液压剪切机设计.docx
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液压剪切机设计
本套设计有全套图纸，有意者联
系，
第一章绪论
剪切机的类型、特点及选型
用于对轧件进行切头，切尾或剪切成规定尺寸（定尺）的机械称为剪切机。
根据剪切机刀片形状，配置以及剪切方式等特点，剪切机可分为平行刀片剪切
机，斜刀片剪切机，圆盘式剪切机和飞剪机。
按驱动力来分，可分为电动和液压两类剪切机。
平行刀片剪切机：
两个刀片彼此平行。
用于横向热剪初轧坯（方坯，板坯）和其它方形和矩形断面的钢坯，故又称为钢坯剪切机。
有时，也用两个成型刀片来冷轧管坯及小型圆钢等。
斜刀片剪切机：
两个刀片中有一个刀片相对于另一刀片是成某一角度倾斜布置的，一般是上刀片倾斜，其倾斜角为1°～6°。
它用来横向冷剪或热剪钢板，带钢，薄板坯，故又称为钢板剪切机。
有时，也用于剪切成束的小型钢材。
圆盘式剪切机：
两个刀片均成圆盘状。
用来纵向剪切运动中的钢板（带钢）的边，或将钢板（带钢）剪成窄条。
一般均布置在连续式钢板轧机的纵切机组
的作业线上。
飞剪机；剪切机刀片在剪切轧件时跟随轧件一起运动。
用来横向剪切运动
1
中的轧件（钢坯，钢板，带钢和小型型材，线材等），一般安装在连续式轧机
的轧制线上或横切机组作业线上。
平行刀片剪切机
根据剪切轧件时刀片的运动特点，平行刀片剪切机可分为上切式和下切式
两大类。
1．上切式平行刀片剪切机
这种剪切机的特点实际下刀固定不动，上刀则是上下运动的。
剪切轧件的
动作由上刀来完成，其剪切机构由最简单的曲柄连杆机构组成。
除了剪切机本
体之外，一般还配有定尺机构，切头收集与输送装置等。
由于下刀固定不动，
为使剪切工作顺利进行，剪切的轧件厚度大于30～60mm时，需在剪切机后装
设摆动台或摆动辊道，其本身无驱动装置。
剪切时，上刀压着轧件下降，迫使
摆动台也下降。
当剪切完毕，上刀上升时，摆动台在其平衡装置作用下也回升
至原始位置。
此类剪切机由于结构简单，广泛用于剪切中小型钢坯。
此外，随
着快速换刀的生产需要，也出现了能快速换刀的上切式平行刀片剪切机，用来
剪切初轧钢坯和轧板。
当然，其设备重量会有较大的增加，结构也稍复杂些。
2.下切式平行刀片剪切机
这种剪切机的特点是：
上下刀都运动，但剪切轧件的动作由下刀来完成，
剪切时上刀不运动。
由于剪切时下刀台将轧件抬离辊道，故在剪切机后不设摆
动台，而且这种剪切机的机架不承受剪切力。
由于上述两个特点，下切式平行
刀片剪切机普遍用来剪切中型和大型钢坯和板坯，以减轻整个剪切机组的设备
重量。
第二章液压剪切机的设计计算
2
设计参数
剪切机型式：
油压小车移动式
被剪钢坯断面尺寸：
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
代表钢种：
Q235-A27SiMn
剪切温度：
≥750℃
拉坯速度：
2m/min
剪切小车及横移辊道重量：
钢坯定尺长度：
剪切机结构参数的确定
2.1.1刀片行程
刀片计算公式
H=h+f+q1+q2+s
（2-1）
式中：
H—刀片行程（指刀片的最大行程）；
h—被切钢坯的断面高度，这里取h=180mm；
f—是为了保证钢坯有一些翘头时，仍能通过剪切机的必要储备，通
常50～75，这里取60；
q1—为了避免上刀片受钢坯冲撞，而使压板低于上刀的距离，q1=5～50mm,
取q1=20mm;
s—上下刀片的重叠量，取s=5～20mm,这里取s=10；
q2—下刀低于辊道表面的距离，q2=5～20mm,这里取
3
q2=20；
故有：
H=180+60+20+20+20=300mm
刀片行程关系如图2-1所示
图2-1平行刀片剪切机刀片行程
1-上刀；2-下刀；3-轧件；4-压板
2.1.2刀片尺寸的确定
刀刃长度
因为所设计的方坯剪切机，且属于中型剪切机
（P=～），所以剪刃长度按如下公式计算：
L=（2～）bmax
（2-2）
式中：
L—刀刃长度，mm;
bmax—被切钢坯横断面的最大宽度，mm；取bmax=225mm;
则：
L=（2～）bmax=（2～）×225=450～mm，取L=500mm
刀片断面高度及宽度
4
h
′=～h
（2-3）
b
′=h′/～3）
（2-4）
式中：
h′—刀片断面高度，mm;
h—被切钢坯断面高度，mm;b′—刀片断面高度，mm;
由钢坯断面尺寸：
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
则：
h′=～h=～×180=117～270mm,取h′=210mm
b′=h′/～3）=70～84mm;取b′=70mm
最后根据表8-2（《轧钢机械》（第三版）P259）
剪切刀片的尺寸最后确定为
b′×h′×Ｌ=70×210×800
由（表8-2）确定的热钢坯剪切机基本参数。
如下表:
表2-1热轧剪切机基本参数
最大剪
刀片
刀刃
刀片断面
理论空行程次
切力
行程
长度
尺寸
数
MN
mm
㎜
㎜
次/min
300
300
70×210
12～16
2.1.3剪切机理论空行程次数
剪切机的每分钟理论空行程次数代表了剪切机的生产率。
理论空行程次数的提高受到电动机功率和剪切机结构形式的限制。
理论剪切次数是指每分钟内剪刃能够不间断的上下运动的周期次数。
因此，实际剪切次数小于理论空
行程次数。
依据设计要求和《轧钢机械》（第三版）P259表8-2，选择理论空
5
行程次数为：
12～16次/min。
剪切机能力参数计算
2.2.1剪切过程分析
轧件的整个剪切过程可氛围两个阶段，即刀片压入金属与金属滑移。
压入阶段作用在轧件的力，如图2-2所示。
图2-2轧件的剪切过程
当刀片压入金属时，上下刀片对轧件的作用力P组成力矩Pa，此力矩是轧
件沿图方向转动，而上下刀片侧面对轧件的作用力T组成的力矩Tc将力图阻
止轧件的转动，随着刀片的逐渐压入，轧件转动角度不断增大，当转过一个角
度γ后便停止转动，此时力矩平衡，即Pa=Tc。
轧件停止转动后，刀片压入达到一定深度时，为克服了剪切面上金属的剪切阻力，此时，剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段，金属沿剪切面开始滑移，直到剪断为止。
6
2.2.2平行刀片剪切机的剪切力与剪切功
剪切公称能力的确定
剪切机的力能参数包括剪切力和电机功率。
剪切力是剪切机的主要参数，
驱动剪切机的电机功率及剪切机主要零件尺寸的确定，完全使用或充分发挥剪
切机的能力都与剪切力有关。
在设计剪切机时，首先要根据所剪轧件最大断面尺寸来确定剪切机公称能
力，它是根据计算的最大剪切力并参照有关标准和资料来确定的。
1）.当轧件材料为Q235-A时
最大剪切力为：
Pmax=K·τmax·Fmax
（2-5）
式中：
Fmax—被剪轧件最大的原始断面面积，mm
τmax—被剪轧件材料在相应剪切温度下最大的单位剪切阻力，
MPa根据图（《轧钢机械》），取τmax=100MPa;
K—考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的
系数，其数值根据剪切机能力选择，中型剪切机，K=。
按钢坯断面尺寸：
□180×180mm×mm
Fmax=180
2
×180=32400mm
按钢坯断面尺寸：
□165×225mm×mm
Fmax=165
2
×225=37125mm
故：
Pmax=K·τmax·Fmax=×100×165×225=MN2）当轧件材料为27SiMn时
7
因为该剪切材料无单位剪切阻力实验数据，所以最大剪切力为：
Pmax=·σbt·Fmax
（2-6）
式中：
K—同轧件材料Q235-A一样，K=；
σbt—被剪轧件材料在相应剪切温度下的强度极限，MPa，根据表8-4（《轧钢机
械》），取σbt=200MPa；
2，
Fmax—轧件最大的原始断面面积，mm根据上述1）中计算可知，
Pmax=××200×165×225=MN
综合以上计算结果，并考虑到今后剪切轧件品种的扩大，且结合我国国标
所规定的系列标准，将剪切机公称剪切力确定为MN。
而实际工程中，考虑到我们设计结构的要求，确定为MN，相当于500T液压键切机。
剪切功的计算
根据剪切功可以近似而方便的计算出键切机功率。
剪切功与剪切力和刀片行程有关，当不考虑刀片磨钝等因素时，可按以下公式计算：
A=Pmax·h
（2-7）
式中：
A—剪切功，N·m
h—钢坯厚度，m
Pmax—最大剪切力，N
则：
A=Pmax·h=×180×1000=963000N·m
第三章液压传动系统的设计与计算
8
液压系统是液压机械的一个组成部分，液压系统的设计要同主机的总体设
计同时进行。
着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，
充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、
操作简单、维修方便的液压传动系统。
液压系统的设计步骤与设计要求
3.1.1设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据。
在制定基本方案并进一步着手液压
系统各部分的设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了
解清楚。
1）剪体结构比较简单，最大的剪切力受工作液体压力限制，且要能够保证不致过载和损坏。
2）液压剪切机工作循环：
上刀下降，锁紧小车右移下刀上升，剪切钢坯下刀下降（快
退）上刀升起小车左移（快退）。
3）剪切运动要平稳，为使机构具有所要求的精确运动，需要依靠上下刀台的平稳和附加的约束来获得，这均需由液压系统来控制。
3.1.2设计参数
剪切机型式：
油压小车移动式
被剪钢坯断面尺寸：
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
代表钢种：
Q235-A27SiMn
剪切温度：
≥750℃
拉坯速度：
2m/min
9
剪切小车及横移辊道重量：
钢坯定尺长度：
进行工况分析，确定液压系统的主要参数
3.2.1液压缸的载荷计算
如图3-1表示一个液压缸简图。
各有关系数标注图上，其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。
作用在活塞杆上的外载荷包括工作载荷Fg,导轨的摩擦力Ff,由于速度变化而产生的惯性力Fa。
图3-1液压缸受力情况
剪切缸的载荷力
工矿分析：
剪切缸运动分为启动、工进、快退三个动作循环。
当剪切缸启动时，液压缸负载只有下刀台本身的重力，
Fw=G=4100N式中：
G---下刀台重量；
工进时，活塞杆承受剪切力，其外载荷是剪切力及下刀台自重。
10
Fw=Pmax+G=×106+4100≈×106N；
快退时,工作负载主要是下刀台本身重力，其值为负。
Fw=-G=-4100N。
横移缸的载荷力
横移缸在启动过程中，其外载荷主要是小车和横移辊道对导轨的摩
擦力。
Fw=μsG
（3-1）
式中：
μs—静摩擦系数，μs=；由表3-1查的
G—小车及剪体总重，N；
表3-1摩擦系数μ
导轨导轨材料运动状态摩擦系数
类型
启动时：
～
滑动铸铁对铸铁低速～
导轨（0.16m/s）～
高速
（0.16m/s）
滚动铸铁对滚柱（珠）～
导轨淬火钢导轨对滚
柱
静压铸铁
导轨
G=G1+G2+G3；
G1—小车及横移辊道重量，G1=17800N；
11
G2—钢坯重量，G2=7239N；
G3—剪体重量，G3=40000N；
G=G1+G2+G3=225239N；
外载荷：
Fw=μsG=33786N；
小车右移时，横移缸外载荷为小车钢坯、剪体、横移辊道的重力和剪切力
对导轨产生的摩擦阻力，即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩
擦阻力。
摩擦阻力矩：
Mn=（G+G4）（KDc/2+μd/2）；
（3-2）
式中：
G—辊道车，剪体，钢坯总重，G=225239N；
6
G4—剪切力，G4=×10；
K—滚动摩擦系数，K=；
μ—车轮轴承摩擦系数，μ=；
Dc—车轮外径，Dc=250mm；
d—轴承内径，d=70mm；
6
故：
Mn=（225239+×10）（×250/2+×70/2）
=
6
×10N/mm
外载荷：
Fw=Mn
6
（3-3）
=×10/125=62080N
Dc
2
小车左移时，小车受剪体及横移辊道的重力对导轨产生的摩擦阻
力，即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩擦阻力。
同上.摩擦阻力矩：
Mn=（G1+G3）（KDc/2+μd/2）
=（178000+40000）（×250/2+×70/2）
=303020N/mm；
12
外载荷：
Fw=Mn=303020/125=。
Dc
2
抬升缸的负载力
抬升缸在抬升和下降过程均只受上刀台及其相连机构的自重相对于轴心
向下的转矩.其最大转矩约
T=G×Sm=7800×=1404N·m
（3-4）
式中：
G
—上刀台及其相连机构自重，G=7800N；
Sm
—上刀台重心到轴心距离，约为
Sm=；
故上刀台下降时，抬升缸抬升，其外载荷
Fw=T=1404Nm=3265N；
（3-5）
So
0.43m
同理，上刀台上升时，抬升缸下降，其外载荷
Fw=-T=-1404Nm=-3265N；
So
0.43m
各液压缸的外载荷力计算结果列于表
3-1
由公式：
活塞上载荷力F=Fw
（3-6）
m
m―液压缸的机械效率，一般取～，这里取
m=；
求得相应的作用于活塞上的载荷力，并列于表
3-2
表3-2
各液压缸载荷力
液压缸外载
活塞上载荷
液压缸名称
工况
荷
力
Fw/N
F/N
启动
4100
4316
剪切缸
工进
×106
×106
快退
-4100
-4316
13
启动
33786
35564
横移缸
右移
62080
65342
左移
2424
2552
抬升缸
下降
3265
3437
上升
-3265
-3437
3.2.2初选系统的工作压力
压力的选择要根据载荷的大小和设备的类型来定，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。
在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济，反之，压力选得太高，对
泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必须要提高设备成本。
一般来说，对于固定的尺寸不太受限制的设备，压力可以选的低一些。
具体选
择可参考下表3-3和表3-4
表3-3
按载荷选择工作压力
载荷
5～
10～
20～
30～
>50
<5
10
20
30
50
（KN）
工作
～2
～3
3～4
4～5
≥5
<～1
压力（MP）
表3-4各种机械常用的系统工作压力
机械类机床
14
型
农业机械
液压机
磨
组
龙
拉
小型工程
大中型挖
合
门
机械
掘机
机
刨
建筑机械
重型机械
床
床
床
床
液压凿岩
起重运输
机
机械
工作压
～
3
2
8
10～18
20～32
力（MP）
2
～5
～8
～10
500T液压剪切机属中型剪切机，其剪切缸最大载荷达。
剪切系统为高压系
统，依据上述表格初步确定系统工作压力为21MPa。
横移缸最大负载65347N，
抬升缸3437N，均为低压系统。
初步确定系统工作压力为。
（参考文献《机械设
计手册单行本液压传动与控制》表3—2及表3—3）（参考文献《机械设计手册》
表19-6-3）
3.2.3计算液压缸的主要结构尺寸
剪切缸
剪切缸最大载荷时，为剪切缸剪切工作状态，其载荷力为F=×106N参考文献《机械设计手册》。
缸筒内径：
4F/
m
D
2P
p1
1
2
（3-7）
式中：
D—缸筒内径
F—最大载荷力，F=×106N—活塞杆径比，依据下表选=
15
P1—供油压力，取21MPa
P2—回油背压，依据下表选P2=1MPa
表3-5按工作压力选取径比参考表
工作压力
≤～≥
（MPa）
径比～～
表3-6执行元件背压力选择参考表
系统类型
背压力
简单系统或轻载节流调速系统
～
回油路带调速阀的系统
～
回油路设置有背压阀的系统
～
用补油泵的闭式回路
～
回油路较复杂的工程机械
～3
回油路较复杂，且直接回油箱
可忽略不记
本表摘自《机械设计手册单行本液压传动与控制》表及
故有：
D
4
5.63
106
0.592m592mm
21
106
1
106
1
3.14
0.72
取D=600mm
活塞杆直径：
d==420mm，取标准值d=500mm
则液压缸有效面积
A1
D2
3.146002
282600mm2
（3-8）
4
4
A2
D2
d2
3.14
6002
5002
4
4
86350mm2（3-9）
液压缸行程L=H=300㎜.
16
式中：
H—刀片行程,H=300㎜;
活塞杆强度校核
Fmax
（3-10）
d2
4
式中：
Fmax—活塞杆所受的最大载荷，Fmax=×106；
d—活塞杆直径，d=420mm。
所以有：
5.63106
30.5MPa
3.145002
4
活塞杆材料为碳钢故=100～120MPa
∴强度符合，校核完毕。
横移缸
当横移缸右移时，在其启动时负载最大，F=65347N，此时,横移缸受拉
F
P1A2
P2A1
A2
1
2A1
由上述的公式可得下式：
D
4F
2
p11
P2
（3-11）
式中：
—活塞杆的径比，=；
17
P1—供油压力，P1=；
P2—回油背压，P2=。
则：
D
4
65347
0.157m157mm
6.3
106
1
0.622
0.5
106
3.14
由文献《机械设计手册》取标准内径：
D=160mm，
所以活塞杆直径为d==104mm
取标准值d=110mm；
则液压缸有效面积：
A
D2
3.14
1602
20096mm2
1
4
4
A2
D2
d2
3.14
16021102
4
10598mm2
4
活塞杆强度校核
Fmax
65347
6.88MPa
d2
3.141102
4
4
所以强度符合要求，校核完毕。
抬升缸
当抬升缸抬升时，其负载F=3628N，此时，活塞杆受压
4F/m
D
p112P2
式中：
—活塞杆的径比，=；
P1—供油压力，P1=；
P2—回油背压，P2=。
18
则：
D
4
3437
=27㎜
6.3
106
0.5
106
1
3.14
0.652
由文献《机械设计手册》，取标准内径
D=32mm，
活塞杆直径为d==
取标准值d=20㎜
则液压缸有效面积
A1
D2
3.14
322
804mm
2
4
4
A
D2
d2
3.14
322
202
490mm2
2
4
4
活塞杆强度校核
Fmax
3437
10.9MPa
d2
3.14
202
4
4
所以强度符合要求，校核完毕。
3.2.4.计算各工况所需时间及速度
剪切钢坯工作循环周期
T=2.5m=
2m/min
式中：
—钢坯定尺长度
2m/min—拉坯速度.
故剪切工作全过程应在之内完成。
由钢坯接触定尺装置触球为剪切周期开始，横移缸，抬升缸开始动作，抬
升缸抵达指定位置后剪切缸动作，剪断钢坯即剪切缸触发行程开关上触点，为
剪切缸，抬升缸，横移缸反向行程开始时间。
待各缸全部退回，剪切一周期结
束，等待下一周期开始
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