倍尺飞剪的小型化结构改进*

刘学元，张 菲，郭翰韬，张丽英，帅全志

(1.山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048200；2.太原供水集团有限公司，山西 太原030000；3.山西火之源科技有限公司，山西 太原 030000；4.山西能源学院 机电工程系，山西 晋中030600；5.太重煤机有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

倍尺飞剪设备是棒材生产线中对轧件进行切头、切尾和倍尺剪切的设备，它主要由减速箱、刀座机构、飞轮传动机构组成，其工作原理是由电机驱动减速箱主传动齿轮，主传动齿轮向下带动下刀轴齿轮、向上带动过渡轮，过渡轮带动上刀轴齿轮，从而完成对轧件的同步剪切工作[1-4]。倍尺飞剪位于精轧机组和冷床之间，是提高棒材成材率和定尺率的关键设备。倍尺飞剪作为一种连续在线作业设备，执行周期性的启停剪切动作，周期性地承受冲击载荷，导致机械损害率比较高，备件更换频繁，同时也是整个生产线上能耗最高的设备之一。

相对于国内的棒材消费市场，东南亚市场内需较小，供求关系变化较大，我国普遍使用的倍尺飞剪并不适用于菲律宾等东南亚国家。由于该地区钢铁企业急需价格低廉、结构精简耐用的倍尺飞剪，为此，本文对棒材轧线上现有的倍尺飞剪进行了小型化结构改进。该倍尺飞剪的改进方式是一次创新制造，其设计思想和理念釆用了国内外目前小型化的思路，并解决了大部分厂家厂房受限的苛刻问题。

1 倍尺飞剪的小型化结构改进

本设计依托于东南亚某公司棒材生产线设计制造项目，产品规格为：圆钢Φ10 mm～Φ36 mm，带肋钢筋以Φ10 mm和Φ12 mm为主，保留将来生产小型角钢的能力，原料规格为150 mm×150 mm×6 000 mm。

1.1 飞剪的结构

该倍尺飞剪釆取启停工作制，机械为曲柄和回转组合式,成套设备主要包括电机、联轴器、飞剪本体、前后导槽及串联式飞轮传动机构。原倍尺飞剪结构如图1所示，小型化改进后倍尺飞剪结构如图2所示。

图1 原倍尺飞剪结构

图2 小型化改进后倍尺飞剪结构

1.2 主要技术参数对比

原倍尺飞剪与小型化改进后倍尺飞剪的技术参数对比见表1。可以看出，小型化改进后倍尺飞剪的实用性更强，既结构简单便于维护，又降低了制造成本，同时该设备的突出特点是采用串联式飞轮传动机构(如图3所示),增加了飞轮重量，比传统悬挂式飞轮(如图4所示)的惯性矩更大，更适用于多规格产品的剪切。

图3 改进后倍尺飞剪串联式飞轮结构

图4 原倍尺飞剪悬挂式飞轮结构

表1 原倍尺飞剪与小型化改进后倍尺飞剪技术参数对比

1.3 改进创新点

(1) 优化了飞剪箱体结构，飞剪箱体重量减少1.6 t。倍尺飞剪在剪切工作时承受冲击载荷，箱体釆用焊接结构，箱体的强度直接影响剪切工作的稳定。在非主要承载的地方保证强度、刚度的前提下更换优质钢板及厚钢板，能有效降低设备重量及制造成本，同时采用埋弧焊保证飞剪箱体的焊接质量,使倍尺飞剪能够满足使用要求[5]。

(2) 润滑釆用封闭自润滑系统结构，取消了独立润滑站。自润滑系统结构要求介质使用320或220工业润滑油，工作压力为0.2 MPa，包含电动油泵、过滤器(其自带水冷却器、压力继电器、压力表等)及中间配管等，其特点在于：①结构简单，直接节省了稀油润滑站的设置，节约设备成本；②节省了润滑站系统的中间管路布置，占地面积小；③润滑油的消耗降低，由于独立润滑站及中间管路的取消，减少了大量润滑油的使用，更环保；④减少了约40%仪表开关等辅助设备的使用数量，相关备件大量减少，降低了设备的维护成本。

(3) 传动由斜齿传动简化为直齿传动，在满足使用要求的前提下节约了加工制造成本，遵从先精简再优化的过程，经过优化，中间过渡传动齿轮中心距由280 mm改进为260 mm，相应调整了传动比。

(4) 釆用了串联式飞轮传动机构，更方便制造装配，一定程度上缩短了设备装配时间，同时增加了飞轮重量，提高了设备剪切能力，扩充了产品种类。

(5) 电机功率较低，更节能。

2 小型化改进后倍尺飞剪的验算

小型化改进后的倍尺飞剪需要对其剪切力矩与启动力矩分别进行验算。

2.1 剪切力矩验算

当其他力矩MS>折算到电机轴上的剪切力矩Mj时就可以满足剪切条件。

其他力矩的计算公式为：

MS=ME+MR.

其中：ME为能量释放为最大时的力矩；MR为电机最大运行转矩(电机已知参数)；∑J为综合转动惯量；n1为剪切转速；n0为剪切初始速度；α为剪切角度。折算到电机轴上的剪切力矩计算公式为：

Mj=2Md/(iη).

Md=0.7σb·F·R·sinα.

其中：Md为剪切转矩；η为传动效率，取值范围为0.9～0.92；i为传动比；σb为材料的强度极限；F为剪切面积；R为回转半径。

2.2 启动力矩验算

当电机启动力矩M2>电机力矩Mq时满足电机启动条件。

电机启动力矩计算公式为：

M2=3.5×9 550P/n.

其中：P为电机额定功率；n为电机额定转速。

电机力矩计算公式为：

Mq=(∑J·n1)/(3.25α1·η·i).

其中：α1为设定的启动角。

经过计算，小型化改进后的倍尺飞剪所需的启动力矩、剪切力矩均满足使用条件[6]。

3 结语

(1) 小型化改进后的倍尺飞剪填补了国内同类产品的空白，不同于传统的倍尺飞剪，经过系统化的结构优化设计后，产能利用更合理，便于中小企业灵活调整钢材产量。

(2) 电机功率降低约12%，润滑油消耗大幅减少，在节能环保日益重要的今天市场份额会大幅增加。

(3) 结构简单，重量减轻，加工制造成本降低，而剪切能力提高，满足小型化要求，整体性价比高。