雙偏心曲柄擺剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

張全逾

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，河北 承德 067000)

雙偏心曲柄擺剪是棒材生產(chǎn)線上的重要設(shè)備[1］。通過(guò)對(duì)擺剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析研究，可以對(duì)擺剪的剪切過(guò)程進(jìn)行深入了解以及對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。研究采用運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件進(jìn)行[2-4］。雙偏心擺式飛剪系統(tǒng)的三維實(shí)體模型采用三維建模軟件SolidWorks 2012建立。擺剪系統(tǒng)由若干零部件構(gòu)成。由于要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，因此，在首先建立起各部件的零件圖，進(jìn)行裝配后再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真。

1 三維模型的建立

首先，根據(jù)零件的真實(shí)尺寸建模，主要零部件有雙偏心主軸，連桿，上下刀座，上下剪刃等。各主要零部件的模型建立后，對(duì)其進(jìn)行裝配，按照擺剪實(shí)際的接觸、相對(duì)位置，采用配合工具里面的同軸，平行等條件為約束，建立的雙偏心擺剪的三維模型如圖1所示。

2 擺剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 兩剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡

擺剪模型建立后，加載偏心軸和擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，在結(jié)果選項(xiàng)里選擇路徑跟蹤功能，選擇剪刃的兩個(gè)端點(diǎn)，可以看到兩個(gè)點(diǎn)在整個(gè)剪切周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示。

A，B點(diǎn)分別為兩剪刃距離為0的時(shí)刻的位置，CD為剪切時(shí)剪刃的最大重疊量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，上下剪刃的擺動(dòng)速度隨擺動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，擺剪剪刃速度從0加速直至最大，當(dāng)?shù)竭_(dá)最左端時(shí)又減速到0，在這個(gè)過(guò)程中上剪刃下降，下剪刃提升。之后剪芯開(kāi)始向右擺，直至基本達(dá)到最大速度時(shí)，剪刃開(kāi)口為軋件直徑時(shí)開(kāi)始剪切，并同時(shí)等速前進(jìn)，到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，軋件切斷。切斷后，上剪刃繼續(xù)下降達(dá)到D點(diǎn)，下剪刃繼續(xù)上升達(dá)到C點(diǎn)，則達(dá)到最大重疊量。隨著剪切進(jìn)行，上、下剪刃提升，到B點(diǎn)時(shí)，兩剪刃重疊量為0，直到最右端速度為0時(shí)，最后恢復(fù)到初始位置。可以看到，剪切以及切斷是在初始位置的左側(cè)進(jìn)行的。

2.2 雙偏心軸起始相位角的影響

由于雙偏心主軸存在著一個(gè)大偏心量和一個(gè)小偏心，所以其初始角度不同，兩剪刃的開(kāi)口是不一樣的，同樣轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程兩剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡、咬入剪切時(shí)刻、速度變化規(guī)律都是不同的，因此研究了不同起始相位角對(duì)各參數(shù)的研究規(guī)律。以擺剪開(kāi)口最大位置時(shí)雙偏心擺剪的啟動(dòng)相位角為0°，取相位角分別為0°，45°，60°，69°，86°，98°。

圖3為不同啟動(dòng)相位角，剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。可以看到隨著起始相位角的增加，剪切位置由右側(cè)向左側(cè)移動(dòng)。

當(dāng)啟動(dòng)角為0°時(shí)，剪切位置基本處于最右端，由圖發(fā)現(xiàn)剪刃重疊的過(guò)程中剛剛結(jié)束，就發(fā)生了回復(fù)，這個(gè)時(shí)刻剪刃的水平速度基本為0。當(dāng)啟動(dòng)角為98°時(shí)，剪切位置基本處于最左端，剪刃剛剛經(jīng)過(guò)最左端而向右擺動(dòng)，這時(shí)刻剪刃的水平速度同樣基本為0。所以就找到了剪切極限位置時(shí)的初始相位角，合理的初始相位角必定在這個(gè)范圍內(nèi)，圖 3 b)，c)，d)，e)分別為 45°，60°，69°，86°時(shí)的軌跡。為了考察其合理性，以剪刃的水平速度與軋件的速度差為主要依據(jù)，以剪刃的垂直速度大小為次要依據(jù)，詳細(xì)分析啟動(dòng)相位角的合理范圍。

表1為不同啟動(dòng)相位角的情況下，剪切φ32 mm的鋼筋咬入與切斷的時(shí)刻，可知，隨相位角的增加，咬入剪切時(shí)刻提前。

表1 不同啟動(dòng)相位角咬入時(shí)刻與剪斷時(shí)刻

表2為剪切過(guò)程中，剪刃水平速度大于軋件速度的時(shí)間范圍，以及在這個(gè)時(shí)間內(nèi)剪刃的垂直速度范圍?？芍?，水平速度大于1.4 m/s的時(shí)刻都在0.47 s～0.57 s附近，這是由于導(dǎo)柱的擺動(dòng)主要決定了剪刃的水平速度大小，但垂直速度就在這時(shí)間的變化就很大，這主要由曲柄的初始相位角決定。

啟動(dòng)角為0°，咬入時(shí)水平速度已經(jīng)達(dá)到1.4 m/s，剪斷時(shí)刻速度已經(jīng)低于軋件速度，則會(huì)出現(xiàn)堆鋼現(xiàn)象，垂直速度處于上升階段。啟動(dòng)角為45°，軋件從咬入到剪斷剪刃都處于水平速度大于1.4 m/s，并且剪切時(shí)速度也處于較大值。而啟動(dòng)角大于60°時(shí)，水平速度未達(dá)到1.4 m/s時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始剪切了，同樣會(huì)出現(xiàn)堆鋼，并且垂直速度較低，引起一定的沖擊振動(dòng)。因此啟動(dòng)相位角在45°左右比較合適。

表2 水平速度大于軋件速度的時(shí)間范圍與該時(shí)間內(nèi)的垂直速度

2.3 上下剪刃的速度分析

2.3.1 水平速度分析

根據(jù)擺剪運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)，分別在雙偏心主軸好下擺曲柄上添加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將兩個(gè)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線輸入到軟件中。擺剪在剪切過(guò)程，上下剪刃的水平速度與軋件的運(yùn)動(dòng)速度的匹配，對(duì)擺剪的沖擊，尤其是軸承等關(guān)鍵部件的影響較大。

下圖4為飛剪機(jī)剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)上下剪刃的水平速度。由于上剪刃固定在上刀座上，上刀座沿著導(dǎo)柱上下滑動(dòng)，下剪刃所在的下刀座與導(dǎo)柱固定在一起，在擺動(dòng)連桿的帶動(dòng)下左右搖擺，所以上剪刃的水平速度有擺動(dòng)的導(dǎo)柱決定，由于上刀座的回轉(zhuǎn)半徑略小于下刀座的，所以上刀座的水平速度略低于下刀座，尤其在兩剪刃開(kāi)口較大的范圍內(nèi)，兩者速度差最大。

下剪刃接觸軋件時(shí)和上下剪刃同時(shí)接觸軋件時(shí)，軋件會(huì)對(duì)上下剪刃產(chǎn)生一定的沖擊，但是如果軋件與兩剪刃之間的速度差別不大時(shí)，這種沖擊可以忽略不計(jì);當(dāng)軋件水平速度與兩剪刃之間的速度差較很大時(shí)，軋件在水平方向上會(huì)對(duì)上下剪刃產(chǎn)生較大的沖擊，加大軸承的沖擊載荷，以及關(guān)鍵部件的磨損，甚至斷裂，影響飛剪機(jī)正常工作，同時(shí)增大振動(dòng)幅度，造成很大的噪聲，所以必須消除或降低這種水平方向的沖擊力。

由圖可以看到，從0.472 5～0.577 5 s，兩剪刃的水平速度大于軋件的水平速度1.4 m/s，剪切過(guò)程在這區(qū)間內(nèi)完成，則軋件對(duì)擺剪的沖擊較小，剪切斷面質(zhì)量較好。

2.3.2 垂直剪切速度分析

擺剪剪切過(guò)程中，是由曲柄帶動(dòng)上刀座，使其速度由0加速到最大值，通過(guò)上刀座儲(chǔ)存的能量將棒材切斷，由于上刀座包括鎖緊缸以及剪刃的總質(zhì)量高達(dá)2.5 t左右，因此，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一定的情況下，剪切時(shí)剪刃的速度愈大，剪切力對(duì)雙偏心主軸以及軸承的沖擊越小。

圖5為上下剪刃剪切方向的速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖可知，由于上剪刃的所屬的軸承的偏心量明顯大于下剪刃，所以其剪切速度明顯較大?？梢钥闯?，上下剪刃速度最大時(shí)，都處于下降趨勢(shì)，其中上剪刃最大速度為799 mm/s，下剪刃最大63 mm，兩者的速度差為736 mm/s，速度峰值出現(xiàn)在0.465 s。如果剪切時(shí)刻出現(xiàn)在速度差最大時(shí)刻，則有利于剪切質(zhì)量以及對(duì)擺剪系統(tǒng)的影響。

2.4 剪切時(shí)刻的判定

為了考察擺剪剪刃的最大水平速度和垂直速度最大值是否出現(xiàn)在在剪切過(guò)程中，提取了上下剪刃的y向坐標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律，圖6所示，兩者的差為擺剪剪刃的開(kāi)口，當(dāng)兩剪刃的距離減小到軋件直徑32 mm時(shí)，則兩剪刃同時(shí)接觸軋件，此時(shí)，剪切開(kāi)始。

由圖可以看到，當(dāng)0.215 s時(shí)下剪刃先接觸軋件并將軋件向上抬升，當(dāng)0.485 s時(shí)，兩剪刃距離達(dá)到32 mm，上下剪刃接觸軋件，上下剪刃相對(duì)運(yùn)動(dòng)剪切軋件，在0.535 s時(shí)，剪刃間距離為0，軋件被剪斷，直到0.577 5 s時(shí)剪刃重疊量達(dá)到最大9.09 mm，之后兩剪刃開(kāi)始分離，直到0.92 s開(kāi)口達(dá)到最大值150 mm。

根據(jù)前面的研究我們知道，剪刃的水平速度大于軋件速度的范圍為0.472 5 s～0.577 5 s，垂直速度峰值出現(xiàn)在0.475 s左右，都在軋件咬入直至切斷這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，因此，偏心軸和擺動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)速設(shè)定是合理的。

3 總結(jié)

1)應(yīng)用三維建模軟件solidworks建立了雙偏心擺式飛剪的三維模型，可以直觀的對(duì)擺剪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。

2)當(dāng)雙偏心主軸的啟動(dòng)相位角為45°時(shí)，軋件的剪斷過(guò)程中剪刃的水平速度都大于1.4 m/s，并且上下剪刃垂直速度也處于較大值，達(dá)到736 mm/s。

3)剪切直徑32 mm的軋件時(shí)，擺剪在0.485 s時(shí)開(kāi)始剪切，0.535 s時(shí)切斷，整個(gè)剪切過(guò)程0.05 s。

[1]左家信，陳斌，馬鋪智.棒材熱連軋4500kN擺剪的工作原理及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J］.機(jī)械工程師，2011(6):151－153.

[2]辛文彤，李志尊.SolidWorks高級(jí)教程簡(jiǎn)編[M］.北京:人民郵電出版社，2012.

[3]李傳軍，李振華.三維空間刀具半徑補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)[J］.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2014，16(5):29－30.

[4]He.N，Bai.H.Developing the SolidWorks Standard Workpiece Library Based on VB[J］.Machinery＆ Electronics.2004，6:5－11.