曲柄摆式飞剪机构优化设计与仿真

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.57MB 79 页 15积分
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摘 要
飞剪是钢铁企业对金属坯料进行剪切加工,以便对其进行后续处理的设备。
曲柄式飞剪由于具有加工效率高、剪切质量好的优点，得到了广泛的应用。飞剪
是由大功率直流电机、减速器、飞轮、材料输送辊道、机架、剪切机构以及探测
控制系统构成，因此，飞剪的设计需要全面考虑几个子系统的相互关系以及它们
的动力学特性。
本文主要对由 IHI 式摆式飞剪演化而来的曲柄摆式飞剪进行分析研究。首
先，采用复数矢量法对哈尔顿摆式飞剪、IHI 摆式飞剪、曲柄摆式飞剪建立数学
模型，分析其运动学特性，求出三种摆式飞剪机构的剪切刃位置轨迹、水平方向
上的分速度、各杆件的角速度和其它运动特性参数表达式，进而编写 M 文件导入
Mat lab 软件中，仿真出各飞剪的运动特性曲线，通过分析比较结果得出各自的
优缺点。然后，对曲柄摆式飞剪进行建模，导入 CAE 软件中进行线性静应力分析，
由分析结果找出机构中存在的不足对其进行优化设计。最后，为了验证理论推导
与仿真的正确性，使用运动学仿真软件 COSMOS motion 对曲柄摆式飞剪机构进行
仿真，对仿真出的曲线结果进行二次处理得出剪切刃的位置轨迹曲线、水平方向
分速度曲线，并与前一章理论计算结果进行对比分析比较，结果的一致性验证了
理论推导的正确性和运动学仿真软件的可靠性。
通过上述有限元分析和优化设计，可以得到一个运动性能良好的飞剪机构。
同时，通过运动学仿真软件仿真的结果可以让设计工程师或客户清晰看见飞剪机
构剪切工作过程。本课题的分析研究结果为同类产品以后的动力学研究提供了有
力的参考数据和方法。
关键字：摆式飞剪 优化设计 运动学性能 运动学仿真
ABSTRACT
Flying shear is widely used in steel enterprises, to cut steel strip, steel bar, or
other types of steel billet to proper shape or specified length. After this shearing
process, the billets with proper shape, or length, can be processed in next procedures.
With higher efficiency and better product quality, flying crank shear in more
popular than other type of shear. Flying crank shear consist of high power direct
current electrical motor, retarded. fly wheel, material convey passage, machine frame,
shearing mechanism and explore system. Hence to design a flying shear must take
their relationship and their dynamic property into account.
This dissertation analyze and study the crank flying shear mechanism evolved
from IHI flying shear mechanism. First, create the 3D model of crank flying shear
with CAD, and then use CAE software to analyze its static feature to optimize its
design, then use complex vector method to establish digital model for Hallden flying
shear, IHI flying shear and crank flying shear, analyze their kinematics feature, work
out kinematics parameter expression of three flying shears' track of position,
horizontal velocity, acceleration and other characteristics, and simulate their
kinematics process to find out the each advantage and disadvantage. To validate the
correctness of the theory and simulation, use the COSMOS motion software to
simulate the crank flying shear active feature, compare with the former result to
validate the theoretic deduction and the feasibility of the simulation software.
A great kinematics-performance crank flying shear mechanism is obtained
through the finite element analysis and optimized design. Meanwhile, design
engineers and customers can view the working process of crank flying shear by
simulation software. The study of the analytical result in this dissertation provides a
convincing referenced data for the later dynamical research.
Key Word: Crank Flying Shear, Optimized Design, Kinetic Feature,
Kinetic Simulation
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................................................... 1
§1.1 飞剪机构研究的背景 .................................................................................... 1
§1.2 飞剪机的国内外发展状况及趋势 ................................................................ 1
§1.3 本课题主要研究内容 .................................................................................... 3
第二章 飞剪装置的结构组成及工作原理 ................................................................. 4
§2.1 概述 ............................................................................................................... 4
§2.2 曲轴摆式飞剪机的主要功能及特点 ........................................................... 4
§2.3 曲轴摆式飞剪机构结构组成 ....................................................................... 5
§2.4 曲轴摆式飞剪机构工作原理 ....................................................................... 6
§2.4.2 飞剪机构剪切本体 .............................................................................. 6
§2.4.2 飞剪机构空切机构 .............................................................................. 7
§2.4.3 飞剪机构同步机构 .............................................................................. 7
§2.5 飞剪设计应满足的基本要求及结构设计原则 ............................................ 8
§2.5.1 飞剪设计应满足的工艺要求 .............................................................. 8
§2.5.2 飞剪结构设计中应遵循的原则 .......................................................... 9
§2.6 本章小结 ................................................................................................... 10
第三章 曲柄摆式飞剪数学建模及设计计算 ..........................................................11
§3.1 概述 ..............................................................................................................11
§3.2 哈尔顿飞剪机构的运动学分析 ...................................................................11
§3.2.1 机构位置分析 ................................................................................... 12
§3.2.2 各杆件角速度分析 ........................................................................... 14
§3.2.3 上下剪切刃的位置和速度分析 ....................................................... 15
§3.2.4 剪切区域内的其它主要的运动性能参数 ........................................ 16
§3.2.5 哈尔顿飞剪机构运动轨迹仿真 ........................................................ 16
§3.3 IHI 摆式飞剪的运动学分析 ........................................................................19
§3.3.1 机构位置分析 .................................................................................... 20
§3.3.2 各杆件角速度分析 ........................................................................... 22
§3.3.3 上下剪切刃的位置和速度分析 ....................................................... 22
§3.3.4 剪切区域的其它性能参数的分析 ................................................... 23
§3.3.5 IHI 式摆式飞剪机构运动轨迹仿真 ..................................................24
§3.4 曲柄摆式飞剪的运动学分析 ..................................................................... 25
II
§3.4.1 机构的位置分析 ............................................................................... 26
§3.4.2 各杆件的角速度分析 ....................................................................... 27
§3.4.3 上下剪切刃的位置和速度分析 ........................................................ 27
§3.4.4 飞剪性能参数分析与计算 ................................................................ 28
§3.4.5 曲柄摆式飞剪的运动轨迹仿真 ....................................................... 29
§3.5 三种飞剪机构的计算结果比较 .................................................................. 32
§3.6 摆式飞剪受力计算 ..................................................................................... 33
§3.6.1 飞剪剪切过程分析 ........................................................................... 33
§3.6.2 剪切力的计算 ................................................................................... 34
§3.7 本章小结 ..................................................................................................... 37
第四章 曲柄摆式飞剪实体建模及优化设计 ........................................................... 38
§4.1 CAD 系统概述 ............................................................................................. 38
§4.1.1 CAD 系统及其分类 ........................................................................... 38
§4.1.2 CAD 三维建模系统的特点及其发展 ............................................... 38
§4.2 飞剪机的三维建模 ...................................................................................... 39
§4.2.1 概述 ................................................................................................... 39
§4.2.2 零部件建模中的关键技术 ................................................................ 41
§4.3 飞剪机构的装配 .......................................................................................... 45
§4.4 构件优化设计 ............................................................................................. 46
§4.4.1 优化设计概述 ................................................................................... 46
§4.4.2 飞剪机构本体机构 CAE 分析 .......................................................... 47
§4.4.3 飞剪主要构件的优化设计 ................................................................ 51
§4.4.4 结果分析 ........................................................................................... 58
§4.5 本章小结 ..................................................................................................... 58
第五章 曲柄摆式飞剪机构运动学仿真 ................................................................... 59
§5.1 运动学仿真简介 ......................................................................................... 59
§5.2 仿真一般步骤 .............................................................................................. 60
§5.3 曲柄摆式飞剪实例仿真 ............................................................................. 60
§ 5.4 本章小结 .................................................................................................... 66
第六章 结 语 ................................................................................................. 67
§6.1 本文所做的工作与结论 ............................................................................. 67
§6.2 展 望 ......................................................................................................... 68
参考文献 ..................................................................................................................... 69
在读研期间公开发表的论文和承担的项目 ............................................................. 72
附 录 ......................................................................................................................... 73
致 谢 ......................................................................................................................... 77
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 飞剪机构研究的背景
钢材作为一种国际常用的商品，广泛应用于各行业。从钢水到不同形状及外
形尺才的半成品钢铁时剪切机械起到的作用功不可没。由于建筑行业与汽车机械
工业蓬勃发展对钢材的需求越来越大；板材的毛坯形式已从单张板逐渐过渡到卷
料，带钢定尺剪切生产线(即横剪线)的应用越来越普遍，对其运行线速度和剪
切速度要求也愈来愈高。传统意思上的剪切机已不能满足现代工业快速发展的要
求，飞剪机构的作用便日益突出。所谓飞剪机，是指对连续运动的轧件进行剪切
一种剪切机。它与传统上剪切机的主要区别是：传统剪切机剪切钢板时，板材必
须停止运行，而飞剪则是在轧件运行中进行剪切。由于飞剪是在运行中进行剪切，
因而对飞剪的结构、调整及控制比传统意义剪切机要复杂，对设计和制造的要求
也高
飞剪机构已应用轧钢工业领域几十年，但由于其设计难度大、制造精度高、
结构相对复杂、难于实现控制，一直被少数西方国家所垄断。虽然我国也在飞剪
设计领域作为极大努力，但由于我国现实技术上的客观原因，到现在为止，我国
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
的是平剪剪切设备、这种设备在剪切过程易出现辊痕、生产效率低、精度较差、
成本较高、不易维修等缺点，从国外引进的飞剪机械能够弥补这些不足。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，飞剪是冷轧剪切生产线上完
全由西方国家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
对设备的维修方面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，也增加了生产线上线时间。如果国内相关技术人员能够克服上述技术上的
难题自行设计制造一套较为满意的飞剪机械，这样不仅可以降低轧钢的生产成
本，而且也是我国在重大装备开发研制上的重大突破。
飞剪机是冶金行业的重要设备之一，可以实现生产更高速化、连续化，因此，
其性能的优劣直接影响轧钢成品的质量、成材率和定尺率。
本文主要在分析曲柄摆式飞剪运动性能基础上，建立数学模型和三维实体模
型对结构进行有限元分析、结构尺才优化和通过理论模拟仿真和运动学仿真其运
动学特性。
§1.2 飞剪机的国内外发展状况及趋势
自2004 年以来，全球的钢产量一直在 10 亿吨以上。我国钢铁工业近几年得
曲柄摆式飞剪机构优化设计与仿真
2
到了迅速发展，已经 8年保持了钢产量世界第一，2003 年达到了 22234 万吨，
当年钢材消费量为 27140 万吨。同样按照钢铁工业协会调查和不完全统计，到
2007 年我国将新增炼钢能力达到 l1900 万吨。在建的 l5 套中厚板轧机的生产能
力1745 万吨，在建的宽带钢轧机 l0 套生产能力 2450 万吨[1]。
在过去的几十年中，轧钢领域在以下四个主要因素的驱动下，取得了明显的
进展：①人们更加追求投入成本、基建资本支出和营运资本的成本效益。② 开
发钢铁产品，制定方案，以满足用户的要求。③ 合理有效地使用能源。④把轧
制工艺完全集成到钢铁生产链中，改进与上下工艺之间的衔接。
使用飞剪横向剪切运动着的轧件开始于十九世纪末期，飞剪机是冶金行业中
的轧件运动中对轧件实施剪切工艺、在连续式轧钢生产线上不可缺少的非常关键
的设备之一，经过几百年的发展，人们在实践的基础上，对飞剪进行了不断的改
进和提高，使飞剪的结构与性能日趋完善。近年来，飞剪机在世界各国得到了较
快发展，对促进汽车工业的发展起到了重要作用。欧洲生产的开卷线中大多采用
回转式飞剪饥， 这种开卷线的运行速度较高，但是它的结构相对复杂一些，加
工装配的精度也比较高。从 20 世纪 70 年代开始，我国多年来大型国有企业的飞
剪机主要以进口为主，多用于钢铁企业的带钢定尺剪切。面向制造企业(例如，
汽车制造厂)的带钢定尺剪切仍然以起停剪切机为主。随着现代化钢材生产的产
量和品种的不断增加，要求轧钢生产向高速、连续化生产方式发展的今天，我们
国家对飞剪机的设计和制造质量提出了更高的要求。
国内外通常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。
据相关专业资料介绍，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，例如哈尔顿飞
剪的剪切精度为 1～3mm，另外 IHI 摆式飞剪，其剪切精度基本上都在 1.5mm 以
上。
德国产的鼓式飞剪可加工厚度为 1.2mm～19mm、宽度为 800mm～1630mm
的热轧板卷，其工作速度可达 6米/秒，但剪切精度相对较差。
由西德施罗曼公司设计，西马克厂制造曲拐式飞剪，它具有较好的动平衡，
高速剪切时工作平稳；能无级定尺，剪切精度高；剪刃侧间隙小，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[7]
第一章 绪 论
3
§1.3 本课题主要研究内容
本课题在熟悉 IHI 双偏心曲柄摆式飞剪的结构型式、工作原理和设计要求的
基础上，由课题要求进行对飞剪机构执行部件的设计和建模，并在此基础上实现
飞剪机装配，轧钢及废料排泄过程的模拟。具体设计内容包括：
1、从飞剪机构设计要求出发对曲柄摆式飞剪机构进行合理性分析，为今后
的工作奠定理论基础。
2、用复数矢量法对曲柄摆式飞剪机构做运动学分析，建立起相应数学模型。
分别列出飞剪机构上、下剪刃位置和速度的求解表达式。运用 MAT lab 软件计
算出这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。
3、运用 mat lab 软件曲柄摆式飞剪机构做分析。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 m程序计算仿真结果为进一步改进曲柄摆式飞剪尺寸优化提供设
计依据。
4、对曲柄摆式飞剪进行动力学分析，运用 Solid works 软件对曲柄摆式飞剪
进行三维建模、装配、工作过程动画的生成，结合运动学分析结果对飞剪零部件
进行优化分析和设计。
5、对曲柄摆式飞剪装配图运用 Solid works 软件只带插件 COSMOS Motion
进行运动学分析。分析的结果与 mat lab 优化分析结果相比较，若两种结果曲线
相似、数值误差不大即满足设计优化目的。
注：重合度——上下剪刃在竖直方向的重叠量；
垂直度——指上下刀刃与水平方向的角度；
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，
理论上的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完全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，满
足一定的关系。
曲柄摆式飞剪机构优化设计与仿真
4
第二章 飞剪装置的结构组成及工作原理
§2.1 概述
前 身 为 造 船 厂 成 立 于 1853 年 成 立 于 石 川 岛 播 磨 重 工 业 株 式 会 社
（Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd），简称 IHI 公司。现已经发展
成为全面地系统开发及制造公司，旗下产品众多，从航空科学到工业机具皆有制
造。双偏心曲轴摆式飞剪机主要用于带钢、板带运行中进行横向剪切，使轧钢生
产连续化，大大提高了生产率。由于飞剪是在轧件运行过程中实现剪切，因而飞
剪的结构、控制与调整比一般的剪切机要复杂。IHI 双偏心曲轴摆式飞剪机在剪
切过程中，剪刃水平分速度相对轧件水平速度的超前度、被剪材料剪切断面的垂
直度和生产效率等是衡量飞剪性能的重要指标，它直接影响着飞剪的生产安全与
剪切质量。本文研究的曲柄摆式飞是由 IHI 摆式飞剪演化而来，则剪切机构也主
要由传动箱、剪切本体、同步机构及其它辅助机构组成，其剪切机构是一个具有
1个自由度的六杆机构。
§2.2 曲轴摆式飞剪机的主要功能及特点
衡量摆式飞剪工作性能的因素有许多，其中最重要的是剪切速度，通常是指
上下剪切刃的水平分速度。生产上对摆式飞剪最基本的工作要求是：摆式飞剪必
须在轧件运行中完成剪切，并且要保证剪切速度与轧件运行速度同步。曲轴摆式
飞剪能满足一定的剪切精度、定尺长度以及要有良好的动力性能等。其曲柄滑块
机构保证滑块在机架内部的 Z向运动，起到导向功能。
倍尺曲轴摆式飞剪机构区别于其它类型的飞剪机构的主要特点有如下：
1、可以剪切各种长度的定尺，满足用户定尺长度的要求。剪切定尺长度的
精度高，在速度平稳和钢板无油污的情况，剪切长度为 0~2000mm 的钢板时，公
差为 0～6.4mm；
2、具有自适应长度控制，剪切长度能在运行中自动调整；
3、运行性能可靠，维护方便简洁；
4、由于采用双导杆的同步机构，加上飞剪机构进行往复滑移摆动动作，产
生较大的动载荷，限制了剪切速度的提高；
5、由于飞剪与送料矫直机采用机械式联接，由一个主电机拖动通过分速器
输出相应的扭矩，故机构的传动系统较为复杂，设备重量比较大。
摘要：

摘要飞剪是钢铁企业对金属坯料进行剪切加工,以便对其进行后续处理的设备。曲柄式飞剪由于具有加工效率高、剪切质量好的优点，得到了广泛的应用。飞剪是由大功率直流电机、减速器、飞轮、材料输送辊道、机架、剪切机构以及探测控制系统构成，因此，飞剪的设计需要全面考虑几个子系统的相互关系以及它们的动力学特性。本文主要对由IHI式摆式飞剪演化而来的曲柄摆式飞剪进行分析研究。首先，采用复数矢量法对哈尔顿摆式飞剪、IHI摆式飞剪、曲柄摆式飞剪建立数学模型，分析其运动学特性，求出三种摆式飞剪机构的剪切刃位置轨迹、水平方向上的分速度、各杆件的角速度和其它运动特性参数表达式，进而编写M文件导入Matlab软件中，仿真出各...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：79 页 大小：2.57MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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