一种多连杆结构液压剪的设计计算

谢磊，闫成琨，王迪，计江，徐立璞，钱广阔，刘云飞(.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安7003; .陕西省城乡规划设计研究院，陕西西安70075)

一种多连杆结构液压剪的设计计算

谢磊1，闫成琨1，王迪2，计江1，徐立璞1，钱广阔1，刘云飞1
(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032; 2.陕西省城乡规划设计研究院，陕西西安710075)

介绍了多连杆结构液压剪的剪切机理、设备组成，给出了斜剪刃液压剪剪切力的计算方法，根据力学分析推导出了剪切力与液压缸驱动力之间的关系，在推导过程中充分考虑了连杆重量及摩擦力等影响因素对剪切力带来的影响，为多连杆结构液压剪的设计计算提供了参考。

单机架;可逆冷轧机;多连杆结构液压剪

0　前言

单机架可逆冷轧机在进行带钢轧制时，由于来料钢卷带头带尾质量不佳;断带后带钢断裂处产生不规则变形;重卷时需要将大卷分成小卷时需要将带钢剪切。

在轧机设计时通常在机前机后，各配置一台剪切机。目前常见的剪切装置的结构形式有多连杆结构，通过一组连杆传递动力;直接驱动结构，即剪刃运动方向与驱动方向相同，驱动装置动力直接传递到剪刃上。而剪切装置的驱动方式目前常见的均为液压驱动，分为液压缸驱动和液压马达驱动两种。本文将介绍一种多连杆结构式液压缸驱动的液压剪。

1　多连杆结构液压剪的剪切机理及设备组成

1.1液压剪的剪切机理

液压剪机构的原理图如图1所示，这种多连杆结构的液压剪为由摆架、支杆、驱动油缸、下剪刃、上剪刃所组成。由驱动油缸6驱动，下剪刃7为斜剪刃，上剪刃8为平剪刃。上剪刃8把合固定在液压剪机架上，其它零件均为铰接连接。剪切时，驱动油缸活塞杆向左伸出，在连杆的带动下，下剪刃7向上移动，在上剪刃的配合下进行剪切，剪切完成后，驱动油缸活塞杆缩回，下剪刃7向下移动，整个剪切过程完成。

图1　剪切机构示意图Fig.1 Diagram of shearingmechanism

1.2液压剪的设备组成

中国重型机械研究院院为国内某钢厂成套的1 780 mm单机架可逆六辊冷轧机组所使用的多连杆结构液压剪，如图2所示，剪切厚度范围0.2～5.0 mm，最大剪切宽度1 600 mm。其中，机架1把合安装在机前机后底座上，横梁2把合在机架1两立板之间，上刀架3把合在横梁2上，下刀架4与右上摆架7和左下摆架10铰接连接，安全销5在设备检修时使用，用来将下刀架4与机架1固定，剪切缸6铰接在机架1上，剪切油缸接头与支杆9通过销轴铰接，右上摆架7和左上摆架10一端均与下剪刃4铰接，另一端与支杆9铰接，右下摆架8和左下摆架11一端均与机架1铰接，另一端与支杆9铰接。

如图2所示，液压剪在剪切时，为保证下剪刃4只能上下移动，使用把合了钢滑板13的止推块12和把合了钢滑板15的机架进行定位，下剪刃4上把合了铜滑板14、16与钢滑板接触以减小下剪刃4上下移动时所产生的摩擦力。

2　多连杆结构液压剪的设计计算

液压剪设计时，可以先计算出带钢在剪切时所需要的剪切力，然后根据剪切力来计算所需要的液压缸驱动力，以此进行液压缸选型。

2.1带钢剪切时所需剪切力的计算

对于斜剪刃液压剪的剪切力计算，一般使用诺沙里公式，公式如下

式中，P为总剪切力，N;δ为被剪切钢板延伸率，无量纲;σb为被剪切钢板强度极限，Pa;h为被剪切钢板厚度，m;α为斜剪刃角度，(°); Z为系数;Y为上、下剪刃相对侧隙，无量纲; X为压板相对距离，无量纲。

图2　多连杆液压剪Fig.2 Multi-link structure hydraulic shears

2.2多连杆机构的受力分析

此多连杆结构液压剪在力学分析时可简化为平行四连杆机构，考虑到力学分析的特性，所有铰链充分润滑，并且铰链摩擦力比主动力小很多的情况下，忽略铰链处的摩擦。解除限位滑板对下刀架的摩擦约束，代之以主动力正压力及相应摩擦力，使该系统所有约束成为完整约束，因而可以应用虚功原理做受力分析。

对该机构的力学简化图3所示。

图3　力学分析简化图Fig.3 Diagram ofmechanical analysis

式中，F为液压缸推杆的横向水平分力，N;FP为下剪刃所受剪切反力，N;FN为剪切时限位滑板对下刀架的正压力，N;f为下剪刃与机架间的摩擦力，f=μN;μ为限位滑板间的摩擦系数，无量纲;m1为下刀架质量，kg;m2为支杆质量，kg;m3为左上摆杆、左下摆杆、右上摆杆、右下摆杆质量，kg;l为左上摆杆、左下摆杆、右上摆杆、右下摆杆长度，m;该系统有两个自由度，由于θ和φ相互独立，可选取θ和φ为广义坐标。根据广义坐标形式的虚功原理，令广义坐标θ的虚位移δθ=0，广义坐标φ的虚位移δφ≠0，则该虚位移上的元功

根据虚功原理，该虚位移上的广义力

因而可得

令广义坐标φ的虚位移δφ=0，广义坐标θ的虚位移δθ≠0，则该虚位移上的元功

根据虚功原理，该虚位移上的广义力

因而可得

由于下刀架的实际运动轨迹竖直向上，可知任意时刻θ=φ，将(2)式代入(3)式，可得

当液压剪剪切时，FP=P，将(1)、(4)式联立可求得液压缸所需F。由于m1、m3、m3和μ相对于F来说很小，在初步设计计算时可忽略不计，则公式(4)可简化为

可知当F一定时，FP随θ增大而增大，当θ =90°时，FP趋向于无穷大。因此在设计液压剪时，应尽可能将液压剪剪切时的θ角增大以减小液压缸所提供的驱动力。

以1 780 mm单机架可逆六辊冷轧机组所使用的多连杆结构液压剪为例，此液压剪剪切时θ角范围为60.2°～82.8°，代入公式(5)可得FPmin=0.875F。

3　结束语

给出了斜剪刃液压剪剪切力的计算方法，推导过程中充分考虑了连杆重量及摩擦力等影响因素对剪切力带来的影响，为多连杆结构液压剪的设计计算提供了重要参考。多连杆结构液压剪结构紧凑，便于维护，是一种结构合理的液压剪，在实际应用中值得大力推广。

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Design and calculation of a multi-link structure hydraulic shear

XIE Lei1，YAN Cheng-kun1，WANG Di2，JIJiang1，XU Li-pu1，QIAN Guang-kuo1，LIU Yun-fei

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Shannxi Xi'an 710032，China; 2.Shaanxi Academy of Urban＆Rural Planning＆Design，Shannxi Xi'an 710075，China)

This paper introduced the shearingmechanism equipment composition ofmulti-link structure hydraulic shears，and put forward the calculationmethod of shear force on hydraulic shearswith oblique cutting edge．The relationship between shear force and hydraulic cylinder force were derived according to mechanical analysis．In the derivation process，it fully considered the influence factors working on shear force such as link weight，friction and so on，which provided an important reference on design and calculation ofmulti-link structure hydraulic shear．

single stand;reversible cold mill;multi-link structure hydraulic shears

TG333

A

1001－196X(2015)02－0053－03

2014－11－06;

2015－02－03

陕西省科技统筹创新工程计划项目:2013KTCG01－08

谢磊(1982－)，男，中国重型机械研究院股份公司工程师。