中厚板圓盤剪切機徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇法探討

范增超，董 軍，李艷紅，左文杰，張尚平

（河鋼集團邯鋼公司中板廠，河北 邯鄲 056015）

目前國內(nèi)大部分中厚板生產(chǎn)線采用動力圓盤剪作為精整區(qū)域鋼板在線切邊的主要設(shè)備，圓盤剪是通過上、下刀盤的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)縱向剪切軋制后的鋼板兩側(cè)，達到修剪邊緣、使成品板材符合寬度尺寸要求。

圓盤剪剪切時, 刀盤以相當(dāng)于鋼板的運動速度做圓周運動, 形成一對無端點的剪刃，使被剪的鋼板材料發(fā)生變形、滑移，最終被完全切斷的過程。

1 結(jié)構(gòu)特點

中厚板圓盤剪機通常都是動力剪，機組本身有傳動裝置。其整體結(jié)構(gòu)中包括：機架（箱體或剪體）移動裝置、刀盤側(cè)向間隙調(diào)整機構(gòu)、刀盤重合度調(diào)整機構(gòu)、刀盤（軸）的傳動裝置、移動側(cè)機架（箱體或剪體）的鎖緊裝置。

剪切4mm ～25mm 中厚板時，為使剪切后的鋼板保持平直，已切掉的板邊向下彎曲，易于送入碎邊剪碎斷，一般都使上刀盤的中心向鋼板出口側(cè)偏移一定距離，即為圓盤剪上下兩刀盤中心的水平距離。

2 剪切機理探究

經(jīng)生產(chǎn)實踐證實：鋼板通過圓盤剪剪切時，鋼板下表面在剪切前、后始終與布置在圓盤剪前、后的輸送輥道接觸不分離，使鋼板保持平直輸送。

當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)動與鋼板接觸后，使得上刀盤開始逐步壓入鋼板邊部的上表面，在鋼板縱向剪切斷面的被剪掉板邊一側(cè)發(fā)生局部壓入變形，當(dāng)發(fā)生的局部壓入變形過渡到剪切滑移狀態(tài)后，板邊沿剪切斷面產(chǎn)生相對滑移，直至被運送鋼板的剪切斷面被連續(xù)剪斷，已切掉的板邊才能不斷向下彎曲，不停被送入碎邊剪碎邊，完成整個縱向剪切過程。

在剪切的整個過程中：處在剪切變形區(qū)的鋼板下表面應(yīng)當(dāng)始終受到下刀盤施加的與鋼板運動方向一致（向前）的摩擦力（F），才能使得鋼板能保持平直輸送，如圖1 所示；而鋼板邊部的上表面，在上刀盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)下受到純剪切力和使板邊向下彎曲變形的作用力的合力（P）作用，在剪切斷面滑移后使被剪掉的板邊經(jīng)導(dǎo)槽送至碎邊剪碎斷。

在文獻[1，2] 中推薦的圓盤剪在剪切過程中剪切合力（P）的變化規(guī)律，常用的是諾沙里解析公式和柯洛遼夫解析公式。

從兩個解析公式分析得出：在穩(wěn)定剪切時剪切力與鋼板的幾何參數(shù)—厚度的平方（H2）和鋼板的力學(xué)參數(shù)—抗拉強度（σb）的乘積（H2σb）成正比，這是圓盤剪穩(wěn)定剪切時合力的變化規(guī)律中兩公式所共同具有的特征；由于兩公式設(shè)定的實際條件的差穩(wěn)定剪切中合力變化的另一特征。

3 參數(shù)幾何關(guān)系推測

中厚板圓盤剪切機的徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)大致包括：刀盤半徑大小，刀盤中心的水平距離、刀盤中心的鉛垂距離，刀盤的徑向調(diào)整偏心量。選擇這些參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)要剪切的鋼板品種規(guī)格、材質(zhì)、以及其力學(xué)性能等要求來確定具體參數(shù)值。

根據(jù)壓入變形、剪切滑移、平直輸送的剪切機理，用“以直代曲” 與斜刃剪類似分析方法來確定圓盤剪參數(shù)幾何關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 圓盤剪參數(shù)的幾何關(guān)系圖

在 圖1 中，OB=OE 為 圓 盤 剪 的 刀 盤 最 小 直 徑Dmin，△OBE 為等腰三角形且∠OBE= ∠OEB，∠BOE 為咬入角α=10 ° ～15 ° ；BA=Hmax為 鋼 板 最 大 厚 度,FE 為 被 剪 鋼板斷裂時刻刀盤切入鋼板的深度，ε=FE/Hmax設(shè)為其斷裂相對切入深度。BE 為刀盤中心的水平距離（簡稱水平偏心距），L=OF+Hmax+Rmin為刀盤中心的鉛垂距離（簡稱垂直中心距）。

在圖2 中，直角△BFE 有∠FEB（即∠OEB）=90° -θ ；等腰 三 角 形△OBE 中∠OBE= ∠OEB，α=180 ° -2 ∠OEB（ 或2 ∠OBE）；因此，可得咬入角α=2θ。

刀盤的名義半徑R 和刀盤中心的鉛垂距離L 選定后，其旋轉(zhuǎn)中心的徑向調(diào)整偏心量j 的大小應(yīng)滿足：刀盤半徑為Rmin徑向間隙最小，能夠剪切最小厚度的鋼板Hmin（即小、小、小原則）；刀盤半徑為R 徑向間隙最大，能夠最大厚度的鋼板Hmax（即大、大、大原則）。

依照上述原則，在圖2 所示中，刀盤（刀軸）的中心的徑向調(diào)整偏心量j=D/2+(1 － 2ε)Hmax/2 － L/2 （Hmax通常是設(shè)備用戶提供的產(chǎn)品方案中被剪切的鋼板最的大厚度值）。

圖2 刀盤零間隙切線結(jié)構(gòu)圖

4 參數(shù)的數(shù)值化研究及實例計算

中厚板圓盤剪機徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值化是圓盤剪設(shè)備基本設(shè)計階段的首要任務(wù)，設(shè)計者在深入研究設(shè)備用戶（鋼鐵廠）提出的產(chǎn)品方案后，選取徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)時應(yīng)考慮下列因素：

（1）從設(shè)備用戶提供的產(chǎn)品方案中，挑選H2σb（鋼板厚度的平方與抗拉強度的乘積）的乘積最大值所對應(yīng)的鋼板，作為徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時的典型產(chǎn)品。

（3）被剪鋼板斷裂時刻刀盤切入鋼板的深度ε(=FE/H), 可從文獻[1] 中選取相應(yīng)的ε 數(shù)據(jù)進行計算。

5 實例計算

設(shè)備用戶向設(shè)備制造商提出了表1 所列的鋼板剪切產(chǎn)品方案，要求提供完整成套的圓盤式剪切機。

設(shè)備制造商為了做好設(shè)備的詳細設(shè)計，在基本設(shè)計階段對圓盤剪的徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了評估和選取。

表1 鋼板剪切產(chǎn)品方案

( ⅰ) 選擇 H2σb最大值。經(jīng)過對產(chǎn)品方案中鋼板的H2σb值計算比較后，選取H2σb值最大的普碳鋼板（Q235A、B、C、D）作為典型產(chǎn)品用以計算，典型產(chǎn)品鋼板的最大厚度Hmax=30mm, 最大抗拉強度σb=500Mpa。

（ⅱ）計算鋼板斷裂時刻刀盤切入深度。根據(jù)典型產(chǎn)品的最大抗拉強度σb=500Mpa 值，對應(yīng)地從表1 選取鋼板斷裂時刀盤相對切入深度ε=0.39。此刻斷裂瞬時的切入鋼板深度FE=εHmax=0.39×30=11.7mm。

（ⅲ）刀盤最小直徑Dmin，名義直徑D。在圖2 中，進行設(shè)計試湊選取咬入角α=13°（θ=6.5°），在等腰三角形△OBE 中，依據(jù)余弦定理：

刀盤最小半徑Rmin=OB=OE==457.332 ,刀 盤 最 小 直 徑Dmin=457.332×2=914.664 ≈915mm（ 圓 整值）；名義半徑R=Rmin+M=457.332+50=507.332，名義直徑D=507.332×2=1014.664 ≈1015mm( 圓整值)。

（ ⅳ）刀盤中心的水平距離e。在圖2 中，直角△BFE 有e=BE=FE/=11.7/0.1139=102.722mm ≈102（圓整偶數(shù)值）。

（ⅴ）刀盤中心的鉛垂距離L。在圖2 中，刀盤中心的鉛垂 距 離L 有 三 部 分 組 成， 即L=OF+Hmax+Rmin=Rmin(1+)+Hmax=457.332×（1+0.9744）+30=933.288 ≈935（圓整值）。

（vi）刀盤的徑向調(diào)整偏心量j。根據(jù)選定的剪切典型產(chǎn)品—— 普碳鋼板（Q235A、B、C、D）的最大剪切厚度值Hmax=30mm，那么刀盤（ 刀軸）的中心的徑向調(diào)整偏心量j=D/2+(1 － 2ε)Hmax/2 － L/2=1015/2+（1-2×0.39）×30 ／ 2 －935 ／ 2=507.5+3.3-467.5=43.3 ≈45mm( 圓整值)。

6 結(jié)語

通過對中厚板圓盤式剪切機徑向結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇法的分析和推測研究，試圖為從業(yè)者提供一種可行的設(shè)計實用方法；同時該方法為同類裝備今后的研發(fā)、創(chuàng)新和能力的評估提供可參考的依據(jù)。