剪切机主要力能参数的新研究

供稿|张宏洲

剪切机主要力能参数的新研究

供稿|张宏洲

内容导读

钢铁行业本身是一个高能耗的基础产业，随着全球经济的发展，全球经济和能源的危机，必然要对高能耗的产业进行节能降耗的改造和开展低碳环保经济的发展。通过对现有设备的升级改造及新设备的低碳设计来满足经济可持续发展的要求，就必须对现有的理论进行深入的分析和研究，为其提供理论依据。在此前提下，作者根据多年的设计经验和现场实测，对剪切机力能参数进行深入分析和计算，无论是对新的剪切机或同类设备工艺和产品设计，还是对原设备的工艺改造及产能裕度的计算，都具有实际意义。

剪切机是现代轧钢车间连轧生产线上的关键设备，通常用于方坯、扁坯、钢板和一些条形钢材的切头、切尾和定尺长度的切断。中国从 20 世纪 70 年代引进现代化的冶金设备至今，不论是引进的和自行设计的剪切机，在实际生产使用中都会出现不同程度的问题。通过长期的设计和现场使用，对现有的多种设备的结构进行了实测、力学分析、有限元分析，发现力能参数计算是值得深入认真研究的重要问题。

随着现代技术的不断发展，各种复杂结构的剪切机不断产生，一般根据工作原理、刀片形状和用途的不同，可分为平行刀片剪切机、斜刀片剪切机、圆盘式剪切机、飞剪机这几种基本类型。目前的剪切机一般由剪切系统、齿轮传动系统、离合系统以及控制系统组成。

剪切机的主要参数包括两类：一类是结构参数，如刀片行程、刀片最大开口度、刀片尺寸和剪切次数：另一类是力能参数，如剪切力、剪切力矩和电机功率。

结构参数的确定主要根据轧件的断面尺寸以及生产工艺决定，但其参数的变化与力能参数又紧密结合。力能参数的确定最终决定了结构参数。每一个力能参数的确定都与剪切力有密切关系。不管其结构再复杂，其力能参数是基本不变的。因此对剪切机力能参数的深入研究，对现有的在线设备改造和新研制设备都具有重要的实际意义。

剪切机的典型结构

近些年来，随着轧钢设备现代化发展，高新技术水平不断提高，一般轧钢车间常见的剪切机是启停式连杆机构，这种剪切机从原理结构上大致可分为两类：一类是离合器启停式剪切机，始于 20 世纪 70 年代我国引进消化技术和自行设计制造的设备，其主要有气动离合和机械离合以及带反爬复位装置的离合控制；另一类是电机启停式剪切机，目前国外的先进设备多是直接对电机进行制动控制，控制精度高，价格昂贵。

上切式曲柄连杆滑座式剪切机是启停式连杆机构典型的结构。该类型剪切机主要由电机、飞轮、离合和制动器、剪切机本体 (包括减速器)、检测元件等部分组成。其特点是气动离合器和气动制动器一般都安装在高速轴上，通过对气动离合器和气动制动器的控制来实现该设备的两种状态：一种是非剪切状态。此时，气动离合器处于打开状态，气动制动器处于制动状态，高速轴不转，电机通过皮带传动带动飞轮长转，上刀座处于剪切上位。另一种是剪切状态。此时，气动离合器处于闭合状态，气动制动器处于打开状态 ，高速轴旋转，电机通过皮带传动带动飞轮旋转，通过二级传动减速器带动曲轴及滑座、上刀座完成一次上下剪切动作。剪切完成后通过检测元件发信号直接进入非剪切状态。

剪切力的计算

依据剪切机结构特点的典型性对其力能参数进行深入的研究对设备产能的发挥和新设备的设计是有指导意义的。

首先是剪切力的计算。此类型剪切机的刀片形状图一般有以下两种形式：一种是平行刀片剪切机见图 1 (a)；一种是斜刀片剪切机见图 1 (b)。

图1 (a) 平行刀片和 (b) 斜刀片剪切机

平行刀片剪切机的两个刀片彼此平行，通常用于剪切钢坯，有时也用于管坯和小型圆钢。斜刀片剪切机的两个刀片，一个水平，另一个则倾斜某一角度 α，通常用于冷剪、热剪钢板和薄板坯，有时也用于棒料和型钢。按图 1 (a) 断面 F (剪切力) 图对剪切力进行计算分析。一般按下式计算：

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式中，Fmax为最大剪切力，N；τmax为最大单位剪切阻力，N / mm2；A 为被剪切原始断面面积，mm2；K1为考虑刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力增大的系数，可按剪切机的能力选取；小型剪切机 (F ＜ 1.6 MN)，K1= 1.3；中型剪切机 (F = 2.5 ～ 8 MN)，K1= 1.2；大型剪切机(F ＞ 10 MN)，K1= 1.1。

在设计剪切机时，首先通过坯料确定最大断面尺寸和找出材料单位剪切阻力曲线最大值，选取合适的负荷系数就可以计算出最大的剪切力。这种计算出来的剪切力作为本体结构设计的值，会与实际测量的不符。通过对使用的状况实测及分析，在所有的剪切过程中无论是什么类型的剪切机，在实际剪切过程中，其刀片突然遇阻，所产生的冲击力是比较大的。在剪切中，一般从剪切开始到剪切结束时间为剪切周期的 1/4，时间一般都不超出 1 s，如果是高速线材和带钢所用的在线飞剪机，则时间有的不超出 0.01 s，时间很短。同一种材料，同一种规格，其速度越快冲击力越大。依据动量定律，动量的增量等于合外力的冲量。即：

式中，t1、t2为剪切开始时间、剪切深入 30 % 时间；F 为瞬间冲击力；Fm为平均冲击力；m为上刀座的质量；v1、v2为剪切开始速度、剪切深入 30 % 的速度。

从式 (2) 可以看出时间越短冲击力越大。因此，在确定最大的剪切力时，应该对冲击力进行单独计算并与原计算的最大剪切力迭加。这个值主要与剪切的速度有关：当速度高时其值较大，速度低时其值对计算结果影响不大，可以不用考虑。若剪切速度为v，v ＜ 0.5 m / s 时，可以不考虑；v ＞ 0.5 m / s 时，根据具体剪切速度、剪切时间及参照对象，对其值进行修正。其最大剪切力可以按式 (3) 计算：

由式 (3) 所得的计算值，与实际分析比较接近。

曲轴传动力矩的计算

曲柄连杆滑座式剪切机的计算，主要是传动曲轴的力矩计算，传动曲轴的静力矩是由剪切力矩和摩擦力矩两部分构成。即：

式中，Mj为曲轴的静力矩；M1为剪切力矩；M2为摩擦力矩。

式 (4) 中传动曲轴的静力矩 Mj可以通过图解法和解析法两种方法求出。所求解的力矩值是与剪切力 F 相关的解析式，一旦剪切力确定，传动曲轴的静力矩 Mj就可求解出。因此，在计算Mjmax时，把剪切力 F 的计算换成式 (3)，其值即可计算出。

电机功率的计算

驱动剪切机刀座转动或移动的电动机为主电机。确定主电机容量的关键是确定传递到主电机轴上的力矩，也就是电机的负载转矩，要使剪切机的力矩负荷与相应的电机电磁转矩特性相匹配。

剪切机的力矩负荷变化很大，为使电动机的负荷均匀，往往采用飞轮装置。飞轮的作用：在非剪切时，飞轮储存动能；在剪切时，飞轮释放其动能，帮助电机克服尖峰负荷。

在剪切的瞬间，由于冲击力是很大的，特别是剪切时间越短其值越大，在选择电机容量时必须考虑其作用。一般飞轮要安装在电机端或高速轴上，通过实测和计算，其产生的瞬间动能是相当大的，如飞轮力矩选取合适，其瞬间释放的剪切能量与所要求的剪切功是匹配的，这样可以将电机容量选取的比计算值更小一些。剪切机剪切过程飞轮释放的能量按式 (5) 计算得出：

对 8.5 MN 上切式曲柄连杆滑座式剪切机，如不考虑冲击作用，其常规计算电机功率是所选的实际电机功率的 1.6 倍。考虑到冲击作用，选用电机功率是 90 kW 的电机，经过实践使用，运行状况良好。

结束语

依据上切式曲柄连杆滑座式剪切机典型性，其主要力能参数的研究结果，同样适用于其他类型的剪切机，不论是飞剪机，还是滚切剪。并且其分析方法也适用其他行业的同类产品的设计计算。

[1] 黄华清. 轧钢机械. 北京: 冶金工业出版社，1979

[2] 邹家祥. 轧钢机械. 北京: 冶金工业出版社，1988

Research Newly on the Essential Mechanical Parameters of Shears

ZHANG Hong-zhou

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张宏洲(1973—)，男，本科，工程师，现从事冶金工艺及设备的设计和研发。

洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471039