何天慶 ，王新 ，姜大鵬 ，劉發(fā)

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114021；3.哈爾濱汽輪廠，黑龍江 哈爾濱 150000）

雙切剪是冷軋廠酸洗頭部的重要設(shè)備之一，熱軋來的原料頭尾存在鐮刀彎、不規(guī)則頭尾、厚度不均、邊部裂口等缺陷，同時(shí)熱軋帶鋼長時(shí)間放置，造成帶鋼頭尾銹蝕嚴(yán)重，通過雙切剪快速切掉熱軋帶鋼原料超差部分，為激光焊機(jī)提供合格的帶頭和帶尾，同時(shí)也為軋機(jī)提供合格的原材料。尤其生產(chǎn)O5板時(shí)，帶鋼頭尾需要切除3刀以上（每刀1 100 mm）,雙切剪應(yīng)能夠滿足機(jī)組連續(xù)性生產(chǎn)要求。鞍鋼股份冷軋廠酸洗機(jī)組雙切剪為20世紀(jì)中期由德國馬克西馬格設(shè)計(jì)的，該雙切剪在鞍鋼冷軋廠四條酸軋生產(chǎn)線、鞍鋼硅鋼酸軋生產(chǎn)線、鞍鋼莆田酸軋生產(chǎn)線、邯鋼酸軋生產(chǎn)線應(yīng)用。鞍鋼冷軋廠四條酸軋生產(chǎn)線的雙切剪在正常生產(chǎn)剪切過程中，經(jīng)常出現(xiàn)下剪刃軸向竄動(dòng)現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。

1 存在問題

雙切剪下剪刃初始設(shè)計(jì)共有6個(gè)剪刃鎖緊裝置。工作原理見圖1所示，當(dāng)鎖緊拉桿后面的液壓缸在液壓油的作用下拉桿伸出，實(shí)現(xiàn)剪刃更換作業(yè)；當(dāng)剪刃安裝到工作位置，液壓缸停止供油時(shí)，依靠鎖緊拉桿上的碟簧組機(jī)械鎖緊剪刃座，剪刃正常工作。然而正常生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)碟形彈簧組無法正常鎖緊剪刃，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中，下剪刃經(jīng)常出現(xiàn)鎖不住而向外竄出的現(xiàn)象，見圖2。當(dāng)生產(chǎn)寬料時(shí)（超過1 600 mm），上下剪刃無法剪斷帶鋼而中斷生產(chǎn)。操作人員需要通知機(jī)械巡檢人員打開閥臺(tái)出口開閉器后重新推入下剪刃才能繼續(xù)生產(chǎn)。每次恢復(fù)剪刃時(shí)間至少在30 min以上，嚴(yán)重影響了機(jī)組的作業(yè)效率，同時(shí)也增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 剪刃竄出時(shí)的照片

2 原因分析

雙切剪下剪刃發(fā)生軸向竄動(dòng)，主要原因?yàn)榧羧墟i緊蝶簧組鎖緊力無法克服剪刃在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的軸向力。為了從根本上找出下剪刃軸向竄動(dòng)的原因，下面從雙切剪剪切原理，剪斷帶鋼所需剪切力以及碟形彈簧組的受力分析與校核等方面進(jìn)行分析。

2.1 剪切原理

鞍鋼冷軋廠三分廠聯(lián)合機(jī)組使用的雙切剪為斜刀片布置結(jié)構(gòu)，見圖3，從圖中可以看出，由液壓缸驅(qū)動(dòng)上剪刃裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著剪刃的下降剪切，該液壓缸作用的剪切力也逐漸加大，在剪切過程中剪切力保持恒定。

圖3 斜刀片布置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 剪斷帶鋼所需剪切力的計(jì)算

帶鋼剪切力P由以下三部分組成［1］

式中,P1為純剪切力；P2為帶鋼被剪掉部分的彎曲抗力；P3為帶鋼在剪切區(qū)域內(nèi)的彎曲抗力。在此區(qū)域內(nèi)由于上剪刃的壓力使金屬形成局部碗形彎曲。

由于剪刃在剪切過程中的主要受力因素是純剪切力，因此重點(diǎn)對純剪切力P1進(jìn)行計(jì)算，其它兩種剪切抗力P2、P3用 B.B諾沙里（Hocalb）的建議進(jìn)行估算。

式中,α為上剪刃的傾斜角度，值為2°；σb為被剪帶鋼的強(qiáng)度極限，取現(xiàn)場實(shí)際剪材，值為980 MPa；δs為被剪帶鋼的延伸率，根據(jù)強(qiáng)度980 MPa查資料［2］,δs為 9%；h為帶鋼厚度，6 mm。

總剪切力的計(jì)算，考慮P2、P3后得：

式中，Kd為考慮剪刃磨鈍的影響系數(shù)，取值范圍1.1～1.3， 一般取 1.2；σb為帶材抗拉強(qiáng)度，MPa，以40Cr為例，取 980 MPa；δs為斷后延伸率，以 40Cr為例，取9%；α為上剪刃的傾角，2°；h為帶鋼的厚度，6 mm；P為剪切力，KN；X為壓板相對距離，即為壓板中心離下剪刃側(cè)邊緣距離C與鋼板厚度h的比值，現(xiàn)場C=330 mm，帶鋼厚度為6 mm，因此X=55；Y為剪刃相對側(cè)間隙，即為剪刃側(cè)間隙與帶鋼厚度的比值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及電氣設(shè)定值，取0.1；Z與被剪掉部分的鋼板寬度d、帶鋼材料延伸率δs以及剪刃傾斜角α有關(guān)，取最大值0.95。

解得P=171 kN。

下剪刃軸向力T的計(jì)算：

由于上剪刃為2°傾角，所以下剪刃軸向力T=Psin2=5.97 kN。

2.3 碟形彈簧組的受力分析與校核

圖4為初始設(shè)計(jì)時(shí)圖紙中的碟形彈簧組，共計(jì)由8片碟簧組成，自由長度為25.2 mm，最大壓縮量為7.2 mm。

從圖1剪刃鎖緊裝置的剖視圖中可以看出碟簧的剩余壓縮量為25.2-22.9=2.3 mm，理論壓縮量為7.2-2.3=4.9 mm。由于該碟簧組按照GB/T1972-1992碟簧A型2級(jí)精度要求設(shè)計(jì)。根據(jù)軸向力5.97 kN時(shí)，所需要的鎖緊力F鎖為：

式中,μ為鋼與鋼靜摩擦系數(shù)，取0.15；F鎖為鎖緊拉桿產(chǎn)生的鎖緊力；F軸為剪刃在剪切過程中產(chǎn)生的軸向力，5.97 kN。

現(xiàn)在對8個(gè)碟簧對合時(shí)在4.9 mm變形量時(shí)進(jìn)行校核［2］：

A系列D=40 mm碟簧的計(jì)算，采用對合組合碟形彈簧組

式中,D為彈簧外徑 mm；d為彈簧內(nèi)徑 mm；C為彈簧外徑與內(nèi)徑的比值。

驗(yàn)證彈簧力公式如下：

式中，t為蝶簧厚度,mm；h0為無支承面碟簧壓平時(shí)變形量,從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊［2］查得h0為0.9mm；Fc為碟簧壓平時(shí)載荷,N;E為彈性模量,MPa，彈簧鋼取E=2.06×105MPa；μ為泊松比，彈簧鋼取μ=0.3；從機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊［2］表25-21查得K1=0.686，無支承面，K4=1。（K1和K4為計(jì)算系數(shù)）

當(dāng)剪刃鎖緊拉桿里面的彈性碟形組出現(xiàn)疲勞失效，碟形彈簧變形量雖然達(dá)到4.9 mm，但是碟形彈簧產(chǎn)生的鎖緊力達(dá)不到6.63 kN，無法克服5.97 kN的軸向力時(shí)，剪刃在剪切過程中將會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)。

3 改進(jìn)措施及效果

3.1 改進(jìn)措施

為了解決現(xiàn)場雙切剪下剪刃軸向頻繁竄出的問題，研究設(shè)計(jì)了一種剪刃軸向定位裝置。該裝置見圖5，為了最大限度地降低裝置重量，使用100槽鋼作為定位板，在定位板上部的側(cè)面焊接2個(gè)用Φ10圓鋼制成的掛鉤，把定位板懸掛在雙切剪機(jī)架本身的軸上。為了保證有效地限制剪刃軸向竄動(dòng)，在定位板下部開設(shè)有一個(gè)孔，開孔內(nèi)焊接一個(gè)M20螺母，雙頭螺柱與螺母M20連接傳動(dòng)，雙頭螺柱的一端螺紋頂在剪刃座上。為防止雙頭螺桿竄動(dòng)，在定位板焊接螺母的外側(cè)增加一個(gè)M20背帽，雙頭螺桿的外端還焊接一個(gè)拆卸螺母，方便拆卸。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，拆卸方便，成本低。

設(shè)計(jì)依據(jù)查詢機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊［2］，M20螺母在8.8級(jí)時(shí)為147 kN＞6.63 kN,使用M20的螺栓和螺紋是安全可靠的。

圖5 剪刃軸向定位裝置

3.2 應(yīng)用效果

該雙切剪剪刃軸向定位裝置（圖6）依靠設(shè)備本體上的兩個(gè)銷軸進(jìn)行固定，通過雙頭螺柱可以任意調(diào)節(jié)剪刃軸向定位距離，采用了螺紋摩擦鎖緊的方法，解決了雙切剪下剪刃在使用過程中頻繁向外竄出而導(dǎo)致帶鋼剪不斷問題，同時(shí)也提高了生產(chǎn)操作人員剪刃安裝速度。該裝置應(yīng)用于冷軋廠聯(lián)合機(jī)組酸洗雙切剪下剪刃軸向定位，達(dá)到減少維修工作量，提高了機(jī)組作業(yè)效率，保證生產(chǎn)順利運(yùn)行的效果。

圖6 定位裝置現(xiàn)場應(yīng)用

4 結(jié)語

通過剪刃軸向定位裝置在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，雙切剪下剪刃再也沒有出現(xiàn)軸向竄出而影響生產(chǎn)的情況發(fā)生。同時(shí)，該裝置在冷軋廠其他相同產(chǎn)線也得到廣泛地應(yīng)用。

［1］鄒家祥.軋鋼機(jī)械（修訂版）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

［2］蔡春源.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊（第三版）上冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社,2014.