双动液压横切剪强度分析以及结构设计.docx
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双动液压横切剪强度分析以及结构设计
双动液压横切剪强度分析以及结构设计
摘要
双动液压横切剪是某热轧带钢厂精整线上剪切钢板的重要设备。
现如今该厂想要开发生产σb=1000Mpa高强度系列厚度规格的钢板，为了确定该横切剪机床是否能承受剪切这类高强度钢板时产生的应力，这篇论文针对它的承载能力进行了理论分析计算。
首先，在进行测试之后，根据数据验证了计算横切剪得平均剪应力可以运用B.B.诺沙里公式，考虑到冲击力放大系数的影响，经过计算，得出了该横切剪机在
剪切σb=1000Mpa高强度钢板的最大厚度是21mm。
接下来，根据这台剪切机床的机构运动特点，对这台机器进行机构分析，并用CAD软件画出该机床的装配图，关键零件图，其中手画零号图一张，两张cad零号图，这样，能对这台剪板机的机构以及运行特点的理解有很大的帮助，并且为后面的理论分析计算打下了良好的基础。
最后，通过有限元软件ANSYS13.0对关键部位的零件进行分析，确保此零件的受力变形在允许的范围之内，从而确保机床能平稳运行，并且能为设备的检修提供帮助。
关键词：
横切剪，剪切应力，有限元
ABSTRACT
Doubleactinghydrauliccrosscut-cutisahot-rolledsteelonlineshearvitalequipmentofthefactory.Nowadays,thefactorywanttodevelopandproduct1000Mpahighstrengthseriesofsteel.Todeterminewhetherthecrosscutshearmachinecanaffordthiskindofhighstrengthsteelshearstress,whenproductingthesteel.Itsbearingcapacitycalculationwereanalyzedintheoryinthispaper.
First,thetestsverifiedaccordingtothedata,theaveragecutingforcecanbecalculatedbyB.B.ruoshaly.consideringtheinfluenceofimpactamplificationcoefficient.Throughthecalculation,weobtainthedateofcrosscutshearmachineinShearing1000Mpahighstrengthsteelplateisatmost21mm.
Next,accordingtothemotioncharacteristicsofthisshearmachine,analysethemachinemechanism,anddrawthekeypartsofthemachinebyCADsoftware,,includingsizezerofigurebyhand,twosizezeropicturesbyCAD.Soitisofgreathelpforunderstandingofthecharacteristicsoftheoperation,andlaysagoodfoundationforthetheoreticanalyticalcalculation.
Finally,throughtheanalysisofthekeymechanismbyANSYS13.0,wecanmaketheforceinpermittedrange,thusensurethemachinescansmoothoperationandprovidehelpforequipmentmaintenance.
Keywords：
Crosscutscissors,shearstress,finiteelement
中文摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
1绪论1
黑体五号
1.1国内外发展概况以及发展趋势1
1.1.1飞剪的基本要求和工作类型1
1.1.2飞剪技术的发展1
宋体五号
1.2课题研究背景意义2
1.3课题研究方法的概述3
1.3.1运动学与动力学的分析方法简介3
1.3.2强度分析方法简介……………………………………………………………………4
1.4课题研究内容和技术路线………………………………………………………………..5
2双动液压横切剪机的设计…………………………………………………………..7
2.1机械结构………………………………………………………………………………….7
2.2确定驱动方式……………………………………………………………………………10
2.3确定剪板机的剪刃………………………………………………………………………11
2.4剪板机的设定参数………………………………………………………………………13
2.4.1剪刃行程的确定……………………………………………………………………13
2.4.2剪刃尺寸的确定……………………………………………………………………13
2.4.3剪刃斜角α……………………………………………………………………14
2.4.4剪切次数………………………………………………………………………14
2.4.5剪切力的计算……………………………………………………………………14
2.5液压系统设计…………………………………………………………………………16
2.5.1液压系统原理……………………………………………………………………16
2.5.2系统参数计算……………………………………………………………………16
3关键零件的有限元分析…………………………………………………………19
4总结27
参考文献28
1绪论
横切剪技术广泛被应用在连续的轧机的生产线、横切机组等，钢厂里面可少的关键设备。
在别的行业，横切剪机床也受到相当多欢迎，并且应用很广，比如说冶金行业，横切剪机就很受追捧。
1.1国内外研究概况以及发展趋势
1.1.1飞剪的基本要求和工作类型
横切剪机多年来一直是冶金工业的重要生产设备之一。
平时说的剪切机，是指横向运动剪切的扎件，并且满足用户定尺要求的设备。
所以，横切剪机必须具有三个必要的条件：
1、剪切运动扎件时刀刃的水平分速度跟扎件同步；2、剪切机要能满足不同用户的定尺要求；3、剪切速度同时必须跟生产线上其它的设备相匹配，这样可以提高生产率，同时提高经济效益。
现代剪切机根据原动机的类型可以划分为连续式还有启停式两个大类。
连续式剪切机采用的一般是异步电动机驱动，配置有飞轮高速运转，通过快速响应的离合器及制动器实现小惯量下启动、制动，而在大惯量下剪切，可以充分提高动力距，提高速度。
启停式剪切采用低惯量大扭距直流电机，每剪切一次，电机启动、制动一次。
不同工作制的剪切各有优缺点，连续式适合高速频繁启动，但电机连续运行浪费电能资源，启停制结构简单，但电器控制方面要求比较高。
1.1.2飞剪技术的发展
传统剪切机结构通常都十分复杂。
例如自上世纪七十年代我国引进的施罗曼飞剪为第一代引进的飞剪机，是双曲柄摇杆式飞剪机。
这类剪切机都有一个复杂的匀速系统和倍尺机构。
随着电机技术的快速发展，特别是交流变频技术、大型伺服电机制造及控制技术的发展，使复杂的剪切机构设计变得十分简洁。
如第二代引进的是所谓的翁格尔飞剪机及第三代引进的桥式剪切，完全取消了以往飞剪机的匀速机构及倍尺机构：
利用先进的电气控制技术，简单明快地满足了生产工艺对飞剪机的要求。
横切剪机床的类别比较多,包括带钢精整生产线的定尺横切剪在内，还有很多结构独特、用途新奇的横切剪，例如板坯剪切，型钢横切剪，切头横切剪，滚筒式横切剪，碎边剪切等等。
模式飞剪又称滑座式飞剪，是中厚钢板定尺剪切中不同于卷筒式或曲柄式飞剪的定尺剪切装置，最大差别是其刀架作纵向直线运动来和钢板同步，是精整生产线中关键的组成部分，其任务是对作业线上的带钢按照用户的要求进行各种尺寸的剪切。
横切剪定尺精度要求高，控制系统复杂、其APC优化算法呈现出多样性。
飞剪机的机构分析和动力学分析一直在横切剪机研究史上占据重要地位，很多学校的科技工作者都对此进行过研究分析。
例如燕山大学王海儒等人将双偏心摆式飞剪机简化为二自由度平面六杆机构，运用复数向量法建立了剪切的运动学与动力学数学模型；同时，在此基础上，针对剪切的同步剪切以及定尺精度要求，研究了两主动曲柄的控制对策。
武汉科技大学机械自动化学院刘海昌等人在大量实验测试、分析计算的理论基础上，指出了我们平时常用的诺沙里的剪切力公式存在不能使用的场合，即剪切时的冲击问题。
对剪切机的力能参数的计算提出简洁实用的计算方法。
刘海昌在进行摆式剪切刚体动力学计算中，考虑机构铰链间隙对机构动力学的影响，把间隙当作“间隙矢量构件”添加到原机构中，仍利用动态静力法进行计算：
不同的是．原结构增加一个“间隙矢量构件”就增加了一个自由度。
武汉科技大学姜惠军在其硕士论文中针对武钢热轧厂三号精整线上剪切摇床和滑道之间、摇床和下刀架钩轮之间存在间隙因此在运动过程中产生冲击的问题进行了动力学方面的研究。
1.2课题研究背景意义
这台横切剪机床是某热轧带钢厂精整线上的由中冶赛迪公司设计的一种连续工作制剪切（如图1.1所示），是对开卷后钢板定长剪切的重要设备。
该横切剪机床设计的最大剪切力为5145KN，用于剪切钢板强度σb=300Mpa~1000Mpa、厚度h=5~25.4mm、最大宽度可达2200mm的钢板。
这种类型的剪切利用液压机带动传动机构运转，剪切时通过离合器控制剪切机构进行剪切，剪切完毕后，又通过制动器将剪切机构固定于待切位置。
该剪切是一种比较先进的横切剪机，它采用离合器和制动器取代了传统连续工作制飞剪的空切机构和匀速机构，具有结构紧凑、定尺调整方便，同样剪切能力下对原动机的选型要求比较低，所以目前应用较多。
随着生产的发展，新型钢种的出现，能否剪切一些材料参数超过原设计参数的钥种（例如该厂拟开发生产σb=1000MPa的高强度系列厚度规格的钢板），就需对剪切机进行实测以及动力学研究，才能清楚的了解该剪切机的承载能力．挖掘设备潜力：
同时在操作中应该注意哪些问题，并且探讨机构改造的方法。
因此本论文具有实际应用的价值。
图1.1双动液压横切剪布置图
1.3课题研究方法的概述
1.3.1运动学与动力学分析方法简介
机构运动学不考虑机构中力的作用，仅从几何的观点来研究机构各构件和构件上的点的运动参数一位移、轨迹、速度、加速度等的求解一运动学分析（kinematicanalysis），以及仅从运动角度设计新机构的方法一运动学综合（kinematicsynthesis）；机械动力学是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学，即动力学分析和动力学综合。
动力学分析是动力学综合的基础。
机械动力学的分析过程，按其功能不同，可分为两类问题：
1）动力学反问题（inversedynamics）：
已知机构的运动状态和阻力（力矩），求解应施加于原动件上的平衡力（力矩），以及各运动副中的反力（即已知运动求力）。
2）动力学正问题（forwarddynamics）：
给定机器的输入力（力矩）和阻力（力矩）的变化规律，求解机器的实际运动规律（即已知力求解运动）。
在机械动力学发展历史上，先后提出了四种不同水平的分析方法：
静力分析、动态静力分析、动力分析、弹性动力分析。
1）静力分析（staticanalysis）：
对低速机械，运动中的惯性力可以忽略不计。
对机械的运动过程中的各个位置，可用静力学方法求出平衡机械的载荷而需在原动构件上施加的力（力矩），以及各运动副中的反作用力。
动力学反问题（inversedynamics）：
已知机构的运动状态和阻力（力矩），求解应施加于原动件上的平衡力（力矩），以及各运动副中的反力（即已知运动求力）。
2）动态静力分析（kineto．staticanalysis）：
根据达朗贝尔原理，将惯性力和惯性力矩计入静力平衡方程来求出为平衡静载荷和动载荷而需在原动构件上施加的力（力矩），以及各运动副中的反作用力。
由于采用了“原动件等速回转"这一假定，在动态静力分析中便不涉及原动机的特性。
动态静力分析应用于动力学反问题中。
对许多速度高的机械，多用动态静力分析代替静力分析。
3）动力分析（dynamicanalysis）：
在力的作用下，机械并不能维持“原动构件等速回转”这种理想化的假定。
尽管这种假定在许多情况下是允许的，但在工程实践中也常常要求知道原动构件和机械系统的真实运动。
动力分析抛弃了对原动构件运动规律的理想假定，因而要把原动机包括在机械系统内来进行分析，它应用于动力学正问题中。
4）弹性动力分析（elsato—dynamicanalysis）：
在上述三种分析方法中，构件均被认为是刚性的。
弹性动力分析是计入构件弹性的动力分析方法。
这些研究工作主要集中于机构参数的确定、运动参数的分析、刚体动力学计算等。
1.3.2强度分析方法简介
近几年，高碳、高合金钢种逐渐增多，～些钢种已超出原设计的产品大纲，为了保证正常生产，很多大专院校和科研院所对钢厂投入使用的各类飞剪机的承载能力进行了研究，采用的技术路线是采用现场在线测试与有限元仿真相结合的方式。
上海宝钢研究院的姚利松等人通过对热轧精整厚板生产线模式飞剪剪切力在线测试，结合理论计算分析了横切剪的剪切能力，同时采用有限元对刀片和刀架强度、变形进行计算分析，指出现有剪切机存在的问题，为下一步改造提供依据。
华东冶全金学院的潘紫微等人在分析研究剪切机机架应力分布和强度时，采用模型实验应力分析和实测机架动应力相结合的方法。
在模型实验应力分析中采用脆性涂料法确定模型机架最大主应力部位和主应力方向，采用电阻应变测量法确定模型机架的主应力水平。
据此选定最大主应力的测点进行实际剪切过程中动态应力和相应剪切力的测定，确定并分析机架强度。
有限元仿真是进行机架强度校核的一个重要技术手段，许多学者在在运用有限元理论和有限元分析软件ANSYS方面做了不少工作。
有限单元法基本理论、研究现状及发展趋势：
随着现代科学技术的发展，人们对机械设备的安全性和精密度的要求也越来越高。
这就要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。
近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径n引。
有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。
有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析。
国际上早在20世纪60年代初就投入了大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1966年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。
70到80年代是有限元分析软件蓬勃发展的时期，美国的ANSYS、ABAQUS、ADINA、I-DEAS、LS—DY№、MARC、SAP，德国的ASK焱、英国的PAFEC、法国的SYSTUS等软件不断推出强大的新版本。
有限元法数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握。
能够灵活处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩形形式表达基本公式，便于计算机编程运算，这些优点赋予有限单元法强大的生命力。
它发展至今，不断开拓新的应用领域，其范围由杆件结构问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定问题，由固体力学问题扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几个场的耦合发展㈣吖矧。
90年代后有限元分析软件发展更加成熟，在单元类型、非线性分析、场分析、优化设计和数值方法等方面有很大改进和增强外，前后置处理功能更加强大和方便，具备良好的用户开发环境，同时还提供与CAD软件（如Pro／E、UG等）的接口，将CAD模型自动转换为适于有限元分析的模型，成为科技工作者的有力工具，解决了大量的实际问题。
整体分析步骤为：
首先按照一定的集成规则，将各单元刚度矩阵集合成结构整体刚度矩阵，并将单元等效节点载荷集合成整体等效节点载荷矩阵；然后引入结构的位移边界条件，求解整体平衡方程组，得出基本未知量——节点位移列阵；最后计算出各单元的内力和变形。
从以上论述可看出，有限单元实质就是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。
因此，只要研究并确定有限元大小的单元力学特征，就可以根据结构分析的方法求解，使问题得到简化。
实践证明有限元分析方法是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。
东南大学吴军等人运用有限元理论和有限元分析软件ANSYS的APDL参数化程序设计技术，对某型机车电源机架进行优化分析，得到了合理的结构形式和尺寸，在满足工程要求的情况下，节省了大量的工程材料。
安徽工业大学包家汉等人利用APDL语言，建立了辊压机机架有限元模型与优化设计模型，采用耦合节点自由度的方式处理机架各部件间的螺栓和销轴联接，同时对螺栓联接的预应力，采用温降法加以考虑。
优化设计结果表明，机架中各钢板的厚度分布趋于合理，第一主应力降幅显著，机架强度能够满足工程应用要求。
1.4课题研究内容和技术路线
主要研究内容有：
1）横切剪机床简化为机构的运动学分析和动力学分析；
2）建立剪切刀架、机架等主要受力部件的有限元模型
3）横切剪剪切能力的评估
4）在找出的横切剪剪切机的强度薄弱部位的基础上提出改进措施
2双动液压横切剪机的设计
本科题所研究的剪板机的内容是在对其设计的过程中逐步深入，首先是对剪板机进行方案设计。
方案设计的主要内容是确认其设备的结构形式、驱动类型以及各种参数的计算。
方案设计的主要任务有两点：
一是结合产品的技术要求和需求的具体条件确认设备的机械结构；二是完成对设备的结构参数和力能参数的计算。
这二点是相互补充，又互为参考，应当综合考虑。
2.1机械结构
如前所述，剪板机结构分为平行刃剪板机、斜刃剪板机、圆盘剪板机三大类。
以下对其各自的特点进行分析：
1）平行刃剪板机：
平时刃剪板机的剪切方式有上切式和下切式两种。
上切式平行刃剪板机，其下剪刃固定不动，上剪刃向下运动进行剪切。
通常采用曲柄连杆机构，具有运动和结构简单的特点，主要缺点是被剪切的钢板容易产生弯曲，剪切断面不垂直，以致影响剪切后钢板的工艺线上的顺利运行。
当剪切比较厚的钢坯时，还需要增设一组摆动辊道。
下切式平行刃剪板机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现，广泛用于教案且厚钢坯，剪切过程的特点是：
剪切开始时，上剪刃先下降，几乎达到与钢板接触后停止，其后下剪刃上升进行剪切；切断钢板后，下剪刃首先下降回到原来的位置，接着上剪刃上升恢复到原位，一次剪切过程完成。
这种剪切方法，具有下述优点：
剪切时钢板高于手工艺线，不需要增设摆动辊道；剪切长的钢板时，钢板不会产生弯曲；活动压板保证剪切断面比较垂直；机架不承受剪切力；由于能缩短剪切周期的间隙时间，提高了剪切生产率。
因此，钢坯剪板机（特别是大型钢坯剪板机）多采用下切式。
下切式剪板机在结构上比上切式剪板机较复杂。
2）斜刃剪板机：
斜刃剪板机的剪切方式可分为上切式、下切式和复合式等类型。
以下仅对前两者的结构特点进行分析。
上切式斜刃剪板机的类型中传统形式主要有单面传动斜刃剪板机、双面传动斜刃剪板机、下传动斜刃剪板机；现在为提高剪切质量，也出现了上刀台作摆动或滚动的摆式剪板机。
a）单面传动斜刃剪板机：
上刀台的运动是通过电动机、三角皮带、齿轮和曲柄连杆机构而实现的。
现对于双面传动形式而言，它的动力仅通过剪板机的一侧进行传递。
为了制造方便，一般用直轴和两个偏心套筒组成曲柄轴。
其特点是结构简单，制造方便，应用较为广泛。
b双面传动斜刃剪板机：
通过曲轴带动刀架两侧的齿轮，将上剪刃上下驱动。
一般上刀台也是通过电动机、三角皮带、齿轮和曲柄连杆机构实现。
他的曲柄短，受力好，制造方便。
但装配比较困难，特别是两对齿轮同步问题要求较严格。
此类剪板机大多用于大型钢板剪板机。
c下传动斜刃剪板机：
下传动的动力源安装在剪机下部，可降低剪板机的高度，减轻设备重量。
其缺点是机架不宜做成带凹口的C形机构，使剪切时不便观察，且其下部结构较复杂。
d摆摆式斜刃剪板机：
其组成结构见图2.1。
摆动上切式斜刃剪板机的上刀台是作直线往复运动，而是围绕一圆心作圆弧往复摆动。
图2.1摆动式上切斜刃剪板机
1-上刀台；2下刀台
由此可见，上刀架下端通过O与机架铰接，作为摆动支点。
支点O比下刀台高一个距离E。
上刀架上端O’铰接于曲柄连杆上。
当曲柄连杆转动时，通过连杆使上刀架绕支点O摆动。
由于上刀台摆动半径较大，刀片剪刃处的摆动轨迹接近于直线，相当于倾斜剪刃，可以获得较好的剪切质量。
3）圆盘式剪板机：
其广泛应用于纵向剪切厚度小于20~30mm的钢板及薄钢带。
由于刀片是旋转的圆盘，因而可以连续纵向剪切运动着的钢板或带钢。
由于上述特点，目前各国都在研究扩大圆盘式剪板机的剪切厚度的范围。
圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带刚。
根据其用途可将圆盘剪分为两种，形式；剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。
剪切板边的圆盘剪每个圆盘刀片均悬臂地固定在单独的传动轴上，刀片的数目为两对，这种圆盘剪用于中厚板的精整加工线、板卷的横切机组和连续酸洗等作业线上。
剪切带钢的圆盘剪用于板卷的纵切机组、连续退火和镀锌等作业线上。
这种圆盘剪得刀片数目是多对的，一般刀片都固定在两根公用的传动轴上，也有少数的圆盘剪固定在单独的传动轴上。
圆盘剪板机在连续剪切钢板的同时要对其切下的板边进行处理，通常在圆盘剪后面设置碎边机，将板边剪成碎段送到专门的滑槽中去。
此外，对于薄带刚也有用卷取机来处理的，其缺点是需要一定手动操作，卸卷时要停止剪切等。
以上是三种剪板机结构的特点描述，下面了解业主对设备的产品提出的技术要求（剪表2-1）。
设备用于离线剪切2050热轧各机组提供的带钢样板，主要制造部实验室提供检验小样，提供剪切的钢板均是作好标记的钢板（不大于2500*2500mm）。
设备性能参数表
表2-1
序号
参数项目
代号
单位
数值
备注
1
可剪板厚范围
h
mm
2-32
2
钢板抗拉强度
σb
Mpa
1200
板厚≤20mm
650
板厚≤26mm
450
板厚≤32mm
3
钢板延伸率
δ
0.20
4
剪切宽度
d
mm
2500
5
剪板机能力
≥两次/min
6
剪切精度
直线度：
1mm/1m
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