当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

四连杆曲柄飞剪机剪切力测试与分析


                     重 型 机 械               2001  No . 3 ? 38?

四连杆曲柄飞剪机剪切力测试与分析
西 安 重 型 机械 研 究 所 李彦峰 李 强 上海宝钢设备检测公司 贝律仁 姚伟峰
摘要 通过对四连杆曲柄飞剪机剪切力的测试与分析, 弄清了剪切力与工艺参数之间的定量关系, 为合

理安排生产, 确保飞剪机安全运行, 掌握飞剪机的最大生产能力, 正确评 估飞剪机的工作状态提供 了重要依据。在测试中, 解决了不少技术难题, 如剪刃受力静不定系统的转化、剪刃的技术改造方法、 标定时实际剪切状态的模拟、剪切力信号的获取方法、应力测量时的温度补偿与导线的热辐射防护等。 叙词 四连杆曲柄飞剪机 剪切力 测试 评估

Abstract T he art icle present s t hrough a test and an analy sis o f shear f orce of f our bar l inkage cr ank f lying shear, t he real it y rel at ion bet w een t he shear for ce and t echnical paramet ers , of fering a vital basis f or product io n plan and saf e o perat ion , and t he det erminatio n of max imum productive capacit y and valid evaluation o f w or k condit ion of t he f lying shear. We have solv ed many dif ficult t echnical pr oblems in t he test . For ex am ple, the conver sion of st at ic instability syst em of st ress of shearing edge, t he im prov em ent of shearing edge , t he imit at ion of r eal shearing condit ion in calibrat io n , t he w ay how t o g et t he signal o f shear f orce, co mpensat ion of t em perat ure during st ress m easurement and prot ect ion of heat and so on. Descriptors f our -bar linkag e crank f lying shear , shear f orce , t est , ev al uat ion

1 概述
四连杆曲柄飞剪机是小方坯轧线上的关键设 备, 其作用是把轧制好的方坯剪切成所需的定尺 长度, 由于剪切过程要在方坯连续运动中完成, 这 就要求剪切机构在剪切时与方坯保持同步运动。 研究剪切力的大小和规律, 剪切力与工艺参数之 间的关系, 对合理安排生产, 保证飞剪机安全运 行极为重要。 四连杆曲柄飞剪机的剪机机构与其它飞剪机 的剪切机构 ( 如摆式飞剪机) 不同, 如图 1 所示。 四连杆曲柄飞剪机有两个上下对称布置结构相同 的四连杆机构, 剪刃分别安装在两个机构的连杆 上, 剪切时, 剪刃靠连杆的平面运动来完成剪切 作用。 四 连 杆曲 柄 飞 剪机 的 设 计 最大 剪 切 力 为 1800kN , 原设计剪切方坯最大断面尺寸为142m m
第一作者: 李彦峰, 男, 44 岁, 教授级高工, 西安重型机械研究 所 ( 710032)



1

( a) 四连杆曲柄飞剪机剪切机构  ( b) 摆式飞剪机剪切机构

×142m m, 现需剪切断面尺寸为 160m m×160m m 的方坯, 飞剪机由两台 850kW 直流电机驱动, 剪 切温度为 900~1000℃, 剪切速度和定尺长度由 计算机控制。

2 测试方法
2. 1 技术难点

2001  N o . 3                 重 型 机 械                    ?39?

由图 1 可以看出, 剪切过程中剪切力的传递 路线为: 剪刃→托架→连杆→曲柄轴→机架。分 析飞剪机剪切机构的结构形式和剪刃 的受力可 知, 测量剪切力有一定的技术难度。 从测量的角度看, 选择剪刃作为获取剪切力 信号的对象, 对测量最有利。但是取剪刃在剪切 力作用下的什么信号来代表剪切力, 又怎样获取 该信号, 将是测量剪切力的最大技术难点。 另外, 工作中被剪方坯的温度在 950℃左右, 剪刃的高 度尺寸较小, 仅有 260m m, 剪刃周围的热辐射很 大, 再加上剪刃在剪切时作快速平面运动, 因此, 如何解决测量中的温度补偿和如何防护信号线也 是测量剪切力的技术难点。 2. 2 措施 ( 1) 为了获取剪切力信号, 所采用的措施是 对剪刃作适当的技术改造, 达到改变托架的支承 状态的目的, 使托架由原来沿剪刃长度方向均匀 支承转化为两边集中支承, 改造后剪刃的受力如 图 2 所示。从图 2 可以看出, 这时剪刃受力与简 支梁的受力基本相似, 剪刃在剪切力形成的弯矩 作用下, 底部表面是单向拉应力状态, 这样就可 以把剪切力的测点选在剪刃底部的中间部位, 通 过粘贴电阻应变计来获得剪切力信号, 即用剪刃 在弯矩作用下底部表面的应变值来代表剪切力。    ( 4) 为了解决热辐射对信号线的影响, 选用 耐辐射的中温导线作为信号引出线, 再将信号线 穿在金属软管中, 并将经过防护的信号线在剪刃 与机架之间做成一个 “ ” U 字形状, 满足剪刃在快 速平面运动时信号线的收放问题。 2. 3 剪切力的标定 为了提高测试结果的准确度, 排除间接标定、 粘贴应变计等因数对测量结果的影响, 对图 4 所 示的剪切力测量系统进行直接标定。为了使标定 状态与实际剪切状态相一致, 根据剪刃的刃口形 状特制了一个 V 形标定垫块 ( 模拟实际剪切状 态) , 标定在 2000kN 材力实验机上进行, 标定数 据见表 1、表 2。
表 1 上剪刃剪切力 标定数据 剪 切 力 / kN 282. 8 353. 6 424. 3 565. 7 707. 1 848. 5 989. 9 1131. 4 1272. 8 1414. 2 应变仪输出电压 / V 0. 583 0. 802 0. 984 1. 245 1. 756 2. 124 2. 855 3. 394 3. 912 4. 425

表 2 下剪刃剪切力 标定数据 图 2 剪 切 力 / kN 282. 8 353. 6 530. 3 707. 1 848. 5 919. 1 1060. 5 1131. 4 1237. 3 1343. 3 1414. 2 应变仪输出电压 / V 0. 865 1. 201 1. 587 2. 404 2. 873 3. 073 3. 425 3. 679 4. 122 4. 589 4. 815

( 2) 为了使改造后剪刃的受力状态与简支梁 的受力状态更接近, 排除剪刃背面与托架之间摩 擦力对弯曲变形的影响, 将剪刃背面与托架相接 触的部分磨去 0. 5mm , 尽可能减小接触面。 ( 3) 为了解决测量中的温度补偿问题, 在选 定的测点位置粘贴四个温度系数相同的中温电阻 应变计, 采用纵横各粘贴两个应变计的方式组成 全桥测量电路, 由电桥的特性来消除温度变化对 测量结果的影响, 测量原理如图 3 所示。

                     重 型 机 械               2001  No . 3 ? 40?

对 表 1 和 表 2 的 数 据 进 行 L R ( L inear Regr ession ) 分析, 得到上下剪刃剪切力的线性回

归曲线如图 4、图 5 所示。

图 4

图 5

  上下剪刃剪切力的线性回归方程为: 上剪刃: P = 288. 475×V+ 162. 077 ( kN ) ( 相关系数 r = 0. 995) ( 1) 下剪刃: P = 290. 067×V+ 32. 939 ( kN) ( 相关系数 r= 0. 998)
规 格 /mm 100×100 100×100 142×142 142×142 142×142 142×142 142×142

3 测试结果及分析
3. 1 剪切力测试结果 共测试了 7 种不同工况的剪切力, 测试结果 见表 3。
表 3 最大剪切力/ kN 上剪刃 480. 83 505. 58 1141. 98 1074. 80 1391. 59 1357. 65 1325. 12 下剪刃 480. 83 569. 22 1184. 40 1205. 62 1517. 45 1375. 32 1417. 75 软线钢 软线钢 硬线钢 硬线钢 硬线钢 硬线钢 硬线钢 备 注

( 2)

序号 1 2 3 4 5 6 7

钢 种 CK 1008 CK 1014 A K 2004 GK 4285 GK 4535 GK 4380 XK 6007

剪切温度 /℃ 950 950 940 950 888 930 930

* 根据用户的要求, 表 3 中只能给出被剪方坯材 质的代号, 软线钢和硬线钢是用户的习惯叫 法。其中: CK 1008 软线钢与 A 3 等 同, G K 4380 硬线钢与 20Cr 等同。

3. 2 剪切力测试曲线 剪切不同规格或不同钢种的剪切力曲线形状 基本相同, 文中给出的是剪切规格为 142m m × 142mm , 钢种为 GK 4380, 剪切温度为 930℃的剪 切力曲线。 3. 3 剪切力变化过程分析 从图 6、 7 剪切力曲线的变化规律看, 在一 图 个剪切周期内, 当剪刃与钢坯接触后, 剪刃切入

钢坯, 这时由于剪切力小于钢坯的抗剪力, 钢坯 只产生局部塑性变形。 随着上下剪刃继续切入, 切 入变形增大, 剪切力也随之增大。当剪刃切入到 剪切行程的三分之一左右时, 剪切力达到钢坯的 抗剪力 ( 即临界状态) 。 当剪切力大于钢坯的抗剪 力时, 钢坯开始沿剪切面产生相对滑移, 进入真 正的剪切状态。随着剪切过程的不断继续, 被剪 断面不断减小, 剪切力也随之减小, 直到完成剪

2001  N o . 3                 重 型 机 械                    ?41?

切全过程。

图 6 上剪刃剪切力测试曲 线

图 7  下剪刃剪切力测试曲线

3. 4 实测剪切力与理论计算值的比较 飞剪机最大剪切力的理论计算公式为: P m ax = A
[ 1]

1. 3) K2 材料抗剪强度与抗拉强度之比, 其 值 在 0. 6~0. 8 之 间,
bw

, A 为最大剪切断面积, m m ;
2 bw

2

为被剪 ( 3)

( 取 K 2=

材料的抗剪强度, N/ mm 。 = K 1 ?K 2? 式中  K 1

0. 7) 铸 坯 在 热态 下 的 强度 极 限 ( N / m m 2) ( 表 4)

飞剪机工况系数;

( 一般取 K 1 =
表 4 900 66 77 86 133 950 54 63 66 /

温度/ ℃ 600 钢 种 A3 45
bw

650 129 241 218 /

700 100 171 152 /

750 94 120 115 /

800 84 115 95 91

850 74 90 95 /

1000 44 51 52 78

1050 37 42 44 /

1100 32 35 34 44

1150 28 29 28 41

1200 25 27 26 30

170 / 303

2 20Cr N / mm 270

3Cr 13

/

   ( 1) 软线钢实测剪切力与理论计算剪切力比 较 在 950℃时, A3 钢材的
bw

为 P 计m ax = 142×142×76×1. 3×0. 7 = 1394. 54 kN 剪切断面 142m m ×142m m, 钢种 GK4380, 剪切温度为 930℃的方坯, 实测剪切力的最大值 为 ( 下剪刃) : P 测= 1375. 32 kN P 计max / P 测 = 1. 01 由上述对比可知, 剪切力的测试结果与剪切 力的理论计算值相吻合。虽然实测值与理论计算 值稍有差别, 但是对比结果足以说明测试是成功 的, 测试结果是准确可靠的, 所采用的测量方法 是正确的, 对剪刃所作的技术改造是成功的。 3. 5 剪切能力的评估 ( 下转第 55 页)

= 54N / mm , 剪切

2

100mm ×100mm 规格的方坯时, 最大计算剪切力 为 P 计m ax = 100×100×54×1. 3×0. 7 = 491. 40 kN 剪切断面 100mm ×100mm , 钢种 CK1008, 剪 切温度 950℃方坯, 实测剪切力的最大值为 P 测= 480. 83 kN P 计max / P 测 = 1. 02 ( 2) 硬线钢实测剪切力与理论计算剪切力的 比较 在 930℃时, 20Cr 的 bw = 76 N / m m 2 , 剪切 142mm ×142mm 规格的方坯时, 最大计算剪切力

2001  N o . 3                 重 型 机 械                    ?55?

  M = M 1 + M 2+ M 3= 2 M 1+ M 3 = 2 P A z + T R1 ( 20) 式中, M 1、M 2 为下、上滚筒的剪切力矩, A z 为 力臂。 公式 ( 15) 也适用于热剪板材, 有关冷、热 剪板的 0、 等取值以及有关的图形、 表格等见参 考文献 [ 1~6] 。 参 考 文 献

1 柳  冉 胡 光华 . 按工 艺要求 直接 求解 飞剪机 构参 数 . 钢铁, 1996 ( 12) 2 B . C . T epe 图 4  R 1 与 l r 关系曲线 !?, . . . !? 常 森等译 . 板带车间精 整设备 . 北京: 中国工业出版社, 1964. 124~126 3 邹家祥 . 冶金机械设计理论 . 北京: 冶金工业出版社, 1998. 39~57

根据虎克定律 = E 式中 L d L = E Ld ( 18)

4  . .

!??, #

. .

! ? 轧钢设 备 . 哈尔滨工业 ?#.

大学译 . 北京: 中国工业出版社, 1965. 212~219 5 邹家祥 施东城 . 轧钢机械理论与结构设计 ( 下册) . 北京: 冶金工业出版社, 1993. 101~103 6 冶 金部武汉 钢铁 设计研 究院 . 板带 车间 机械设 备设 计 ( 下册) . 北京: 冶金工业出版社, 1987. 167~171 7   . . !. ? !?#. ! ?#? %? ? ) ? ?# & (??+ ,! , 1959 ! ?#?% ( &? ? ? ! ?/ ) &.

E 则  T = F L

剪刀至轧机或矫直机之间的距离 弹性模量 = l 1x h ( 19)

经实践考察, 计算受拉面积取 l 1x 是切合实际 的。计算这个拉力主要是为了确定力矩, 则剪切 总力矩    ( 上接第 41 页) 根据上述结论可以推算出剪切规格为160m m ×160mm 软线和硬线方坯时的最大剪切力。 剪切温度为 950℃, 软线: 硬线:
bw bw

( 修改稿日期: 200102-01)

右; 剪切 142m m×142m m 硬线钢时, 如 GK4380, 飞剪机的工作负荷已达设计能力的 76% 左右; 如 果剪切温度低于 850℃, 飞剪机工作负荷可达设 计能力的 100% ; ( 2) 通过实测和计算, 虽然证明该飞剪机具 有 剪切 160mm × 160m m 软线 和硬 线方 坯的 能 力, 但为了保证飞剪机安全运行, 应严格控制剪

= 54 N/ m m  

2

= 66 N/ m m

2

P 预软= 1257. 98 kN 负荷率: 69. 83% ; P 预硬= 1537. 53 kN 负荷率: 85. 39% ; 剪切温度为 900℃, 软线: 硬线:
bw bw

= 66 N/ m m  

2

= 86 N/ m m

2

切温度, 软线方坯剪切温度不低于 900℃, 硬线方 坯剪切温度不低于 950℃, 否则可能会导致飞剪 机满负荷或超负荷运行, 对飞剪机造成损伤, 不 利于安全运行。 ( 3) 剪切周期不大于 130ms。
注: 完成本课题的 有: 李 江、王云现、袁欢媚、左 水利、赵力安、雷亚兰。

P 预软= 1537. 53 kN 负荷率: 85. 39% ; P 预硬= 2003. 46 kN 负荷率: 111. 28% ; 根据上述推算结果可以得到, 该飞剪机具有 剪切 160m m×160mm 软线和硬线方坯的能力。

4 测试结论
通过上述大量的测试结果和分析计算, 可以 对飞剪机目前的状态作出如下评估: ( 1) 剪切 100m m ×100mm 小规格软线钢时, 飞剪机工作负荷较小, 仅达到设计能力的 27% 左
社, 1984









1 北京钢铁设计研究院编 . 小方坯连 铸 . 冶金工业出版 ( 修改稿日期: 200102-21)


相关文章:
飞剪机减速器及四连杆执行机构设计说明书
-3- 飞剪机减速器及剪切机构设计说明书-39041423-张龙 方案二:曲柄导杆机构 参考《四连杆机构综合概论》 (李学荣)P99 方案三:曲柄滑块机构 参考《四连杆机构...
飞剪机电机选型
飞剪机电机选型_机械/仪表_工程科技_专业资料 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 飞剪机电机选型_机械/仪表_工程科技_专业资料。ZFQZ 直流电机技术数据表(A) ...
飞剪的机构分析与设计
飞剪机构分析与设计》 指导书二,对剪机运动的要求: 1.曲柄转一圈对钢材剪切...四.机构的型综合首先对工艺要求进行分析,把工艺要求变换为对机构运动的要求,然后...
飞剪的机构分析与设计
飞剪机构分析与设计》 指导书 2 二,对剪机运动的...工艺参数 剪切力 F=10T=98kN 刀刃重合量 Δh≈...计算杆机构的绝对尺寸(1)曲柄半径 a 剪切钢板...
第九章 飞剪机
第九章 飞剪机_机械/仪表_工程科技_专业资料。冶金...2014教师资格材料分析辅... 2014小学教师资格考试《...第四章 轧辊调整装置与上... 第六章 工作机座得...
高速飞剪机
1, 高速飞剪机 一种飞速剪机具有绕在一水平平面之上和之下的平行轴沿相反...2,四连杆曲柄式飞剪剪切力分析 在飞剪剪切过程中, 剪切轧件所需的剪切功由...
飞剪机减速器及四连杆执行机构设计说明书
飞剪机减速器及四连杆执行机构设计说明书_机械/仪表_工程科技_专业资料。3.电机...剪切机构设计说明书-11041072 毕伍荣 5.当量弯 矩计算 1) 空间受 力分析 ...
滚筒式飞剪机开题报告
滚筒式飞剪机剪切力能参数研究 一、立题依据(包括...为曲柄式飞剪机和滚筒式飞剪机两种;定尺飞剪机又...对飞剪机的连杆 机构动力学变形建立了理论模型,对于...
飞剪机
1 飞剪机-飞剪机剪切机构的选型飞剪机的功能是能够横向剪切运行中的轧件,将飞剪机安装在连续轧制线上,用于剪 切轧件的头、尾或将轧件切成规定的尺寸。飞剪...
Ф32棒材飞剪机的设计毕业设计
毕业设计 设计题目:Ф 32 棒材飞剪机设计(一) Ф32 棒材飞剪机的设计(一) 摘要 飞剪机的夹送装置是剪切前的输送装置,由电动机、减速装置、传动装置和夹送...
更多相关标签:
剪切力 | 剪切力计算公式 | 螺栓剪切力计算公式 | 剪切力计算 | 什么是剪切力 | 螺栓剪切力 | 流体剪切力 | 流体剪切力计算公式 |