3500 mm寬厚板液壓試樣剪

趙 燕，張 磊

寬厚板是一種用途極為廣闊的鋼材品種，隨著市場(chǎng)對(duì)其需求的日益增大，對(duì)其質(zhì)量要求也日益嚴(yán)格，所以試樣剪切線的作用也更加重要。

試樣剪是寬厚板試樣剪切線上的主要設(shè)備之一，用于將切頭剪切除的試樣“大樣”剪切成檢驗(yàn)所需的試樣塊，供檢驗(yàn)室對(duì)試樣的各種性能及成分進(jìn)行檢測(cè)、化驗(yàn)。

本文以3500 mm寬厚板試樣剪切線中的試樣剪為例，介紹該裝置的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)介紹

1.1 剪切線工藝流程

圖1 試樣剪切線

（1） 試樣剪位于試樣剪切線上入口輥道和輸出皮帶之間（見圖 1）。

（2）切頭剪切取的長(zhǎng)條樣坯用切頭剪運(yùn)料小車?yán)龅轿缓?，由推鋼裝置將其推到試樣剪入口輥道上，然后由入口輥道輸送到試樣剪前。

（3）試樣剪入口輥道設(shè)有側(cè)擋板，保證樣坯沿固定側(cè)進(jìn)入剪機(jī)。

（4）剪切后的樣塊沿溜槽滑到試樣剪的輸出皮帶上，逐個(gè)爬升輸送到收集平臺(tái)上，以便于人工分類收集后及時(shí)送至檢驗(yàn)室。

（5）剪切剩余料尾通過試樣剪入口輥道反方向運(yùn)行，由卸料裝置將料尾卸到廢料筐內(nèi)。

1.2 設(shè)備組成

該試樣剪是一種單缸驅(qū)動(dòng)液壓斜刃剪，主要由上剪臺(tái)、下剪臺(tái)、機(jī)架、壓下裝置、主液壓缸、定尺擋板裝置、液壓配管和限位裝置等組成（見圖2）。

試樣剪的剪刃間隙通過人工增加墊片組調(diào)整，通過人工更換剪刃，鋼板定尺通過人工調(diào)整剪機(jī)后部的定位擋塊實(shí)現(xiàn)。

（1）上下剪臺(tái)及剪刃

上剪刃和下剪刃分別安裝在上剪臺(tái)（見圖3）和下剪臺(tái)（見圖4）上。該試樣剪的下剪臺(tái)固定不動(dòng)，通過上剪臺(tái)的向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪切。上剪臺(tái)在一個(gè)主液壓缸控制下可在機(jī)架上的滑道中上下運(yùn)動(dòng)并對(duì)試樣進(jìn)行剪切。在上剪臺(tái)與主液壓缸的活塞桿之間裝有球面墊，利用球面墊的自位功能防止活塞桿在剪切過程中偏載。主液壓缸的缸頭和球面墊之間采用干油潤(rùn)滑。

圖2 試樣剪

圖3 上剪臺(tái)

剪刃通過銷與螺釘安裝在剪臺(tái)上。為了提高剪切質(zhì)量和減少剪切負(fù)荷，通常上剪刃和下剪刃帶有一定的傾斜角度。其最大允許傾斜角受鋼板與剪刃間摩擦條件的限制，傾斜角度過小，剪切斷面容易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象；而傾斜角度太大，則剪斷后鋼板的不平度也會(huì)增大，角度過大時(shí)鋼板甚至?xí)牡犊诨龆荒苓M(jìn)行剪切。該試樣剪設(shè)計(jì)為下剪刃水平布置，上剪刃以一定傾斜角度安裝在上剪臺(tái)上。

（2） 機(jī)架

該試樣剪的機(jī)架由兩側(cè)主板、下剪臺(tái)和橫梁組成。

兩塊主板厚120 mm。下剪臺(tái)兩端伸入兩側(cè)機(jī)架內(nèi)，與兩側(cè)機(jī)架焊為一體。橫梁為焊接結(jié)構(gòu)件，通過一對(duì)對(duì)鍵和八個(gè)雙頭螺柱安裝在兩側(cè)機(jī)架上。

主液壓缸和壓下裝置的液壓缸安裝在橫梁上，由橫梁對(duì)主液壓缸缸體起到固定作用。

整個(gè)機(jī)架構(gòu)成閉式焊接框架結(jié)構(gòu)，剪切力由機(jī)架抵消。

機(jī)架上裝有滑板和滑座，上剪臺(tái)沿著自潤(rùn)滑滑板上下滑動(dòng)，滑槽起到機(jī)械導(dǎo)向作用?；涎b有調(diào)整螺栓和碟簧，保證當(dāng)滑板磨損時(shí)，上剪臺(tái)靠緊在滑槽中。

（3） 壓板裝置

該試樣剪的壓板裝置采用液壓壓板，由壓板架和兩個(gè)液壓缸組成（見圖5）。壓板架位于與下剪刃平行的鋼板上方，液壓缸缸體安裝在橫梁上。

圖5 壓板裝置

壓板裝置的作用是在剪切鋼板時(shí)通過液壓缸產(chǎn)生的壓力把試樣夾持在壓板架和下剪臺(tái)之間，防止鋼板翹曲，提高剪切質(zhì)量。

當(dāng)鋼板進(jìn)入試樣剪等待剪切時(shí)，無桿腔進(jìn)油，液壓缸活塞桿伸長(zhǎng)，壓板架下移壓緊鋼板。剪切結(jié)束后，液壓缸有桿腔進(jìn)油，活塞桿收回，壓板架上移。當(dāng)壓板架上下移動(dòng)時(shí)兩個(gè)液壓缸保持同步，而且在剪切鋼板過程中液壓缸的壓力可調(diào)。

2 工作原理

首先，壓板架下移與試樣鋼板接觸，液壓缸壓力達(dá)到一定數(shù)值后壓緊鋼板，隨后主液壓缸的無桿腔進(jìn)油，活塞桿伸出，驅(qū)動(dòng)上剪臺(tái)下降進(jìn)行剪切，上剪臺(tái)隨著剪切的深入繼續(xù)下降至最低位置，使上剪刃與下剪刃有一定的重疊量，在剪切過程中壓板架隨著上剪刃一同下移，當(dāng)剪切完畢后，主液壓缸和壓板裝置液壓缸的有桿腔進(jìn)油，活塞桿縮回，帶動(dòng)上剪臺(tái)和壓板架又升至最高位置，等待下一次剪切。

3 工作方式

電氣控制采用PLC程序控制器進(jìn)行全線功能控制，具有自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單維護(hù)方便等特點(diǎn)。此外，在試樣剪操作室和液壓站還設(shè)置操作臺(tái)及本地操作箱，可通過按鈕操作控制執(zhí)行各指令。

該試樣剪的工作方式有兩種型式。一種是半自動(dòng)控制：切頭剪運(yùn)料小車將運(yùn)來的試樣鋼板條拉出到位后，手動(dòng)單動(dòng)控制推出裝置將其推到試樣剪入口輥道上，并根據(jù)定尺尺寸（取樣長(zhǎng)度為250～500 mm）確定定尺擋板裝置位置。接著進(jìn)入自動(dòng)控制階段，試樣鋼板條由入口輥道輸送到試樣剪前。當(dāng)剪刃前光電開關(guān)檢測(cè)到鋼板時(shí)，試樣剪入口輥道減速，當(dāng)試樣剪剪刃后部的光電開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)后，入口輥道停止轉(zhuǎn)動(dòng)，試樣剪對(duì)鋼板進(jìn)行切頭。然后手動(dòng)控制入口輥道繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定尺擋板上的光電開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)后，自動(dòng)確認(rèn)鋼板定尺到位，開始一個(gè)剪切循環(huán)（即壓板缸壓下、剪切液壓缸開始剪切、剪切液壓缸恢復(fù)初始位置、壓板缸抬起）。剪切后，樣塊沿溜槽滑到試樣剪的輸出皮帶后輸送到收集平臺(tái)上，由人工分類收集，剪切剩余料尾通過試樣剪入口輥道反方向運(yùn)送至卸料裝置，由卸料裝置將料尾卸到廢料筐內(nèi)，最后由天車吊走。另一種是手動(dòng)單動(dòng)控制剪切，即剪切過程完全由人工通過操作按鈕分步實(shí)現(xiàn)。

4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

4.1 剪切力計(jì)算

試樣剪是將運(yùn)來的試樣“大樣”（見表1）按取樣長(zhǎng)度切成定尺。

表1 試樣剪剪切工藝參數(shù)

剪切力計(jì)算公式較多，有柯洛遼夫公式、諾沙里公式和富姆公式等。本文使用富姆公式計(jì)算剪切力，從計(jì)算結(jié)果比較來看，該公式更符合實(shí)際情況。

根據(jù)3500 mm寬厚板試樣剪的設(shè)計(jì)要求：剪刃傾角=3°。剪切鋼板材質(zhì)為Q235時(shí)，最大剪切厚度為40 mm，強(qiáng)度極限為500 N/mm2，剪刃間隙為0．4 mm，代值計(jì)算，得剪切力=4 136 kN；剪切鋼板材質(zhì)為Q345時(shí)，最大剪切厚度為36 mm，強(qiáng)度極限為630 N/mm2，計(jì)算得剪切力=4 221 kN。

4.2 主液壓缸參數(shù)確定

（1） 活塞直徑

剪切鋼板時(shí)，主液壓缸無桿腔進(jìn)油，上剪臺(tái)下降，液壓缸需克服剪切力和上剪臺(tái)與滑座之間的摩擦力等。

活塞直徑為

式中，d—活塞直徑（mm）；G—上剪臺(tái)重量（N）；p—液壓缸工作壓力（MPa）；η—考慮摩擦損失的系數(shù)，一般取 0．85～0．9。

取 G=21 384 N；p=24 MPa，計(jì)算得 d=?512 mm，選取主液壓缸活塞直徑為?520 mm。

有桿腔進(jìn)油時(shí)克服的主要是上剪臺(tái)的重量，該重量相對(duì)較輕。在選取液壓缸的活塞桿直徑時(shí)，考慮活塞桿的剛性，應(yīng)選取直徑較大者。

（2） 活塞桿行程

主液壓缸活塞桿的行程即上剪刃的行程（見圖6）。行程的確定以能夠順利完成鋼板的剪斷為原則，除與鋼板的最大斷面高度和剪切終了時(shí)剪刃重疊量有關(guān)外，還需要考慮保證試樣頭部翹起時(shí)仍能通過試樣剪，避免上剪刃受鋼板沖撞以及鋼板通過試樣剪時(shí)下剪刃不被鋼板磨損等因素。

上剪刃的行程按下式計(jì)算：

式中，H—上剪刃的行程（mm）；h—試樣的最大厚度（mm）；f—試樣上表面與壓下裝置之間的距離，一般取50～75 mm；q1—壓下裝置低于上剪刃的距離，一般取5～50 mm；q2—下剪刃低于運(yùn)輸輥道表面的距離，一般取5～20 mm；s—上下剪刃的重疊量，一般取 5～25 mm。

圖6 上剪刃的行程圖

取f=62 mm，q1=8 mm，q2=5 mm，s=10 mm，再由表1中試樣的規(guī)格尺寸，代值計(jì)算，得H=130 mm。選取主液壓缸活塞桿的最大行程為140 mm。

因此得出主液壓缸的規(guī)格為?520 mm×?360 mm×140 mm。

4.3 壓板裝置液壓缸參數(shù)確定

壓板裝置液壓缸主要參數(shù)為剪切過程中將鋼板壓緊所需的壓板力。確定壓板力的原則是使壓板力對(duì)剪切面處產(chǎn)生的彎曲力矩大于或等于鋼板斷面塑性彎曲力矩。壓板力一般取最大剪切力的4%～5%。

已知試樣剪的最大剪切力，通過計(jì)算得液壓缸的活塞直徑為?110 mm，取液壓缸活塞直徑為?125 mm。由式（3） 知，壓板架的行程為112 mm，取液壓缸的最大行程為120 mm。其它分析與主液壓缸的選型類似。

得出壓下裝置液壓缸的規(guī)格為?125 mm×?90 mm×120 mm。

5 結(jié)語

該試樣剪不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局緊湊、易于加工制造、重量輕、占地面積小、購(gòu)買或制造該試樣剪投資小，而且采用進(jìn)口PLC程序控制器進(jìn)行全線功能控制，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，可有效減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很高的性價(jià)比，是集機(jī)、電、液一體化的高性能產(chǎn)品。