飞剪机的改进研究

目录第二部分飞剪机改进研究摘要飞剪机是冶金板材行业最重要的装备之一，也是我国长期以来一直引进的重要的冶金设备的不断前进。

飞剪机通常由机械部分和控制部分组成。

本文从机械组成部分和控制系统两个方面改进飞剪机，使其剪切速度与剪切质量提高，提升了它的生产效率。

机械组成部分，主要改进了飞剪机构的齿轮,轴承,并对此进行了全面的计算校核；控制部分也把从新设计了plc程序。

本文的创新之处在于重新计算校核和飞剪机的齿轮轴承，使它更适合工作的需要；控制系统方面则从新设计了plc程序。

本课题基于工程实际需要改进飞剪机，提高飞剪机的质量与效率。

关键词：飞剪机；机电控制所谓飞剪机，是指横向剪切运动轧件，并满足用户定尺要求的设备。

因而，飞剪机必需具备三个必要条件：1、剪切运动轧件时刀刃的水平分速度与轧件同步；2、飞剪机应能满足不同用户的定尺要求；3、剪切速度必须与生产线上其它设备匹配，以提高生产率。

其基本工作原理是通过调速电机调节电机的转速来控制两剪刀轴的转速，根基送料机构的送给速度和所需的剪材的长短来计算两个剪刀旋转相遇的时间，从而可以计算出剪刀转轴的转速，通过对调速电机的速度的调节，从而得到剪材所需的材料的长度。

在棒线材生产线上，飞剪主要有滚筒式、曲柄式、组合式三种。

滚筒式飞剪结构简单，回转半径大，剪切速度高，但剪切时其剪刃与轧件不垂直，剪刃对轧件有一个附加挤压力。

若轧件断面越大，附加挤压力也越大，不仅剪切质量不好，剪刃也容易损坏。

因此，滚筒式飞剪适合剪切断面小而速度高的轧件。

曲柄式飞剪在剪切时其剪刃与轧件基本垂直，无附加挤压力，剪切质量高，但受结构限制，其曲柄回转半径小，剪切速度不高。

因此，曲柄式飞剪适合剪切断面大速度低的轧件。

1.1 工作原理飞剪是用来横向剪切运动中的轧件，所以，对飞剪的基本要求是剪刃在剪切轧件时要同时成剪切与移动两个动作，且其剪刃在轧件运行方向的瞬时分速度V应与轧件运行V基本相等。

速度1.2 飞剪工作过程旋转飞剪上下剪刃的运动轨迹都是圆。

飞剪起动前，上剪刃处于待机位置，PLC将测量辊测得的板材通过长度及带材线速度等信号进行运算、处理，确定是否给出飞剪起动信号，当通过板长与设定定尺长度相接近时，PLC发出飞剪起动信号至直流调速系统控制剪刃以最短时间由位置经加速区至一点接触板材，进入同步区，并与板材线速度同步经EF区至F点剪断带材，再与板材同步经FG区至G点离开板材。

最后经减速区回到机位置原始，等待下一次剪切。

1.3 研究思路为了是飞剪机达到速度更快、精度更高、质量更好的要求，从飞剪机的齿轮，键，轴承，轴等方面进行选用与校核，使飞剪机达到现代高科技的要求。

2 飞剪机改进总体方案2.1 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。

飞剪机的设计应满足的基本要求是：剪刃在剪切轧件时要随着轧件一起运动，即剪刃应同时完成剪切与移动两个动作，且剪刃在轧件运行方向的瞬时分速度应与轧件运行速度相等。

满足上述基本运动要求的飞剪机有很多，如图1所示的四连杆式剪切机构和图2所示的双四连杆式剪切机构。

图1 四连杆式剪切机构图2 双四连杆式剪切机构当给出具体的设计要求时（如运动轨迹要求、剪切质量要求、剪切厚度要求等），可进一步从上述方案中选取比较合适的若干个方案，然后进行综合评价，最终选出综合指标最优的方案。

2.2 飞剪机的机械主要组成部分改进图3 飞剪机装配结构简图在飞剪机的视图中可以明确的看到在整个飞剪机的中轴16，17，齿轮6，轴承5，是影响飞剪机机械运动部分的最重要的零部件，为了提高飞剪机的质量与效率，必须对轴，齿轮，轴承，进行改进，重新计算校核，从而提高飞剪机机械部分的质量。

2.3 飞剪机的控制系统改进为了实现剪切控制的特殊要求，飞剪系统的功能需以剪刃速度基准值运算为主要功能的PLC和驱动剪刀运转的可控硅直流调速系统两大部分来完成。

对于PLC，要有较快的运行速度，较高的剪刃位移量和板材长度计数精度，通过从新设计plc程序来改进控制系统。

3 飞剪机机械部分设计3.1 轴设计与校核3.1.1 轴的材料选择原则轴的材料品种很多，设计时主要根据轴的强度、刚度和耐磨性等要求以及实现这些要求而采用的热处理方法，同时考虑制造工艺等问题加以选用，力求经济合理。

常用的材料是碳素钢和合金钢。

碳素钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，并能通过热处理改善其综合机械性能，应用广泛。

合金钢具有很好的机械强度和淬火性能，但对应力集中比较敏感，价格较贵，多用于制造有特殊要求的轴。

在此选择用38SiMnMo 并进行调制处理。

3.1.2 轴直径的初步估算对于一般的减速器可按经验公式来估算直径。

（1）高速输入轴的直径按与其相连的电动机轴的直径估算；(0.8~1.2)d D ={2}（2）各级低速轴的直径按同级齿轮传动中心距估算。

(0.3~0.4)d a =3.1.3 按扭转强度条件计算由材料力学可知，轴受扭矩T 时产生扭应力T τ，强度条件为[]T T TT W ττ=≤ （3—1） 对实心圆轴，将上式改写为设计公式3339550100.2[]T P d n τ⨯≥⋅333955010150.25540⨯=⨯⨯68.80mm =由于在设计时由此计算出的轴径，对有键槽的轴段，应放大5%（一个键槽）或15%（两个键槽），然圆整成标准直径。

注意的问题：（1）由此计算出的轴径，当轴截面上开有键槽时，应该增大径义考虑键槽对轴的强度的削。

对于直径d>100mm 的轴，有一个键槽时，轴的直径增大3%；有两个键槽时应增大7%。

对于直径d 小于100mm 的轴，有一个键槽时，轴的直径增大10%有两个键槽时应增大15%,将其调整成标准直径。

（2）该方法较粗略，但只需知道轴所传递的功率和转速，选取材料后即可算出受扭轴段的最小轴径。

（3）该方法也可应用于转轴的设计，相应的值取较大值。

所以真实直径的00.15d d ≥⨯60.100.15=⨯79.12mm =错误！未找到引用源。

在此将其轴的直径为90d mm =轴的许用扭应力32387.516.3816T T T MPa W d τπ===⨯ []40T MPaτ≤= 满足使用的要求。

3.1.4 轴的结构设计3.1.4.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴结构设计的前提，它决定轴的基本形式。

转配方案是预定出轴上的主要零件的装配方向，顺序和相互关系。

3.1.4.2 提高轴强速度的措施（1）合理安排轴上载荷的传递路线（2）改进轴上零件的结构以减小轴的载荷如图3-1所示图4 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷3.2 齿轮的设计3.2.1 齿轮选择根据剪切速度低、剪切断面大的特点，飞剪传动箱采用硬齿面齿轮及齿轮零侧隙啮合，选用新材料及先进的加工工艺，以提高齿轮啮合的平稳性。

此处的齿轮具有重载而且要求有较高的精度的特点，因此除了有材料的性能要求优良外，轮齿具有较高的强度及具有较高的硬度（如58-65 HRC ）外，还因该进行磨齿的精加工，渗碳淬火等加工。

在此采用20CrMnTi4材料满足设计要求经过渗碳淬火，齿面硬度为58～62HRC 。

3.2.2 标准斜齿轮传动的强度计算输入电机的功力P=15kW,此轮的最低转速为n=60r/m,预计寿命为15（设每年工作300天）两班制， 工作时有较大的冲击，校核该齿轮。

3.2.2.1 选精度等级、材料及齿数采用硬齿面，两圆柱斜齿轮均用20CrMnTi4调质及表面淬火，齿面硬度为58～62HRC ， 初选β=14°，精度等级为7级。

按齿面接触强度计算：按公式213121()[]E H d a HKT Z Z u d u ϕεσ±≥⋅ （3—3） 3.2.2.2 确定齿轮的各个参数（1）6.1=t K 试选9550W T n=15955060=2387.5Nm = （2）取齿面系数为5.0=Φd（3）选取区域系数2.443h Z =12αααεεε∴=+ 1.65=（4）查表得10.87αε= ，20.87αε=（5）查材料的弹性影响系数为189.8;E Z MPa =（6）两个齿轮的接触疲劳强度极限为[]lim 600H MPa σ=（7）计算应力循环次数：[][][]12()/2H H H σσσ=+1041.5MPa =（8）取接触疲劳寿命系数：1HN K =2HN K =0.960N njLh =60601(2830015)=⨯⨯⨯⨯⨯⨯其中[][]12H H σσ=[][][]12()/2H H H σσσ=+ 540MPa =3.2.3.3 齿轮尺寸计算（1）计算斜齿轮的分度圆直径213121()[]E H d a HKT Z Z u d u ϕεσ±≥⋅ 5230.92 1.623.87102 2.433189.8()1 1.651540⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯ 184.54mm =（2）计算圆周速度11601000t d n V π=⨯184.5460601000π⨯⨯=⨯0.579/m s =（3）计算尺宽系数b 及模数t m nt m1cos t nt d m z β=184.54cos1450ο⨯= 3.58mm = 1d b d =Φ⨯184.50.5=⨯92.25mm =2.25nt h m =⨯ 2.253.58=⨯8.06mm =（4）计算重合度10.318tan B d Z βεβ=Φ0.318150tan14ο=⨯⨯⨯ 3.96=（5）计算载荷系数K 与齿轮使用系数1.75a K =,齿轮根基0.975/V m s =,齿轮7级精度，动载系数0.9v K =Kv查新编机械设计师手册表[9]1.186hp K =1.35F K β=故载荷系数为：a ha F K K K K β=⨯⨯ 1.750.9 1.4 1.186=⨯⨯⨯ 2.612=（5）按实际的载荷系数校正所得的分度圆的直径311/t t d d K K =32.612184.54 1.6mm =⨯217.3mm = 计算模数n m11cos 217.3cos14 4.2250n d m mm z οβ⨯=== 按齿根弯曲轻度设计213212cos []Fa Sa n d a FKTY Y Y m z ββϕεσ≥⋅ 3.2.2.4 确定齿轮各个参数（1）计算载荷系数a fa v f K K K K K β=⨯⨯⨯1.750.9 1.4 1.35=⨯⨯⨯2.98=（2）根据重合度10.318tan B d Z βεβ=Φ0.318150tan14ο=⨯⨯⨯ 3.96=查得螺旋角影响系数0.88Y β=（3）计算当量齿数13cos v Z z β=5054.750.9133=2v z = （4）查取齿形系数及应力校正系数。