一种新型飞剪机构剪切性能分析及机构尺寸优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 829.42KB 67 页 15积分
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摘 要
近几十年来，随着钢铁工业向高速、精密方向不断发展，各轧钢生产企业为
了提高钢带的生产效率以及生产质量，都要求对生产线上的各种机器不断地进行
改进，尤其是对采用新的机构型提出了更高的要求。
本文就是对轧钢生产线上的剪切设备进行研究，运用复数矢量法对一种由燕
山大学杨基厚教授提出的一种新型飞剪机构做运动性能分析，并与施罗曼飞剪机
构和哈尔顿飞剪机构加以对照，求出三种飞剪机构剪刃轨迹及其在剪切区的位置、
速度及其它主要的运动性能参数的表达式，通过比较这三种飞剪机构在剪切范围
内的运动性能参数，从而分析各自的优缺点。本文着重在分析新型飞剪机构的基
础上，对这种新型飞剪机构进行优化分析。在满足飞剪机构设计要求的基础上（主
要是上下剪刃满足合适的重合度、间隙、同步速度和刀口垂直度），求出各构件的
最佳尺寸。本文最后对优化后的飞剪机构与优化前的飞剪机构的运动性能参数进
行了比较，从比较可以看出，优化后的这种新型飞剪机构比优化前更满足同步性
和垂直度的要求。
关键词：飞剪 运动性能 优化分析 最佳尺寸
ABSTRACT
Along with the steel industry developing continuously toward the high speed and
precise in the last several decades, each steel rolling production enterprise is requested
to improve the production line on each kind of machine unceasingly. Thus the enterprise
can enhance the production efficiency of steel belt as well as the production quality.
Particularly adopting a new mechanism type is high-demanding.
This article conducts the research about cut equipment in the steel rolling
production line. It takes advantage of plural vector method to analyze one kind of new
flying shear which proposed by Professor Yang Jihou in Yanshan university, thus gets
the movement performance analyses. Comparing with Schloemann flying shear and
Halton flying shear, it deduces the path of cut edge, the position in cutting area, the
speed and other main movement performance parameters. Through comparing these
performance parameters of three kinds of flying shears, thus it analyzes the strength and
weakness respectively. The article carries on the optimized analysis to the new flying
shear based on analysis of mechanism. Under the request of basic mechanism design
(mainly about appropriate contact ratio and overlap ratio, gap, synchronous speed and
cutting edge verticality between up edge and down edge), it deduces the optimal size.
This article finally carries on the comparison of movement performance parameters
between original flying shear and optimized one, thus concludes that optimized flying
shear is better than the original one on satisfying the synchronism and the verticality
request.
Key word: flying shear, movement performance, optimized analysis,
optimal size.
目 录
摘 要
ABSTRACT
目 录 ...............................................................................................................................0
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 新型飞剪机构研究的背景以及意义 ................................................................... 1
§1.2 目前国内外在飞剪方面的研究现状 .................................................................. 2
§1.3 本文的主要工作 .................................................................................................. 3
第二章 新型飞剪机构提出的理论基础 ...................................................................... 4
§2.1 飞剪的组成及其分类 .......................................................................................... 4
§2.2 飞剪设计的基本要求 .......................................................................................... 6
§2.3 飞剪定尺长度调整 .............................................................................................. 8
§2.4 影响飞剪剪切质量的基本参数 .......................................................................... 8
第三章 三种飞剪机构的运动学分析 ...........................................................................11
§3.1 施罗曼飞剪机构的运动学分析 .........................................................................11
§3.1.1 位置分析 ......................................................................................................13
§3.1.2 速度分析 ......................................................................................................14
§3.1.3 上下剪刃的位置和速度分析 ......................................................................15
§3.1.4 剪切区域内剪刃的其它主要的运动性能参数 ..........................................16
§3.2 哈尔顿飞剪机构的运动学分析 ........................................................................ 17
§3.2.1 位置分析 ......................................................................................................17
§3.2.2 速度分析 ......................................................................................................19
§3.2.3 上下剪刃的位置和速度分析 ......................................................................20
§3.2.4 剪切区域内剪刃的其它主要的运动性能参数 ...........................................21
§3.3 新型飞剪机构的运动学分析 ............................................................................ 22
§3.3.1 位置分析 ......................................................................................................23
§3.3.2 飞剪机构的速度分析 ...................................................................................25
§3.3.3 上下剪刃的位置和速度分析 .......................................................................26
§3.3.4 剪切区域内剪刃的其它主要的运动性能参数 ...........................................27
第四章 三种飞剪剪切性能参数计算结果分析及比较 .............................................. 28
§4.1 施罗曼飞剪机构的计算结果分析 ..................................................................... 28
§4.2 哈尔顿飞剪机构的计算结果分析 .................................................................... 33
§4.3 新型飞剪机构的计算结果分析 ......................................................................... 37
§4.4 三种飞剪机构计算结果比较 ............................................................................ 41
第五章 新型飞剪机构尺寸优化及结果分析 .............................................................. 44
§5.1 优化设计基本理论 ............................................................................................ 44
§5.2 多目标规划 ........................................................................................................ 44
§5.3 新型飞剪机构尺寸优化设计的数学模型 ........................................................ 47
§5.4 优化后新型飞剪机构和原机构性能参数的比较 ............................................ 51
第六章 结 语 .............................................................................................................58
§6.1 本文所做的工作与结论 .................................................................................... 58
§6.2 展望 .................................................................................................................... 58
参考文献 .........................................................................................................................59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 61
致 谢 .............................................................................................................................62
附录 .................................................................................................................................63
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 新型飞剪机构研究的背景以及意义
据中国钢铁工业协会 2005 年统计的数据显示，
2005 年中国钢产量和消费量达
到3.5 亿吨，占世界钢材生产量和消费量的 30%，据估计，我国钢产量到 2010 年
后将达 4亿吨，钢材在世界经济统计年鉴中几乎是产值或金额最大最重要的生产
资源，中国经济的增长，特别是建筑业和制造业的增长，对钢材的需求量也不断
增长。这就需要提高钢板的生产效率，轧钢生产过程中的每一道工序都需要尽可
能地提高其工作效率[1]。
在大多数情况下，轧材的生产过程要经过几个轧制阶段，还要完成一系列的
辅助工序，如将原材料由仓库运出、加热、将轧件送往轧辊、轧制、翻转、剪切、
矫直、打印、轧件的收集、卷曲成卷等等。轧钢机是按顺序排列的用辊道或其他
运输装置连成一条工艺流水线的各种机械组成的机组。
剪切是钢板生产过程不可或缺的一道重要工序，剪切机的剪切质量直接影响
钢板的质量，因此提高剪切机的剪切精度和剪切质量对轧钢企业的发展有很重要
的作用，另外在轧件满足剪切精度和剪切质量的前提下，应尽量提高轧件剪切的
效率。剪切机的种类很多，根据生产能力、轧制品种和规格的不同，剪切机也不
同。目前的剪切机一般以飞剪为主，主要是用来剪切定尺、切头切尾、切取试样
以及处理事故等。
所谓飞剪，是指对连续运动的轧件进行剪切一种剪切机。它与一般剪切机的
主要区别是：一般剪切机剪切钢板时，板材必须停止运行，而飞剪则是在运行中
进行剪切。由于飞剪是在运行中进行剪切，因而飞剪的结构、调整及控制比一般
剪切机要复杂，对设计和制造的要求也高。
飞剪通常是安装在连续式轧机（钢坯连轧机、钢板连轧机、型钢连轧机和线
材连轧机）的轧制线上和连续式独立加工机组（横切机组、连续镀锌和镀锡机组）
的作业线上。采用飞剪来剪切轧件，使轧钢车间的生产连续化，生产率大大提高。
随着轧钢生产的不断发展和飞剪本身的不断完善，飞剪已经得到了越来越广泛的
应用。
本文主要是对施罗曼飞剪、哈尔顿飞剪和一种新型飞剪*[2]的运动性能进行对
比分析，并在对这种新型飞剪机构作运动学分析的基础上，以提高飞剪的剪切精
注释：*由燕山大学杨基厚教授在”平行对称结构飞剪的受力与变形”一文中提到的平行对
称飞剪机构，由于这种飞剪机构结构新颖，因此这里将这种飞剪称为新型飞剪。
一种新型飞剪机构剪切性能分析及机构尺寸优化
2
度、剪切质量为目标，对机构的尺寸进行优化，将优化前后的飞剪机构的剪切性
能参数加以比较，为进一步制作模型提供了更为合理的机构尺寸。
§1.2 目前国内外在飞剪方面的研究现状
使用飞剪剪切横向运动着的轧件开始于十九世纪末期，经过一百多年的发展，
人们在实践的基础上，对飞剪进行了不断地改进和提高，使飞剪的结构和性能日
趋完善，使得飞剪越来越广泛的应用于轧钢企业中。
由于飞剪工作的连续性，飞剪已成为国内外轧钢机组中主要使用的剪切机，
它承担着冷轧产品最后一道工序的剪切分卷任务。飞剪的正常运行，关系着整条
生产线生产能力的正常发挥[3]。
飞剪已经问世几十年，但由于其设计难度大、制造精度高、结构复杂、难于
控制，一直被发达国家所垄断。我国虽然也在飞剪的设计方面作了不断的努力，
但由于技术上的原因，到目前为止，我国各轧钢企业中还没有一套完全自主设计
研制的飞剪设备。国内板材的剪切主要采用的是平剪设备，某些轧钢企业中所使
用的飞剪设备都是从国外引进的，此技术能够弥补平剪过程中易出现辊痕、生产
效率低、精度差、成本高、不易维修等不足。但出于飞剪在轧钢生产中的重要性
和外方技术保密等原因，飞剪是冷轧生产线上完全由外方整体配套的单体设备之
一，其设备的价格无疑是相当昂贵的，另外对设备的维修也是由外方专业人员负
责的，这就大大增加了钢铁企业的生产成本。倘若我国能自行设计并制造一套较
为理想的飞剪设备，那么不仅可以降低轧钢的生产成本，而且也是在重大装备开
发研制上的重大突破。
目前国际国内普遍采用的飞剪主要有三种型式：摆式飞剪、鼓式飞剪和曲拐
式飞剪。据有关资料介绍，摆式飞剪的剪切精度理论上可达±0.5～0.8mm，但在
实际生产中由于制造和安装上的缺陷，其剪切精度比理论上要低很多，例如罗马
尼亚加拉茨厂生产的哈尔顿飞剪的剪切精度为 1～3mm，另外日本石川岛播磨重工
公司 IHI 摆式飞剪，其剪切精度基本上都在 1.5mm 以上。
我国鞍钢热轧钢带厂所使用的鼓式飞剪是从德国引进的，可生产1.2mm～
19mm厚、800mm～1630mm宽的热轧板卷，其工作速度较高，可达6米/秒，但剪
切精度相对较差。
曲拐式飞剪是由西德施罗曼公司设计，西马克厂制造，又称这种飞剪为施罗
曼飞剪。曲拐式飞剪具有较好的动平衡，高速剪切时工作平稳；能无级定尺，剪
切精度高；剪刃侧隙小，可剪切较厚的带钢。曲拐式飞剪分为两种型式：
D型和 K
型，D型用于不连续剪切工作，剪切速度为 150 米/分。K型曲拐式飞剪用于连续
第一章 绪 论
3
剪切工作，剪切速度可达 400 米/分。曲拐式飞剪剪切厚度 0.1～12.5 毫米，最大剪
切宽度 1850 米，最大定尺长度 16 米[4]。
§1.3 本文的主要工作
本文对两种目前在剪切较薄钢板方面应用比较广泛的两种飞剪机构（哈尔顿
飞剪和施罗曼飞剪）以及一种新型飞剪机构做运动性能分析，并对三种飞剪的剪
切性能加以比较，主要是在对新型飞剪机构做运动性能分析的基础上，通过优化
设计方法，对机构尺寸予以优化，得出满足飞剪剪切性能参数要求的各构件的最
佳尺寸。本文的内容主要包括以下几个方面：
1、从飞剪机构设计要求出发对新型飞剪机构进行合理性分析。
2、用复数矢量法对施罗曼飞剪、哈尔顿飞剪和新型飞剪机构做运动学分析，
建立数学模型。列出这三种飞剪机构上、下剪刃位置和速度的求解表达式。用 matlab
软件计算出三种飞剪剪刃处的位移和速度随主动件的运动状态的变化关系，画出
上下剪刃在剪切区域内的运动轨迹曲线和速度曲线，并计算出飞剪在剪切区域内
的其它主要运动性能参数，从而通过分析这些运动性能参数对三种飞剪机构的优
缺点加以比较。
3、借助 matlab 软件对新型飞剪机构做优化分析。改变各构件尺寸以及相对位
置尺寸，使在剪切区域内上下剪刃满足合适的重合度*、垂直度*、间隙*以及同步
速度*，编写程序，通过 matlab 软件自带的优化工具箱求出各构件的最佳尺寸，将
优化后的飞剪机构的运动性能参数和优化前的机构的运动性能参数加以比较，为
进一步改进新型飞剪提供设计依据。
注：重合度——上下剪刃在竖直方向的重叠量；
垂直度——指上下刀口与水平方向的角度；
间隙——上下剪刃的水平位置之差；
同步速度——上下剪刃的水平速度与钢带的速度需满足一定的同步性，理论上同步速度
等于钢带的运动速度，但由于飞剪的连续性工作特点，不能保证在任一点剪刃的水平速度都
等于钢带的运动速度，而只能根据钢板的剪切质量要求确定剪刃水平速度的变化范围，这个
范围内的速度就叫做同步速度。
摘要：

摘要近几十年来，随着钢铁工业向高速、精密方向不断发展，各轧钢生产企业为了提高钢带的生产效率以及生产质量，都要求对生产线上的各种机器不断地进行改进，尤其是对采用新的机构型提出了更高的要求。本文就是对轧钢生产线上的剪切设备进行研究，运用复数矢量法对一种由燕山大学杨基厚教授提出的一种新型飞剪机构做运动性能分析，并与施罗曼飞剪机构和哈尔顿飞剪机构加以对照，求出三种飞剪机构剪刃轨迹及其在剪切区的位置、速度及其它主要的运动性能参数的表达式，通过比较这三种飞剪机构在剪切范围内的运动性能参数，从而分析各自的优缺点。本文着重在分析新型飞剪机构的基础上，对这种新型飞剪机构进行优化分析。在满足飞剪机构设计要求的基础...

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