取上部剪刃进行研究。电机通过联轴器带动曲柄OC绕O点旋转，剪刃D点在铰点C、B、S及A点的连接下按特定的设计轨迹进行运动，其中铰点A与O固定。由于飞剪对剪刃重合度的要求很高，为了满足这一设计要求并弥补由于相关零部件的制造与安装误差等对剪刃剪切效果造成的不良影响，在A点设计了一个偏心机构。通过偏心杆AS绕A点的旋转改变偏心距来完成对B点空间位置的微调，从而影响剪刃D点的空间运行轨迹。每次偏心杆AS调节后，调节机构自动锁定以使AS与SB的空间位置固定。当需要再次进行调节时，对偏心调节机构解锁后重复上述操作，直至剪刃D点相关性能达到设计要求。

图1中，设OA杆长为r1；OC杆长为r2，角速度为ω2，转角为φ；BC杆长为r3，角速度为ω3，与m轴的夹角为φ4，角加速度为α3；一定偏心转角时折算的摇杆AB杆长为r4，角速度为ω4，与m轴的夹角为φ2，角加速度为α4；CD杆长为r5，CD杆与BC杆的夹角为φ3；xoy坐标系与mon坐标的夹角为φ1。由矢量方程可知，在mon坐标系中有：

(1)

给定计算误差ε=10-6，采用牛顿-辛普森方法[5]对式(1)进行数值迭代求解可得到φ2和φ4的值。

对连接剪刃尖部的C铰点,其m和n方向的坐标值mC和nC为：

(2)

对剪刃尖部D点, 其m和n方向的坐标值mD和nD为：

(3)

设D点沿m轴的速度为VDm，加速度为αDm，沿n轴的速度为VDn，加速度为αDn，则由式(3)分别对时间t求一阶导数和二阶导数可得到：

(4)

(5)

将D点的运动参数转化至坐标系xoy中，设D点在xoy中的坐标为(xD,yD)，其转换公式为：

(6)

2 摇杆偏心折算的数学表达

为了分析偏心转角的变化对飞剪剪刃位移差的影响，根据图1建立摇杆偏心折算的分析示意图，如图2所示。当偏心杆AS旋转至一个角度并锁定后，摇杆AB的长度随之确定，剪刃D的轨迹即可通过前述方程进行求解。

设定偏心杆AS与摇杆AB的夹角为a，偏心杆AS与杆SB的夹角为b，则有：

(7)

由式(7)可得：

(8)

式中：ΔABi为摇杆AB第i次的长度变化值，ai+1和ai分别为a的第i+1次和第i次的角度值。

3 具体算例

结合某热轧H型钢工程项目，给定各参数尺寸如表1所示。将表1中各相关参数代入式(1)～式(8)，并编制相应的求解迭代程序，可得当ΔAB分别为1、2、3、4、5 mm时,偏心转角a逐渐变小，其对应的减小值分别为4.3005°、4.4930°、4.7523°、5.1066°和5.6110°。

图3、图4所示为不同ΔAB时剪刃在x方向和y方向的位移差对比曲线。由图3和图4中可以看到，偏心轴AS的调整可以对剪刃的x、y方向轨迹产生影响，也即表明，偏心轴AS的设计可以有效地改变剪刃的运动轨迹，从而起到调整剪刃侧隙及重合度的功效，进而对主传动小齿轮和大齿轮在安装及加工过程中存在的误差进行有效补偿。随着ΔAB的增大，剪刃x方向的位移差绝对值越来越大，且呈现两头低、中部凸凹不平的“M”形状。剪刃y方向的位移差绝对值随着ΔAB的增大同样越来越大，但在曲柄转角约为70°～110°时，整个y方向的位移差近似呈正弦曲线分布。不同ΔAB下剪刃在x、y方向位移差呈现不同变化趋势，表明在进行剪刃侧隙调整设计时，不能只考虑一个方向上的补偿，还必须在考虑剪刃侧隙的同时计及剪刃重合度的变化。

在实际的调试测量中，可以根据本计算结果，在相应的变化范围内，依据剪刃D点的调试测量值运用插值方法反推出角度a需要调节达到的值，从而可以减少对偏心机构的调节次数。

Fig.3 Displacement difference inX-direction of shear blade with different ΔABincrements

Fig.4 Displacement difference inY-direction of shear blade with different ΔABincrements

4 结语

本文定性地分析了偏心机构中偏心杆AS的偏心转角对剪刃侧隙的影响，结果表明，偏心杆AS的偏转角对剪刃x和y方向位移都有影响。不同偏心转角时剪刃在两方向位移差呈现不同变化趋势。进行剪刃侧隙调节设计时，不能只考虑一个方向上的补偿，在考虑剪刃侧隙调整时还须计及重合度的变化。这对实际工程中剪刃的调节设计具有一定的指导作用。求解方法具有一定的通用性，可为同类型的飞剪剪切机构的设计计算提供参考。

[1] 黄庆学.轧钢机械设计[M].北京：冶金工业出版社,2007：280-282.

[2] 陈占福.曲柄式飞剪剪刃运行轨迹分析[J].重型机械,2006(4):31-33.

[3] 王全先，解振山.起停式曲柄飞剪剪切机构运动学性能分析[J].机械传动,2004,28(6):52-53.

[4] 肖启明,沈剑豪.基于ADAMS的IHI摆式飞剪剪切机构特性分析与优化[J].工程设计学报,2012,19(5):345-349.

[5] 姚传义.数值分析[M].北京：中国轻工业出版社，2009：40-49.

[责任编辑 郑淑芳]

Influence of eccentric rotating angle on the displacement difference of shear blade

YanGuoping

(R&D Institute of WISDRI Engineering and Research Incorporation Limited., Wuhan 443002, China)

Based on the characteristics of the flying shear mechanism used in the shearing of hot rolled H-beam steel, this paper derived the matrix formulas for calculating the working trace, velocity, angular velocity and angular acceleration of the flying shear blades. At the same time, according to the geometric relations, the relationship between the eccentric rotating angle of the rocker supporting eccentric shaft and rocker length increment was established,and the corresponding solving programs were proposed on the basis of the iterative numerical method. The results show that the eccentric rotating angle has an influence on the displacement of the shear blade in the directions of bothXandY, whichfurtherimpactsontheclearanceandoverlapratiooftheshearblade.Whentheclearanceandoverlap ratio of the shear blade are adjusted, displacement in the directions ofXandYshould all be considered.

flying shear; eccentric rotating angle；shear blade; displacement difference；motion characteristics

2015-02-05

国家自然科学基金资助项目(51305152)；中国博士后科学基金面上项目(2013M532018).

严国平(1978-)，男，中冶南方工程技术有限公司高级工程师，博士.E-mail:iamygp@163.com

TG333.2+1

A

1674-3644(2015)03-0183-03