基于MATLAB的平行刃剪切机剪刃侧隙的优化设计

(山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原 030003)

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在对平行刃剪切机剪切过程机理和力学规律分析的基础上，对影响剪切力的重要因素剪刃侧隙进行了力学分析和优化设计，找到剪刃侧隙对平行刃剪切机剪切力的影响规律，进而可以在实际操作过程中以规律分布图和最优化结果为依据，使剪切机剪切力最小。对于平行刃剪切机，一般m≤0.03，当剪刃侧向相对间隙取m=0.03的时候，剪切抗力较小。

平行刃剪切机;剪刃侧隙;剪切力;最优化设计;MATLAB

0 前言

平行刃剪切机是用于将轧件剪切成为一定配尺长度钢坯，并剪去轧件的头尾两部分的一种机械设备，是轧钢机械中重要的辅助设备之一［1］。设计和正确使用剪切机，必须依据工厂实际的环境条件来确定剪切机运作过程中的剪切力和工作效率。本文在平行刃剪切机运行机理和力学规律研究的基础上，基于MATLAB软件对剪切机剪切过程中剪刃侧隙对剪切力的影响规律进行了优化设计，在理论和工业应用上都有着一定的意义。

1 剪切机理及力学规律分析

平行刃剪切机在运作过程中，剪切刃侧向间隙对剪机剪切力的影响只有定性讨论，现以剪切过程中钢坯件单位面积受力分析为例，对剪切机运行机理及力学规律进行分析［2］。

以A表示剪切机剪刃侧向间隙。当剪刃开始接触钢坯件时，上下剪刃之间因为有侧向间隙等因素的存在，所以对钢坯件的压力P构成力偶P ·a，钢坯件发生转动。转动时，因为受到剪刃侧推力T的作用，产生的力偶T·c与压力偶方向相反。随着剪切过程的继续，两力偶最终会达到平衡，假设此时钢坯件转动角度为υ，即

在钢坯件被剪刃剪切的变形过程中，假设所受的压力均匀分布且相等，则根据图1中受力分析所示，可以得到式中，z为钢坯件被切入的深度;T为钢坯件所受剪刃的侧推力;P为钢坯件所受剪刃的压力; υ为两力偶平衡时钢坯件转动的角度。

根据图1受力分析所示，可得受力方程为

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)可得

钢坯件在剪切机运行过程中所受的单位面积压力p为

图1 平行刃剪机剪切过程中单位面积受力分析Fig.1Force analysis of the shear process

2 剪刃侧隙的优化设计

当量化地求解一个实际工程应用问题时，解决的方法是首先将该问题转化为数学问题，即建立数学模型［4］，然后进行具体的分析，选择恰当的计算方法，然后进行计算。本文利用MATLAB软件优化工具箱中求解最优化问题的方法，具有方便、快捷的优点。

根据剪切机参数及剪切钢坯件尺寸可知，钢坯的最大规格为:方坯400 mm×400 mm，板坯200 mm×900 mm;剪刃最大重合度为15 mm，单位面积剪切力1 0 MN。依剪切力推导公式及剪切机参数，建立以下钢坯所受剪切力大小与各影响参数之间的优化模型(依方坯尺寸)。优化设计数学模型中的目标函数、设计变量、约束条件为优化问题的三个要素［5］。

优化设计数学模型的标准形式如下式所示

该模型要求实现目标函数的最小化，使得钢坯所受剪切力最小，从而使得剪切机剪刃磨损程度最小，提高使用寿命［6］。当所剪切的钢坯件为所允许尺寸的钢坯件时，即，b=400 mm，h=400 mm，则最优化目标函数及约束条件为

利用MATLAB软件的最优化工具箱，编程可以得到目标函数可视化三维曲面，如图2所示，其约束函数三维可视化曲面，如图3所示。

MATLAB软件中求解二元规划问题的主要函数为quadprog函数，工程中常用的函数调用格式如下:

返回向量x及解x处的目标函数值，约束条件为A×x≤b，定义变量的下界lb和上界ub，设置初值x0，并根据options参数指定的优化参数进行优化计算。通过编程求解，可以得到目标函数的最值问题。

根据公式(7)，在钢坯件受剪刃作用转角υ情况下(有压板限制钢坯件的转动角度)，剪切力随着侧向间隙的减小而增大［7］。随着A不断增大，钢坯件发生由压缩→剪切→弯曲等形态的依次发生，剪切力p由大→小→大发生变化。所以适当选取剪刃侧向相对间隙m和剪刃侧隙A。一般而言，平行刃剪切机的侧向相对间隙m≤0.03。根据相关研究［8］，剪刃侧向相对间隙取m =0.03的时候，剪切抗力较小。

3 实际应用

某轧钢厂现有一台1 0 MN上浮门式剪切机，主要剪切方坯、矩形坯及板坯，其中方坯最大规格为400 mm×400 mm，板坯最大规格200 mm× 900 mm。从剪切机实际剪切过程来看，由于剪机机架的磨损和剪切力的不断增大，剪刃侧向间隙在剪切过程中会较空载时测量的剪刃间隙有所增大。选取两组该钢厂生产的优碳280 mm×280 mm以及200 mm×200 mm方坯进行对比试验，得出数据见表1。

表1 两组规格轧坯不同剪刃间隙下的剪刃磨损情况对比表Tab.1Comparison of cutting edge wear under different blade clearance(two specifications)

4 结论

本文通过分析剪刃侧向间隙对平行刃剪切机剪切力的影响规律，得到了剪切力随剪刃侧向间隙以及轧件尺寸的函数关系。通过编程求解可以得到了使平行刃剪切机在运行过程中剪切力的最小条件。在生产实践中，可以根据所剪切轧件的不同厚度h来确定相应的剪刃侧隙A的值，来保证使剪切力处于较小的状态。

例如，如果在实际剪切过程中，钢坯件厚度h为20 mm，可以得到此时剪刃侧隙A=mh= 0.03×20=0.6 mm;如果钢坯件厚度h为30 mm，可以得到剪刃侧隙A=mh=0.03×30=0.9 mm。其余以此类推。

在实际操作过程中，剪刃侧向间隙的调整可以通过增减剪刃的垫片或者采用偏心调整机构等方式来实现，使其符合的要求。

［1］邹家祥.轧钢机械［M］.北京:冶金工业出版社，1989.

［2］曹冬生.平行刃剪切机剪刃侧隙对剪切力的影响探讨［J］.福建省三明钢铁厂，2000(6).

［3］张世杰，刘培锷.剪切条件对平行刃剪切机力能参数的影响［J］.北京:冶金工业出版社，1989.

［4］王海文.轧钢机械设计［M］.北京:机械工业出版社，1983.

［5］黄华清.轧钢机械［M］.北京:冶金工业出版社，1980.6.

［6］程永吉.剪切机的设计与计算［J］.重型机械，1958(9-10).

［7］连家创.平行刃剪切机剪切力的计算及实验研究［J］.重型机械，1973(7-9).

［8］马鞍山钢铁设计院等.中小型轧钢机械设计与计算［M］.北京:冶金工业出版社，1979.

［9］胡正寰.800吨浮动曲轴式剪切机测定分析［P］.1965.

［10］B.Φ.Boпoф:轧钢设备讲义［M］.重庆:重庆大学出版社.1960.

基于MATLAB的平行刃剪切机剪刃侧隙的优化设计

郭光宇

Optimization design of blade backlash of parallel blade shears based on MATLAB

GUO Guang-yu
(Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan 030003，China)

Based on the analysis of mechanism and mechanics law of the shearing process of parallel blade shears，blade backlash，one of the important factors which influent shearing force，was analyzed and optimized in this paper.The influence law of blade backlash to the shearing force of parallel blade shears can be understood more visually.Based on the distribution law diagram and optimized result，the shearing force of the shears would be minimized in the actual operation process，the lifetime of shears would be maximized.For the parallel blade shears，General m≤0.03，When the shear blade lateral relative space m=0.03，then the shear resistance smaller.

parallel blade shears;blade backlash;shearing force;optimization design;MATLAB

TG333

A

1001-196X(2014)05-0069-03

2014-04-19;

2014-06-27

郭光宇(1967-)，男，高级工程师，研究方向:轧钢机械。