兩種月牙剪結(jié)構(gòu)的對比分析

高衛(wèi)軍 王在芪 邢玉峰 杜敏 林松

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000；2.四川省技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，四川 成都 610041)

由于熱軋帶鋼邊部質(zhì)量不規(guī)整，一般在連續(xù)酸洗機組和酸洗-軋機聯(lián)合機組上布置圓盤剪對熱軋帶鋼進行切邊處理，達到所要求的帶鋼寬度，隨后進入冷軋機進行軋制或作為酸洗成品卷直接銷售。而連續(xù)機組中圓盤剪前必須要布置月牙剪，對帶鋼邊部進行沖切月牙缺口，當月牙缺口運行至圓盤剪剪刃處時，帶鋼邊部脫離圓盤剪剪刃(即圓盤剪脫刀)，此時圓盤剪可進行開口度調(diào)整或進行轉(zhuǎn)塔換刀。國內(nèi)早期某1550 mm酸洗冷連軋聯(lián)合機組圓盤剪前的月牙剪采用的平剪刃式剪切結(jié)構(gòu)，設(shè)備外形尺寸大、重量重，且月牙剪的沖切深度恒定；而通過現(xiàn)場考察近兩年新上的連續(xù)酸洗機組和酸軋機組發(fā)現(xiàn)月牙剪結(jié)構(gòu)為斜剪刃式，同樣來料規(guī)格的情況下，后者的剪切力、設(shè)備強度及重量均小于前者，且月牙剪的沖切深度可根據(jù)不用用途進行在線調(diào)整，這種結(jié)構(gòu)具有一定的市場競爭優(yōu)勢。

1 平剪刃月牙剪的結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

平剪刃月牙剪主要由2個活動剪切機、橫移液壓缸、軌道以及廢料箱組成。活動剪切機上裝有剪切液壓缸、連桿機構(gòu)、上下剪刃、車輪等，下剪刃固定不動，上剪刃可以上下活動實現(xiàn)剪切。其結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

1—右活動剪切機；2—左活動剪切機；3—橫移液壓缸；4—軌道；5—廢料箱。

1—剪切液壓缸；2—機架；3—上活動刀座；4—上剪刃；5—下剪刃；6—下固定刀座；7—車輪；8—連桿機構(gòu)；9—安全銷。

1.2 工作原理

左右兩個活動剪切機在橫移液壓缸的作用下在軌道上移動，進行開口度調(diào)整；活動剪切機達到指定位置后(由活動框架上的電氣檢測元件檢測)，剪切液壓缸驅(qū)動連桿機構(gòu)驅(qū)使上剪刃向下移動實現(xiàn)剪切，剪切下來的月牙廢料通過廢料溜槽滑送到傳動側(cè)基礎(chǔ)地面上的廢料箱內(nèi)。當廢料箱裝滿后，由行車吊運至運料車上，運出生產(chǎn)車間。

1.3 主要參數(shù)

平剪刃月牙剪主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 平剪刃月牙剪主要技術(shù)參數(shù)

1.4 設(shè)備特點

(1)設(shè)備(含廢料箱)總重量為12.5 t，剪切機設(shè)備笨重。

(2)剪切廢料通過溜槽滑入地面上的廢料箱內(nèi)，增加土建施工成本。

(3)上下剪刃均是整體式剪刃，材料利用率低，剪刃的重量大，增加了采購成本。

(4)剪切液壓缸缸徑大，同等剪切速度下，液壓閥的通徑大，成本高。

(5)剪切液壓缸剪切帶鋼時有小幅擺動，因此液壓缸管路上需要采用液壓軟管，成本增加。

2 斜剪刃月牙剪的結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)組成

斜剪刃月牙剪主要由2個活動剪切機、橫移液壓缸、滑動底座以及2個廢料箱組成?；顒蛹羟袡C上裝有剪切液壓缸、上下剪刃、滑道等，下剪刃固定不動，上剪刃可以垂直上下活動實現(xiàn)剪切。其結(jié)構(gòu)見圖3和圖4。

1—右活動剪切機；2—左活動剪切機；3—橫移液壓缸；4—滑動底座；5—廢料箱。

1—機架；2—剪切液壓缸；3—上活動刀座；4—上剪刃；5—下剪刃；6—滑道；7—活動溜槽。

2.2 工作原理

左右兩個活動剪切機在橫移液壓缸的作用下在滑動底座上移動，進行開口度調(diào)整；活動剪切機達到指定位置后(由活動框架上的電氣檢測元件檢測)，剪切液壓缸驅(qū)動上活動刀座驅(qū)使上剪刃向下垂直移動實現(xiàn)剪切，剪切下來的月牙廢料通過活動溜槽滑送到傳動側(cè)設(shè)備旁的廢料箱內(nèi)。當廢料箱裝滿后，由行車吊運至運料車上，運出生產(chǎn)車間。

2.3 主要參數(shù)

斜剪刃月牙剪主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 斜剪刃月牙剪主要技術(shù)參數(shù)

2.4 設(shè)備特點

(1)設(shè)備(含2個廢料箱)總重量為5.2 t，剪切機設(shè)備小巧。

(2)剪切廢料通過活動溜槽滑入地面上的廢料箱內(nèi)，土建施工成本低。

(3)下剪刃為分體式剪刃，分為了三段，材料利用率高，剪刃的重量小，降低了了采購成本。

(4)剪切液壓缸缸徑小，同等剪切速度下，液壓閥的通徑小，成本低。

(5)剪切液壓缸剪切帶鋼時無擺動，因此液壓缸管路上可以采用硬管，減少了液壓軟管的使用，成本降低。

3 理論計算

以1550 mm規(guī)格的酸軋機組產(chǎn)品大綱為依據(jù)，進行剪切力的理論計算。

3.1 來料性能

該酸軋機組的產(chǎn)品主要有：熱軋低碳鋼、超低碳鋼(IF鋼)、高強鋼(HSS)、中低牌號無取向硅鋼等，來料性能見表3。

表3 來料性能

3.2 最大剪切力的計算

經(jīng)過生產(chǎn)實踐和科學(xué)實踐證實：剪切過程是由壓入變形和剪切滑移兩個階段組成，剪切過程的實質(zhì)是金屬的塑性變形過程。在這兩個階段，被剪鋼板剪切區(qū)域內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)隨著剪切過程的深入而不斷變化，因此剪切力也隨之在不斷的變化。

3.2.1 剪刃壓入金屬階段

如圖5[1]所示，剪刃壓入金屬后，剪刃對被剪切鋼板產(chǎn)生豎直壓力P構(gòu)成的力矩Pa使被剪鋼板有順時針旋轉(zhuǎn)的趨勢。而剪刃側(cè)面對被剪鋼板產(chǎn)生側(cè)向推力T構(gòu)成的力矩Tc阻止被剪鋼板順時針轉(zhuǎn)動。隨著剪刃的壓入，兩力矩達到平衡時，被剪鋼板停止轉(zhuǎn)動，即

圖5 剪切時作用在軋件上的力

Pa=Tc[1-4]

(1)

T=Ptanγ

(2)

(3)

(4)

式中，γ是鋼板轉(zhuǎn)動角度；h是鋼板厚度；c是上下剪刃側(cè)推力T之間的距離；z是剪刃壓入鋼板的深度；x是剪刃壓入鋼板的寬度。

由上述公式可以推導(dǎo)得到：

(5)

3.2.2 金屬塑性滑移階段

如圖6[3]所示，按照圖中的拋物線A，剪切力P隨被剪鋼板的相對切入深度ε的增大而增大，一直增大到金屬開始沿整個斷面產(chǎn)生滑移為止，此時剪切力P達到最大值。假設(shè)剪切應(yīng)力τ為常數(shù)，則剪切力P將沿直線B減小。但實際上剪切力P是按照曲線C變化的，說明剪切應(yīng)力τ值不是常數(shù)，而是隨著被剪鋼板的相對切入深度ε的增大而減少。

圖6 P隨ε變化圖

此階段有如下公式：

(6)

3.3 直剪刃的剪切力的計算

首先需根據(jù)所剪切最大鋼板斷面尺寸來確定剪切機的公稱能力，即確定最大剪切力。最大剪切力可按下式計算：

Pmax=KFτmax[4]

(7)

式中，K是考慮刀鈍、剪刃間隙增加對剪切力影響的系數(shù)，一般取值1.2；τmax是被剪鋼板在常溫下的最大單位剪切抗力，根據(jù)材料性能，可按0.6σb取值[5]；σb是材料抗拉強度，取σb=800 MPa；F是被剪鋼坯的原始橫斷面面積，F(xiàn)=hb；h是最大板厚，取h=6.0 mm；b是剪切弧長，剪刃為月牙形狀，取其剪切的最大弧長為420 mm。代入式(7)，可得

Pmax≈1451 kN

即理論需要的最大剪切力是1451 kN。

根據(jù)平剪刃月牙剪剪切液壓缸及連桿結(jié)構(gòu)分析[6]，得出月牙剪的剪切能力F大小為：

F=πD2pn/4

(8)

式中，D是剪切液壓缸缸徑，取值?180 mm；p是剪切液壓缸工作壓力，取值14 MPa；n是連桿的力放大倍數(shù)，取值4.8。代入式(8)得

F≈1709 kN

因F>Pmax，所以設(shè)備能力滿足剪切要求。

3.4 斜剪刃的剪切力的計算

斜剪刃的剪切力的計算有很多種，諾沙里剪切計算公式是最為常用的。

根據(jù)諾沙里剪切計算公式，剪切力：

(9)

(1)Z=f(λ)，其中

(10)

式中，an是被剪掉部分的最小寬度，此項目為120 mm；α是剪刃斜角，此項目為6°，于是tanα=0.105；δ5是材料的延伸率，取0.25；h是剪切最大板厚，此項目為6.0 mm。代入式(10)得：

λ=8.4

查圖7得：Z≈0.95

圖7 Z隨λ變化圖

(2)刀片的側(cè)隙相對值[8]

y=δ/h

(11)

式中，δ是剪刃間隙，當剪切板厚h≤5 mm時，δ=0.07h；當h=10～20 mm，δ=0.5 mm。因此：y=0.07。

(3)X為壓板作用的系數(shù)

X=c/h

(12)

式中，c是壓板中心到剪切平面的距離，設(shè)計初步計算可按X=10取值。

(4)K為刀鈍系數(shù)，一般K=1.15～1.2，這里取1.2。

(5)σb為材料抗拉強度，取σb=800 MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入式(9)中，得：

微課平臺的開發(fā)可與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，以增強學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)環(huán)境的體驗性和對知識的感知認知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的沉浸式場景可以模仿真實復(fù)雜場景，使學(xué)習(xí)者跨越時空限制獲得同樣的學(xué)習(xí)體驗。

Pn=127 kN

即理論需要的最大剪切力是127 kN。

而斜剪刃月牙剪剪切液壓缸缸出力F大小為：

F=πD2pn/4≈281 kN

因F>Pn，所以設(shè)備能力滿足剪切要求。

4 結(jié)構(gòu)對比

4.1 兩種月牙剪的重要參數(shù)及結(jié)構(gòu)對比

重要參數(shù)及結(jié)構(gòu)對比見表4。

從表4中可以看出：在同樣剪切能力的情況下，斜剪刃式月牙剪在占地面積、設(shè)備投資、設(shè)備制造難易程度、配套件的選型以及剪刃成本上都明顯優(yōu)于直剪刃式月牙剪。

表4 重要參數(shù)及結(jié)構(gòu)對比

4.2 兩種月牙剪的月牙形狀對比

月牙剪剪切的缺口形式如圖8所示。

缺口形狀1—直剪刃式月牙剪 缺口形狀2—斜剪刃式月牙剪

月牙剪剪切的缺口是為了使帶鋼脫離圓盤剪剪刃縫隙，實現(xiàn)圓盤剪的工藝動作(橫向移動進行調(diào)寬或轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)進行更換剪刃)。

從功能上來說，兩種結(jié)構(gòu)的月牙剪剪切的缺口均能滿足圓盤剪的使用需求。

從使用上來說，在剪切深度100 mm的情況下，平剪刃式月牙剪的剪切缺口長度752 mm比斜剪刃式月牙剪的剪切缺口長度702 mm長，但平剪刃式月牙剪剪切缺口的脫刀范圍396 mm比斜剪刃式月牙剪剪切缺口的脫刀范圍564 mm短，對月牙缺口的定位精度要求就高，控制難度增加。

所以，從設(shè)備實際使用上，斜剪刃式月牙剪也優(yōu)于直剪刃式月牙剪，控制要求有所降低。

5 使用情況對比

平剪刃式月牙剪是依靠光電開關(guān)進行剪切，且月牙的剪切深度是固定值，深度值均是兩個光電開關(guān)之間的距離，如圖9所示。光電開關(guān)B001～B004為帶鋼邊部檢測，光電開關(guān)B005～B008為月牙剪切位置檢測；由于光電開關(guān)的安裝位置是固定的，所以每次剪切的月牙剪深度也是固定的。而斜剪刃式月牙剪的控制元件是由如圖9所示的光電開關(guān)B001～B004和橫移液壓缸內(nèi)置位移傳感器組成，由光電開關(guān)檢測帶鋼邊部位置，由位移傳感器控制月牙剪切深度。這樣就可以實現(xiàn)根據(jù)不同的月牙用途來自動剪切不同的月牙深度。

圖9 月牙剪的電氣控制元件

6 結(jié)論

綜上所述：通過理論分析計算和結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，無論是從降本增效的角度還是從對控制精度的要求出發(fā)，斜剪刃式月牙剪都優(yōu)于平剪刃式月牙剪，斜剪刃式月牙剪將作為以后新建項目首選結(jié)構(gòu)。

斜剪刃式月牙剪的優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)設(shè)備投資方面，斜剪刃式月牙剪比平剪刃式月牙剪節(jié)約約60%。

(2)土建投資方面，斜剪刃式月牙剪廢料的移送依靠設(shè)備本身溜槽，取消了土建混凝土溜槽，土建施工成本低。

(3)使用維護方面，斜剪刃式月牙剪剪切缸剪切帶鋼時無擺動，因此液壓缸管路取消了液壓軟管的使用，減少了漏點維護。

(4)使用成本方面，斜剪刃式月牙剪剪刃重量輕，備件成本僅是直剪刃式月牙剪的30%。

(5)控制精度方面，斜剪刃式月牙剪采用光電開關(guān)和位移傳感器控制，可根據(jù)不同用途自動調(diào)整月牙剪的剪切深度。