偏心轉(zhuǎn)角對飛剪剪刃位移差的影響分析

嚴(yán) 國 平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢，430223)

偏心轉(zhuǎn)角對飛剪剪刃位移差的影響分析

嚴(yán) 國 平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢，430223)

以熱軋H型鋼飛剪為研究對象，根據(jù)飛剪剪切機(jī)構(gòu)的特性推導(dǎo)出剪刃軌跡、速度、角速度及角加速度的矩陣計算公式，同時根據(jù)幾何關(guān)系建立搖桿支承偏心軸的偏心轉(zhuǎn)角與搖桿長度增量的對應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)迭代求解的數(shù)值方法編制相應(yīng)的求解程序進(jìn)行求解。結(jié)果表明，偏心轉(zhuǎn)角值對剪刃x和y方向位移都有影響，進(jìn)而影響了剪刃重合度及側(cè)隙，在進(jìn)行剪刃重合度及側(cè)隙調(diào)整時須結(jié)合x、y兩個方向進(jìn)行綜合考慮。

飛剪；偏心轉(zhuǎn)角；剪刃；位移差；運動特性

采用曲柄搖桿飛剪對H型鋼生產(chǎn)線中軋材進(jìn)行剪切時，剪切斷面的質(zhì)量會隨著上下剪刃的重合度和剪刃側(cè)隙的變化而變化，同時不同厚度的軋材對剪刃側(cè)隙的要求也不同[1]。為此，在設(shè)計中需將飛剪的剪刃重合度及側(cè)隙控制在一定的理論值范圍內(nèi)。但在工程實際中，由于飛剪機(jī)本體的主傳動小齒輪和大齒輪在安裝及加工過程中存在一定的誤差，易導(dǎo)致飛剪機(jī)上下剪刃的重合度及側(cè)隙偏離理論設(shè)計值。為了達(dá)到較好的剪切效果，一般會在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中采用偏心軸形式來對剪刃重合度及側(cè)隙的誤差進(jìn)行部分補(bǔ)償。文獻(xiàn)[2-4]對于這種飛剪進(jìn)行了一些研究，但主要集中在剪刃的運動特性分析上。本文結(jié)合工程設(shè)計實際，對不同偏心轉(zhuǎn)角下剪刃的位移差進(jìn)行對比，定性分析了偏心轉(zhuǎn)角對剪刃重合度及剪刃側(cè)隙的影響，以期為實際工程中剪刃的調(diào)節(jié)及同類型飛剪剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算提供參考。

1 飛剪剪刃運動參數(shù)計算

根據(jù)曲柄搖桿飛剪的結(jié)構(gòu)及運動連接特性，畫出機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1所示。由于飛剪結(jié)構(gòu)具有對稱性，故本文僅取上部剪刃進(jìn)行研究。電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動曲柄OC繞O點旋轉(zhuǎn)，剪刃D點在鉸點C、B、S及A點的連接下按特定的設(shè)計軌跡進(jìn)行運動，其中鉸點A與O固定。由于飛剪對剪刃重合度的要求很高，為了滿足這一設(shè)計要求并彌補(bǔ)由于相關(guān)零部件的制造與安裝誤差等對剪刃剪切效果造成的不良影響，在A點設(shè)計了一個偏心機(jī)構(gòu)。通過偏心桿AS繞A點的旋轉(zhuǎn)改變偏心距來完成對B點空間位置的微調(diào)，從而影響剪刃D點的空間運行軌跡。每次偏心桿AS調(diào)節(jié)后，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自動鎖定以使AS與SB的空間位置固定。當(dāng)需要再次進(jìn)行調(diào)節(jié)時，對偏心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)解鎖后重復(fù)上述操作，直至剪刃D點相關(guān)性能達(dá)到設(shè)計要求。

圖1中，設(shè)OA桿長為r1；OC桿長為r2，角速度為ω2，轉(zhuǎn)角為φ；BC桿長為r3，角速度為ω3，與m軸的夾角為φ4，角加速度為α3；一定偏心轉(zhuǎn)角時折算的搖桿AB桿長為r4，角速度為ω4，與m軸的夾角為φ2，角加速度為α4；CD桿長為r5，CD桿與BC桿的夾角為φ3；xoy坐標(biāo)系與mon坐標(biāo)的夾角為φ1。由矢量方程可知，在mon坐標(biāo)系中有：

(1)

給定計算誤差ε=10-6，采用牛頓-辛普森方法[5]對式(1)進(jìn)行數(shù)值迭代求解可得到φ2和φ4的值。

對連接剪刃尖部的C鉸點,其m和n方向的坐標(biāo)值mC和nC為：

(2)

對剪刃尖部D點, 其m和n方向的坐標(biāo)值mD和nD為：

(3)

設(shè)D點沿m軸的速度為VDm，加速度為αDm，沿n軸的速度為VDn，加速度為αDn，則由式(3)分別對時間t求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)可得到：

(4)

(5)

將D點的運動參數(shù)轉(zhuǎn)化至坐標(biāo)系xoy中，設(shè)D點在xoy中的坐標(biāo)為(xD,yD)，其轉(zhuǎn)換公式為：

(6)

2 搖桿偏心折算的數(shù)學(xué)表達(dá)

為了分析偏心轉(zhuǎn)角的變化對飛剪剪刃位移差的影響，根據(jù)圖1建立搖桿偏心折算的分析示意圖，如圖2所示。當(dāng)偏心桿AS旋轉(zhuǎn)至一個角度并鎖定后，搖桿AB的長度隨之確定，剪刃D的軌跡即可通過前述方程進(jìn)行求解。

設(shè)定偏心桿AS與搖桿AB的夾角為a，偏心桿AS與桿SB的夾角為b，則有：

(7)

由式(7)可得：

(8)

式中：ΔABi為搖桿AB第i次的長度變化值，ai+1和ai分別為a的第i+1次和第i次的角度值。

3 具體算例

結(jié)合某熱軋H型鋼工程項目，給定各參數(shù)尺寸如表1所示。將表1中各相關(guān)參數(shù)代入式(1)～式(8)，并編制相應(yīng)的求解迭代程序，可得當(dāng)ΔAB分別為1、2、3、4、5 mm時,偏心轉(zhuǎn)角a逐漸變小，其對應(yīng)的減小值分別為4.3005°、4.4930°、4.7523°、5.1066°和5.6110°。

圖3、圖4所示為不同ΔAB時剪刃在x方向和y方向的位移差對比曲線。由圖3和圖4中可以看到，偏心軸AS的調(diào)整可以對剪刃的x、y方向軌跡產(chǎn)生影響，也即表明，偏心軸AS的設(shè)計可以有效地改變剪刃的運動軌跡，從而起到調(diào)整剪刃側(cè)隙及重合度的功效，進(jìn)而對主傳動小齒輪和大齒輪在安裝及加工過程中存在的誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。隨著ΔAB的增大，剪刃x方向的位移差絕對值越來越大，且呈現(xiàn)兩頭低、中部凸凹不平的“M”形狀。剪刃y方向的位移差絕對值隨著ΔAB的增大同樣越來越大，但在曲柄轉(zhuǎn)角約為70°～110°時，整個y方向的位移差近似呈正弦曲線分布。不同ΔAB下剪刃在x、y方向位移差呈現(xiàn)不同變化趨勢，表明在進(jìn)行剪刃側(cè)隙調(diào)整設(shè)計時，不能只考慮一個方向上的補(bǔ)償，還必須在考慮剪刃側(cè)隙的同時計及剪刃重合度的變化。

在實際的調(diào)試測量中，可以根據(jù)本計算結(jié)果，在相應(yīng)的變化范圍內(nèi)，依據(jù)剪刃D點的調(diào)試測量值運用插值方法反推出角度a需要調(diào)節(jié)達(dá)到的值，從而可以減少對偏心機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)次數(shù)。

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 結(jié)語

本文定性地分析了偏心機(jī)構(gòu)中偏心桿AS的偏心轉(zhuǎn)角對剪刃側(cè)隙的影響，結(jié)果表明，偏心桿AS的偏轉(zhuǎn)角對剪刃x和y方向位移都有影響。不同偏心轉(zhuǎn)角時剪刃在兩方向位移差呈現(xiàn)不同變化趨勢。進(jìn)行剪刃側(cè)隙調(diào)節(jié)設(shè)計時，不能只考慮一個方向上的補(bǔ)償，在考慮剪刃側(cè)隙調(diào)整時還須計及重合度的變化。這對實際工程中剪刃的調(diào)節(jié)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。求解方法具有一定的通用性，可為同類型的飛剪剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算提供參考。

[1] 黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2007：280-282.

[2] 陳占福.曲柄式飛剪剪刃運行軌跡分析[J].重型機(jī)械,2006(4):31-33.

[3] 王全先，解振山.起停式曲柄飛剪剪切機(jī)構(gòu)運動學(xué)性能分析[J].機(jī)械傳動,2004,28(6):52-53.

[4] 肖啟明,沈劍豪.基于ADAMS的IHI擺式飛剪剪切機(jī)構(gòu)特性分析與優(yōu)化[J].工程設(shè)計學(xué)報,2012,19(5):345-349.

[5] 姚傳義.數(shù)值分析[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2009：40-49.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305152)；中國博士后科學(xué)基金面上項目(2013M532018).

嚴(yán)國平(1978-)，男，中冶南方工程技術(shù)有限公司高級工程師，博士.E-mail:iamygp@163.com

TG333.2+1

A

1674-3644(2015)03-0183-03