850冷剪气动控制系统故障分析
气动执行机构常见故障及处理
气动执行机构是用于控制阀门开关的重要设备，广泛应用于工业自动化领域。
然而，气动执行机构在使用过程中可能会出现各种故障，影响其正常工作。
下面列举了一些常见的气动执行机构故障及处理方法：1. 执行机构无法正常动作：首先检查气源压力是否在正常范围内，确保供气系统正常工作。
其次检查气管是否破损或堵塞，如有异常及时更换或清理。
此外，检查电磁阀是否正常工作，如无法正常切换，则需要更换电磁阀。
2. 执行机构动作不稳定：可能是由于气缸内部活塞环磨损过度，导致气缸内泄漏气，进而影响执行机构动作。
此时需要更换气缸内部的零件。
另外，检查控制气管的长度是否过长，过长的气管会导致执行机构动作不稳定，建议将气管长度控制在规定范围内。
3. 执行机构动作缓慢：可能是由于气缸内部进入水分或杂质，导致气缸内部磨损。
此时需要将气缸内部进行清理并更换密封件。
另外，检查弹簧是否松动，导致气缸内泄间隙变大，从而影响执行机构动作。
如果是由于上述原因导致的故障，需要及时调整并更换损坏的零件。
4. 执行机构产生噪音：可能是由于气缸内部活塞环、密封件等零件磨损过度，导致气缸内部产生噪音。
此时需要更换磨损的零件。
另外，检查气源是否正常，如存在杂质或水分，需要清理或更换气源。
5. 电源故障：检查电源是否正常，如电源电压过低或过高，需要调整至规定范围内。
另外，检查电路板是否正常工作，如出现损坏需要及时更换电路板。
6. 阀门定位器故障：检查阀门定位器是否正常工作，如出现损坏需要及时更换。
另外，检查调节阀杆与阀芯是否磨损，如磨损过度需要更换。
总之，对于气动执行机构的故障处理，需要根据具体情况进行排查和维修。
在维修过程中需要注意安全，避免因操作不当导致事故发生。
同时，定期对气动执行机构进行维护和保养，可以延长其使用寿命，提高工作效率。
850t冷剪机常见故障分析与处理
（ Ｂ ａ ｒ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｍｏ ｎ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ８ ５ ０ ｔ ｃ ｏ ｌ ｄ — — ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｏ ｆ Ｂ ａ ｒ Ｌ ｉ ｎ ｅ ｉ ｎ Ｂａ ｒ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｏ ｆ
的故 障也将 导致 气 压力 异 常 ，因此 ，在 线增 加 １ 组 备 用 阀 台 ，一 旦 有 异 常 ，迅 速 切 换 阀 台 ， 即 图 １冷剪 机 剪切 定尺 材 的动作 顺序 图 导 致 的故 障 （ 离合 器 结构 见 图 ２ ） ，主要原 因有 ： （ １ ） 内 、外 齿摩 擦 盘 间 隙 过 大 或 过 小 ，造 成 离 合 器 闭合 或打 开不 到 位 、不 及 时 ； （ ２ ）气 囊 气 压不 足 ，导 致 压 板 无 法将 内 、外 摩擦 盘 有 效 压 可快 速排 除 阀台故 障 。 （ ３ ）气 囊 排 气 阀总 共有 ３ ～４个 三通 单 向阀 ，可 以在 停 机 状 态 时 ，给气 囊供 气 、排 气 ，用 手 感 觉 几 个 排 气 阀 的排 气 情 况 ，若 个 别 排 气 量 较 小 则 需 更 换 ，以保 证 整个 气囊 排气 通 畅 。 （ ４ ） 紧 螺丝 及 弹 簧 主要 是 气囊 排 气 时 提供 足 够 的动 力 以快 速 排 气 ，摩 擦 片 快 速 分 离 。在使 用一 段 时 问 以后 ，弹簧 、螺 丝 会
２ ． １ 工作 基本 动作 顺序
除最早的一棒使用 的是 ５ ０ ０ ｔ 冷剪机外 ，其他 ５
条 棒材 线 全 部使 用 ８ ５ ０ ｔ 冷 剪机 。冷剪 机 主要 用 于 棒 材 下 冷 床 后 切 头 、切 尾 、定 尺 剪 切 等 ，是 由主 电机 带 动 高速 轴 组件 （ 高速 轴 配 有制 动 器 、
850吨冷剪结构与受力分析浅谈
前言： 冷剪机是棒材生产线的关键设备， 其功能是根据定尺长度剪 在 斜刀 片剪切机 上 的剪 切过程 与平行 刀片 剪切机 主要不 同之 点在 切钢 材， 的正 常运 行直 接关 系到 轧钢生 产 的连续 性 ， 据轧 钢厂 二 于剪切 时作用在 刀片上 的力 不是 以被剪切钢 材的全 部断面来计 算 。 它 现根 以下 给 出理论 分析 ： 棒 ８０ ５ 吨冷剪设备结构进行受力分析， 找出提高冷剪使用效果的方法。 ｌ设 备结构组成 在平 行剪切 中 ： Ｐ， ＝ －Ｆ ｒ （１ ２） 式 中 Ｐ 剪 切 力 ， Ｔ 单 位剪 切 阻 力 ，／ｍ；一 切原 始 断 面积 ， ＿ Ｎ； 一 Ｎｍ Ｆ 剪 ８０ ５ 吨冷剪主要用途是对轧制的成品剪切成 ６ ｍ至 １ｍ定尺 ， ２ 从功 ｍ ｍ ２ 能上 主要分 以下 几部分 ： Ｉ ． Ｉ冷剪 主传 动部分 同一钢种在 同一温度 下剪切 ， 剪切阻 力 可 视为常量 。剪切原 单位 冷剪主体由交流电机常转， 飞轮蓄能， 剪切工作时电机和飞轮同时 始断面积 Ｆ 一等于剪切支数与每支断面积之和。冷剪机的剪切力 Ｐ由 作用 ， 实现剪切 。 这时 飞轮转速略 微下降 ８ ％至 １％。 ２ 然后 在 电机 的带动 Ｐ 迅速增加到 。当Ｐ ｎ 一小于冷剪机的最大允许载荷时 ， 冷剪机正常 下 ， 阪复至额定转速 。电机与 飞轮之间为皮 带传动 。 很快 剪切 ； Ｐ 当 一大于冷剪机的最大允许载荷时， 冷剪机不能进行剪切。 １ ． ２冷剪工作 机构 在 斜剪切 中 ， 剪切 主要用 于对板 材的剪 切 。根 据 ＢＢ诺 萨利公 斜 ． 冷剪剪切 形式 为 ： 下剪刃 固定 ， 刃移 动 。上剪 刃支座 体在 曲柄 式 ： 上剪 Ｐ＝ ＋ ＋ （２ ２ ） — 轴 的带动 下 ， 侧滑道 问上下 移动 ， 现剪切 功能 。冷剪 主体 内部传 在两 实 式中 Ｐ＿ ｒ 纯剪切 力 ；ｒ Ｌ Ｐ 辛 件被剪 掉部分 的弯 曲力 ；广 Ｐ 钢板在 剪切 区 动 为二 极齿 轮减 速 ， 端与 飞轮 同轴 ， 出端 与 曲柄 轴 同轴 ， 入 域 内的弯 曲力 。 输入 输 在输 轴两侧分别装有一台离合器和一台制动器。 冷剪不工作时， 电机与飞轮 对于棒材 而言 ，它不 是钢板 的连续 剪切 ，可忽略 Ｂ和 两力 的影 常转， 输入轴静止（ 离合器打开 ， 制动器闭合）剪机工作时， ； 由飞轮轴带 响， 采用下式 ： Ｐ ＝ｈ／ｎ ．＂ｅ ｔ ｎ ｒ ａ Ｊｄ （３ ２） － 动 输入轴 以及 曲柄轴旋 转 ， 现剪切 （ 合器 闭合 ； 动器 打开 。这样 实 离 制 式中 ｈ轧件 的高度 ； 刀 刃倾 斜 的角 度 ；＿ ＿ ８轧件 的相对切 入深度 。 由离合器 与制动器协 调动作 ， 现动力 的通 断和准确 的停位 。离合器和 实 在相 同 晴况 下 ， 行刃剪 切相 比较 ， 切在剪 切过 程 中是从 轧 与平 斜剪 制 动器均 为气动 干式 摩擦片式 。 件 的—边 向另一边逐 渐移动 的剪切过程 。即在剪 切过程 中的每一 瞬间 ， １ ． ３剪切 压料装置 剪刃剪断轧件断面长度只是轧件断面的一部分。因而 ，剪切力大大减 冷剪 剪切时 为防止翘 尾现象 ， 在冷剪入 口端设 计有 压辊装 置 ， 由气 小 。 缸带动一 连杆机构使 压辊压 于轧件上 部 ， 现稳定剪 切 。 实 ｘＳ￣ 刃剪切进行 定性分 析 ，可知斜 剪切 的剪切力 远小 于平行 刃 Ｃ， Ｖ １ 切 头挡板装 置 ４ 剪 切 的剪切 力 。 如果确定 斜剪切 的倾斜 角 ， 定量计算 证 明 ， 剪切 通过 斜 由于从冷床 运来 的成 排轧件 头部并 不是 十分整 齐 ， 有些 隋况下 ， 为 可以降低剪切载荷 ， 从而提高冷剪机的剪切能力。 了提 高定尺 的准确性 ， 冷剪要 进行一 次齐头 剪切 ， 机构位 于冷剪 出 口 该 倾斜角 旺 愈大， 剪切时剪切力就愈小。当冷剪机主轴（ 偏心轴） 一旦 处， 由气缸 带动挡板 实现钢材对 齐功能 。 确定 ， 片的行程 ｆ 于 ２ 刀 等 倍的偏 心距 ） Ｏ的增 大而 减小 。倾斜 角 随着 Ｌ １ ． 刃更换装 置 ５刀 选取愈大， 剪切时产生的侧向力就愈大， 对于刀架前后的衬扳磨损就越 由于冷剪剪 刃 比较重 ， 进行更换 比较 困难 ， 备配有 专 门的 严 重 。根据 《Ｌ 人工 本设 牟钢机 械》 的推荐 ， 当直径 在 ８２ ｍ － ８ ｍ时 ， 的选取 在 １￣。 ｃ ｔ 。５ 换刀小车和刀体座推出移人油缸 ， 换刀小车上有 ２ 套工位 ， 一为新刀刃 之 间 。 综合分 析后 ， 取 ０为 １ ３即斜 剪切刀 刃与水平夹 角为 １ ３， 选 【 ．。 ４ ． 。当 ４ 工位 ； 为 旧刀刃工 位 ， 时 ， 刀放于小 车上 ， 动小 车使 旧刀 刃 剪切 至刀 刃长度 １ 时 ， 下刀 刃恰在 中心 线对接 ， 剪机 的 剪切 力 大 二 换刀 将新 移 ， ２ 上 冷 位对 准剪机 中心线 ， 刃夹 紧装 置（ 剪 液压夹 紧缸 ） 开 ， 油缸 的推动 幅度降低。 松 在 下， 剪刃离开剪机进入小车工位 ； 装剪刃时 ， 小车新剪刃位置对准剪机 以 ０ ５ ｍ带 肋钢 筋 为例 ， 号 为 Ｈ Ｂ ０ 为 ５ ０ ａ根 据 ２ｒ ａ 其牌 Ｒ ４０ ７ ＭＰ ， 中心线， 由油缸将剪刃拉人剪机剪刃座槽 内， 夹紧装置夹紧 ， 完成换剪 公式 ｆ进行 计算 ， 长度 为 １ｍ， ２ 支计 ， ４ ３ 。 １ ） 剪切 ２ 按 ４ Ｐ为 ． ＭＮ ０ 刃工作 。 而 当采 用斜剪 刃剪切时 ， ｈ＝２ｍ －１ ３， ． Ｋ ：１ 将 ５ ｍ， 二 ． Ｋ ＝０６ ｚ ， ４ ， １ ． ６稀油 润滑 系统 Ｏ ＝５０ Ｐ ＝１％代入到公 式 － ７Ｍ ａ ｂ ４ 冷剪 主体 中的齿 轮为 ６ 级精 度硬 齿面磨 削而成 ，工作 时必 须有 良 好的润滑 ， 在冷剪本体上配置有独立的稀油循环润滑系统，含冷却器 ） （ 对齿轮 、 轴承进行集中喷油润滑。 油量 ５Ｉ ｎ油压 ０ － ． ｐ。 ０ ｍｉ， Ｊ ． ０ Ｍ ａ齿轮箱 ２ ３ 式中 ａ 为单 位剪切 功 ， Ｋ ａ＝ ２ 进 油 口处 设压力 继电器报 警装置 。 得 Ｐ为 ３ ２ Ｎ ４Ｋ 。 １ ． ７压缩空气 系统 通过上 述分析 可见斜 剪刃 比平 剪刃 在剪切 过程 中更省 力 ，根 据上 冷剪上离合器、 制动器以及多个气缸均是以压缩空气作为动力的， 述公 式计 算 可得 出各种 规 格钢 筋 最大 单次 剪 切 支数 超 过最 大 剪 切支 尤其 是离合 器和制 动器 ， 空气 的气压 和流量 必须稳 定 ， 以在冷 剪 数 ， 成剪 不 断的后果 ， 会对 剪 刃造 成重 大伤 害 ， 害 剪 刃的使 用 压缩 所 将造 更 损 附近 安装有压缩 空气罐 ， 以保证气压 的恒定 。 寿命 ， 影响使 用 。 １ ． ８干油润滑 系统 ３影响剪切 质量 的原因 设备带有 自动电动双线干油润滑系统，可调整润滑时间、各点油 刀片间隙过大会使剪切产生尖锐的毛刺 ， 严重影响剪切质量 。 刀片 量。对冷剪主要的转动和滑动部位进行间歇性注油。 间隙会 因为滑板 的磨损而逐 渐变大 ， 不断调 整。应严格 控制 剪切 刀 需要 按 刀 ． ｍ－ Ｓ 实 ３ Ｏｍ 该 剪 机 的 主 要 技 术 性 能 如 下 ：剪 切 力 ：５ ０ Ｎ ８０ Ｋ 。剪 刃 宽 度 ： 片间 隙 ， 照 冷剪 机 的技术 要求 ， 片间 隙为 ０ ｍ －． ｍ， 际 控制 １５ ｍ 剪刃重合度 ５ ｍ。 ６０ ｍ， ａ ｒ 剪切材料 ： 、 普碳 低合金、 合金结构钢等。剪 为 ０ ５ ｍ Ｏ３ｍｍ 这样使得剪切毛刺大为减少。 ． ｍ －． ２ ５ ， 切温度 ： －５ 度 。 室温 ２ ０ ４总结 ２剪切时 轧件 的受 力分析 冷剪是 棒材生产 线 的关 键设 备 ， 需要重 点维 护 ， 上述 结构 与受 通过 轧件的剪切过程并不是一个纯剪切过程， 而是剪切、 压缩 、 弯曲的 力分析计算 ， 我们知道 ， 冷剪使用效果 、 寿命跟单次剪切钢筋数 目 有关 ， 综合过程。当上刀片下降切入轧件后， 轧件与上 、 下刀片的接触端面上 所以 日常生产中， 要保证冷剪剪切支数不得超标 ， 从而保证冷剪的使用 受有 压力 ， 产生 了压应 力 ， 上 、 刀片 侧 面之 间存在 一定 的 间 寿命 ， 因此 由于 下 提高冷剪 的剪切 效果 。 参考文献 隙 ， 在 间隙 区域 附近 的轧件 内产生 了剪切应 力 。随 着上刀 片继续 下 故 降， 接触端面的压力也逐渐增大， 使剪切变形区的轧件产生塑性变形。 『王延博． 生
850T冷剪机部件技改方案分析之见解
850T冷剪机部件技改方案分析之见解作者：王远振来源：《山东工业技术》2016年第13期摘要：通过对850T冷剪机设备在使用过程中遇到的实际问题，经过阐述其部件组成，工作原理，问题产生的原因，并根据零件受力情况分析对策，提出改进方案：偏心轴与齿轮装配方式；液压杆密封件双重保护；刀座斜度定型；刀片使用形式的改变等来解决所提问题。
关键词：冷剪机；维修；降本DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.1970 引言福建三钢小蕉实业发展有限公司经过十年跨越式的发展，逐步形成了以小蕉本部为依托，罗源分公司为主力，中钢公司为辅助的轧钢产业集团。
年轧钢能力可达250万吨，850T冷剪机作为定尺剪切钢材的关键设备，对于轧钢量产后道的一承前起后设备，其作用不言而喻。
前能保证冷床不堆钢，进行快而稳剪切钢筋，后能保证钢材打包工序的有条不紊。
因此，在生产过程中就必须保证850T冷剪机设备的正常运转，尽可能降低设备故障率，并尽量做到维护方便，修理快，备件成本可控。
我司现有此设备四台，在第一台配套中钢年产60万吨棒线生产使用后，遭遇到了维护困难，刀刃损耗高，润滑油路堵塞润滑不到位的困境。
为此，在罗源棒线配套的850T冷剪机设备，进行了有针对性的对以上问题做了几项技术改造。
均获得了成功，现3台在用量效果良好，降耗显著。
1 850T冷剪机关键部件及主要工作原理。
850T冷剪机设备的组成：1）冷剪机驱动系统。
2）冷剪机的传动系统。
3）冷剪机的液压系统。
4）冷剪机的润滑系统。
5）冷剪机的刀片更换系统。
6）冷剪机的压钢装置。
7）冷剪机的辊子支撑装置。
8）冷剪机的对齐挡板装置。
9）冷剪机的气动装置。
10）控制操作系统九大部分。
850T冷剪机工作原理：通过电机带动皮带轮和与之连接齿轮轴，经过安装在齿轴上的离合器与制动器实现与二级齿轮的间歇传动，从而带动三级齿轮上偏心轴和与之连接的滑座，将回转方式转化为上下往返间断行式，来实现必要的剪切工序。
棒材车间850T冷剪剪切控制与故障预防简说
棒材车间850T 冷剪剪切控制与故障预防简说850T 冷剪是将棒材倍尺剪切成定尺的设备，此设备出现故障，通常都会造成全线停轧，此设备正常运行的重要性不言而喻。
参与冷剪剪切的两个关键元素是离合器与制动器，剪切过程简化流程图如下：离合器与制动器动作是通过气阀控制，离合器电磁阀得电控制气阀闭合，制动器电磁阀得电控制气阀打开。
冷剪剪刃位置的检测有接近开关检测和绝对位置编码器检测两种。
接近开关检测安装示意图如右图所示，当低位接近开关感应到安装在主轴上的挡铁时，离合器失电打开，冷剪减速箱通过惯性使得剪刃自由动作，当高位接近开关感应到挡铁后，制动器失电闭合，此时冷剪处于制动状态，剪切完成。
其时序图如右图所示。
剪切命令制动器打开 离合器闭合 离合器打开 制动器闭合（剪切结束）另一种剪刃位置的检测方式则为绝对位置编码器检测，此种检测方式要比用接近开关更加精确，绝对位置编码器检测只需在冷剪主轴中心引出轴上安装一个绝对位置编码器即可，调整剪刃位置方便，可通过WINCC画面通过设定码值直接设定离合器打开时的码值。
但其使用成本较高，控制程序稍显繁琐。
在生产过程中，因故障造成的停产损失往往要比设备的投资成本大的多，建议在冷剪安装时采用以上两种位置检测方式，以绝对值编码器检测为主，故障状态下切换到接近开关检测，这样即可避免因检测元件故障造成停产损失。
其时序图如下图所示。
使用绝对位置编码器检测还有一个优点，即可以判断离合器系统与制动器系统的劣化情况。
如在正常情况下，离合器闭合后在0.4秒内会使得绝对值编码器数值发生变化，当0.4秒时检测到绝对位置编码器数值未发生变化，则可判断离合器摩擦片磨损教严重或者气阀控制存在劣化。
同理，制动器闭合后在0.4秒内会完全制动，此时编码器数值不会发生变化，取0.4秒时的码值与0.41秒时的码值做对比，码值相等则可判断制动器系统正常，否则可判断制动器摩擦片磨损或者气阀控制存在劣化。
其实例PLC程序段如下:离合器闭合时取绝对位置编码器的码值。
850t冷剪机故障分析与处理
分析 850 t冷剪机的受力状况 ,如图 1 所示 , X 向指向门型板 : 在曲轴的旋转方向已定 (逆时针 ) 的情况下 , 曲轴上的大齿轮的螺旋角为左旋 , 因此水平轴向 力 F2 指向门型板 , 即偏心轴产生的轴向力被门 型板承受 ,导致门型板与箱体的联接螺栓全部断 裂、 门型板跳动 , 从而出现上述问题 , 影响生产 。 因此 ,在曲轴旋向一定时 , 大齿轮的螺旋角应保 证轴向力方向背向门型板 , 这样 , 门型板才不会 发生损害 ,使设备正常运行 。
在剪切过程中 ,曲轴除承受垂直方向的剪切 力外 ,还承受轴向力的作用 , 轴向力来源于曲轴 上的大齿轮 。由于结构原因 (便于安装 ) ,在机架
X 方向一端 ,设有门型板 , 从机架结构设计 、 受力
分析看 ,门型板主要承受垂直的剪切力 ,承受轴向 — 63 —
总 第 165 期 冶 金 设 备 2007 年 10 月第 5 期
O 与 O2 之间 ,连杆作用于连杆轴上的力 F (作用
滑板的相关位置如图 2 所示 。
点 O2 )与垂直方向的夹角 α, 比 OO2 连线与垂直 方向的夹角小 。如果逆时针方向旋转 ,剪切时 O1 点在 O 点的左侧 ,这时作用力 F 与垂直方向的夹 角 α比 OO2 连线与垂直方向的夹角大 。 在剪切过程中 , 如果 α角增大 , 垂直剪切力
根据以上计算结果 ,可以得到如下结论 :
1 ) 由应力云图可见 ,活动横梁Biblioteka 偏心载荷作社 , 2003
[ 3 ]陈秀宁主编 . 机械优化设计 . 杭州 : 浙江大学出版社 , 1991 [ 4 ]王祖城主编 . 弹性和塑性理论及其有限单元法 . 北京 :
用下 ,其应力分布完全不对称 , 在载荷偏向一侧 , 应力值要高一些 。
基于正交试验的850吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计
第３５卷第４期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．４２０２４年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．７５２Ｇ７５９基于正交试验的８５０吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计祁瑁富１㊀孙远韬２㊀田春雷１㊀冯嘉琪３１．中船澄西船舶修造有限公司,江阴,２１４４００２．同济大学机械与能源工程学院,上海,２０１８０４３．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,葫芦岛,１２５０００摘要:以减小８５０吨冷剪机剪切力为研究目的,从冷剪机剪切机理及特点出发,采用正交试验法分析剪切间隙㊁剪刃倾角㊁剪切速度㊁剪刃刀面宽度及剪刃重叠量等参数对剪切力的影响,分别以方差㊁极差及显著性作为影响因素的指标,并对其进行优先级排序,进而优化剪切参数,减小剪切力.优化剪切参数前后的冷剪机现场试验表明,优化前后冷剪机剪切力的实测值与仿真值误差均在５％以内,仿真结果可靠.采用优化后的剪切参数,冷剪机剪切相同规格钢筋时,上剪刃最大剪切力减小了５．８４k N ,减小约１３％,下剪刃最大剪切力减小了４．７７k N ,减小约９．７％.经车间反馈,使用优化后的剪切参数可大幅延长冷剪机剪刃崩刃和磨损的周期,增长剪刃寿命和提高剪切效率.该研究对提高设备经济性和生产效率具有重要意义,可应用于同类型冷剪机的工程设计.关键词:冷剪机;剪切力;正交试验;剪切参数;剪刃寿命中图分类号:T B ２４D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０４．０１８开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):S h e a rF a i l u r eM e c h a n i s m A n a l y s i s a n dO p t i m u m D e s i gno f ８５０T o nC o l d S h e a rB a s e do nO r t h o go n a l T e s t Q IM a o f u １㊀S U N Y u a n t a o ２㊀T I A N C h u n l e i １㊀F E N GJ i a qi ３１．C h e n g x i S h i p y a r dC o ．,L t d ．,J i a n g y i n ,J i a n g s u ,２１４４００２．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T o n g j iU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i ,２０１８０４３．S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n dC o n t r o l E n g i n e e r i n g ,L i a o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y ,H u l u d a o ,L i a o n i n g,１２５０００A b s t r a c t :I no r d e r t o r e d u c e t h e s h e a r f o r c eo f ８５０t o nc o l ds h e a r s ,t h e s h e a r i n g me c h a n i s ma n d c h a r a c t e r i s t i c s of t h e c o l d s h e a rw e r e s t u d i e d ,t h e e f f e c t s o f s h e a r p a r a m e t e r s s u c h a s s h e a r c l e a r a n c e,b l a d e i n c l i n a t i o n ,s h e a r v e l o c i t y ,b l a d ew i d t ha n db l a d eo v e r l a p o ns h e a r f o r c ew e r ea n a l y z e db y or Ｇt h o g o n a l t e s t ．V a r i a n c e ,r a n g ea n ds i g n i f i c a n c ew e r eu s e da s t h e i n d e x e so f i n f l u e n c i n g fa c t o r s ,a n d t h e p r i o r i t y o f t h e m w e r e g i v e n t oo p t i m i z e t h e s h e a r p a r a m e t e r s a n d r e d u c e t h e s h e a r f o r c e ．T h e e x Ｇp e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no f t h ec o l ds h e a rb e f o r ea n da f t e r t h eo p t i m i z a t i o no f s h e a r p a r a m e t e r sw e r ec a r r i ed o u t i n t h ew o r k s h o p sw h i c h s h o wt h a t t he e r r o r s b e t w e e n t h em e a s u r e d a n d s i m u l a t e d v a l u e s of t h e s h e a r f o r c e o f t h e c o l d s h e a r b e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o nw e r ew i t h i n ５％,w h i c hv e r i f i e s t h e r e l i Ｇa b i l i t y o f t h e s i m u l a t i o na n a l y s i s ．B y s e t t i ng th e o p ti m a l s h e a r p a r a m e t e r s a n d s h e a r i n gt h e s a m e s t e e l b a r ,t h em a x i m u ms h e a r f o r c e o f t h e u p p e r s h e a r b l a d e i s r e d u c e db y ５．８４k N ,a b o u t １３％．T h em a x i Ｇm u ms h e a r f o r c e o f t h e l o w e r s h e a r b l a d e i s r e d u c e db y ４．７７k N ,a b o u t ９．７％．F e e d b a c k s f r o m w o r k Ｇs h o p s s h o wt h a t t h e o p t i m i z a t i o n g r e a t l yp r o l o n g s t h e p e r i o do f b l a d eb r o k e na n db l u n t a n d i m p r o v e s t h e b l a d e l i f e a n d s h e a r i n g e f f i c i e n c y ．T h e r e s u l t s a r e o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n g t h e e c o n o m ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o f t h e e q u i p m e n t ,a n dm a yb e a p p l i e d t o t h e e n g i n e e r i n g d e s i gno f t h e s a m e t y pe of c o l d s h e a r s ．K e y wo r d s :c o l d s h e a r ;s h e a r f o r c e ;o r t h o g o n a l t e s t ;s h e a r p a r a m e t e r ;b l a d e l i f e 收稿日期:２０２３０８２７０㊀引言随着中国钢铁产业的进步和国内基础设施规模逐步扩大,以特种钢铁为代表的高强度钢正迅猛发展[１].然而,高强度特种钢材的不断发展,造成钢材加工难度日益飙升,对成形钢材剪切机工作能耗㊁工作效率等提出更高要求.２５７目前流行的钢材剪切设备的性能已不能满足生产需要,需对其进行深入研究,以实现更低的能耗和更高的效率[２].例如,８５０吨冷剪机被广泛应用于建筑㊁冶金㊁船舶等钢材加工领域,并主要对生产线上的棒材等工件进行切头㊁切尾㊁定尺剪裁等加工,以满足后续产品的规格要求,在轧制工艺中起着重要作用[３Ｇ４].由于生产过程中冷剪机工作载荷较大,故常出现剪刃崩刃和磨钝过快的现象,严重影响剪刃寿命和剪切效率.因此,无论从促进冷剪机更新升级的角度,还是从经济性的角度,深入研究优化剪切参数㊁减小冷剪机剪切力以延长剪刃寿命,都具有重要意义.目前,对剪切机的研究主要停留在剪切过程和个别剪切参数对剪切力影响等方面.文献[５]基于有限元法仿真剪切机剪切铜板过程,获取了铜板剪切力变化规律,通过对比实测剪切力的值,验证了仿真的准确性.文献[６]深入研究了钢筋剪切过程,发现剪切机剪切力随剪切速度的提高而减小,可通过提高剪切速度㊁减小剪切力来延长剪刃使用寿命.文献[７]基于圆盘剪切机现场剪切实验发现,剪切间隙是剪刃寿命的主要影响因素,通过优化剪切间隙和其他因素,将剪刃寿命延长了２７％.文献[８]基于有限元法和实验法研究发现,钢筋剪切机的剪切力随着剪刃倾角的增大而减小,优化剪刃倾角可改善剪刃受力情况,为剪切机设计提供理论依据.文献[９]基于切边剪剪切机理和材料断裂理论发现,重叠量也是影响剪刃寿命的主要因素之一,通过选用小重叠量来改善剪切质量和剪刃寿命.科研人员不断深入研究影响剪切机剪刃的失效因素,但研究方法较为单一,缺乏系统性的研究分析.本文采用正交试验法全面研究影响剪刃失效的影响因素,基于有限元仿真优化和现场实验对比的方法,探究最优的剪切参数,从而延长剪刃寿命.１㊀冷剪机剪切机理及其剪切力性能分析１．１㊀冷剪机剪切机理图１所示为一种广泛应用于钢筋剪切且结合传动系统㊁剪切机构㊁离合机构㊁平衡装置和机架等部件为一身的冷剪机,它的优点在于可以进行快速换刀.机架下面装有下刀台,为了方便运行,在与机架接触的部位安装滑板,利用剪切机中夹紧油缸在机架上固定下刀台位置.上刀台包含上刀台和上刀台连杆垫块,换刀时可将上刀台和下刀台同时取出.由于压紧油缸可固定刀台位置,１．机架㊀２．曲轴㊀３．上刀台平衡油缸(传动侧)４．上刀台平衡油缸(操作侧)㊀５．压板装置６．上刀台行程扩大装置㊀７．连杆㊀８．上刀台压紧油缸９．上刀台连杆垫块㊀１０．上刀台主体㊀１１．下刀台１２．下刀台夹紧油缸㊀１３．下横梁图１㊀上切式平行刃冷剪机F i g．１㊀U p p e r s h e a r i n gp a r a l l e l b l a d e c o l d s h e a r因此换刀方便.图２和图３所示分别为冷剪机传动系统和剪切原理,传动机构由曲柄连杆机构组成.当冷剪机进行剪切工作时,电机驱动曲柄旋转,在曲柄驱动作用下,上剪刃以匀速状态沿竖直方向对钢筋进行剪切,下剪刃固定不动,直至切断钢筋.冷剪机通过与驱动电机相连接的调速器来调节电机转速,从而改变曲柄的旋转速度,实现剪切速度的控制.图２㊀冷剪机传动系统F i g．２㊀C o l d s h e a r t r a n s m i s s i o n s y s t e m １．２㊀冷剪机工作过程１．２．１㊀切入阶段图４所示为８５０吨冷剪机剪切螺纹钢筋时剪３５７基于正交试验的８５０吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计 祁瑁富㊀孙远韬㊀田春雷图３㊀冷剪机剪切原理F i g ．３㊀S h e a r p r i n c i pl e o f c o l d s h e a r 刃受力情况,钢筋剪切断面所受剪切力小于自身抗剪能力,钢筋的剪切区域只出现局部压缩现象,此时为切入阶段,随着剪切继续进行,下剪刃与上剪刃对被剪钢筋形成作用力P 和力矩T １＝P a ;上剪刃和下剪刃侧面会对钢筋形成力T 和力矩T ２＝T c .钢筋转动角逐渐增大,直到T １和T ２平衡时停止转动,此时P a ＝T c(１)图４㊀剪刃剪切过程受力分析F i g ．４㊀F o r c e a n a l y s i s o f s h e a r i n gpr o c e s s o f t h e s h e a rb l a d e假设剪刃与金属在b x 和０．５z x 的接触面(图４)上的单位压力是均匀分布且相等的,则有P b x ＝T０．５z x(２)式中,x 为钢筋切入宽度,m ;b 为断面宽度,m ;z 为剪刃切入深度,m .由式(２)可知T ＝P０．５zb＝Pt a n γ(３)由图４的几何关系可知a ≅b ＝０．５z t a n γ(４)c ＝hc o s γ－０．５z (５)将式(３)~式(５)代入式(１),可得剪刃转角γ与切入深度z 的关系如下:t a n γ＝z２h(６)式中,h 为截面高度,m .由式(６)可知,剪刃切入深度z 越大,转动角度γ就越大,侧向推力T 就越大.在剪刃切入阶段,剪切力计算如下:P ＝p b x ＝p x０．５zt a n γ(７)式中,p 为单位压力,P a .将式(６)代入式(７)可得P ＝p x ０．５z h(８)以ε表示相对切入深度,则ε＝z h(９)将式(９)代入式(８)可得P ＝p x h ０．５ε(１０)１．２．２㊀滑移阶段剪切继续进行,钢筋进入塑性滑移阶段,该阶段剪切力由下式计算:P ＝τb (hc o s γ－z )(１１)式中,τ为单位剪切阻力,P a.P 与相对切入深度ε的关系如图５所示,由式(１０)可知,在剪切初期阶段,剪切力P 与相对切入深度ε几乎成正比关系.在整个剪切过程中,单位剪切阻力τ随相对切入深度ε的增大而减小,又结合式(１１)可知,钢筋进入滑移阶段后,剪切力P 随着相对切入深度ε的增大而减小,直至钢筋断裂后,剪切力为零.图５㊀剪切力与相对切入深度的关系F i g ．５㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e n s h e a rf o r c e a n d r e l a t i v e s h e a r d e pt h １．３㊀冷剪机剪切力计算８５０吨冷剪机在剪切螺纹钢筋时,其最大剪切力为[１０]P m a x ＝０．６K １A σb(１２)其中,A 为钢筋截面面积,mm ２;σb 为钢筋强度极限,M P a .K １根据剪切机的剪切能力进行选取:对于小型剪切机(P ＜１．６MN ),K ＝１．３;对于中４５７ 中国机械工程第３５卷第４期２０２４年４月型剪切机(P＝２．５~８．０MN),K＝１．２;对于大型剪切机(P＞１０MN),K＝１．１.２㊀冷剪机剪切过程仿真分析２．１㊀冷剪机剪刃失效形式某厂加工车间８５０吨冷剪机由于工作载荷较大,出现较为严重的剪刃失效现象,如图６所示.图６㊀剪刃磨钝和崩刃图F i g．６㊀B l u n t a n d b r o k e n e d g e s o f s h e a rb l a d e因该冷剪机剪切的H R B４００螺纹钢筋直径为１２mm,材料强度极限为５７０M P a,且该８５０吨冷剪机属于中型剪切机,故选取K＝１．２,其最大剪切力为P m a x＝０．６ˑ１．２ˑπˑ１２２ˑ５７０４ʈ４６．４k N ２．２㊀建立剪切模型冷剪机剪切钢筋过程建模主要包括上剪刃㊁钢筋和下剪刃三个部分,该厂加工车间的８５０吨冷剪机为平行刃剪切机,且剪刃与刃口所在平面有一定夹角,建立钢筋剪切模型如图７所示.其中剪刃材料为H１３钢,钢筋材料为H R B４００,具体参数如表１所示.该冷剪机现场实际应用的剪切参数如表２所示.图７㊀三维剪切模型F i g．７㊀３Ds h e a rm o d e l表１㊀材料参数T a b．１㊀M a t e r i a l p a r a m e t e r s材料H R B４００H１３密度ρ(k g m３)７８５０７８５０弹性模量E(G P a)１９８２１０泊松比μ０．３０．３屈服应力σ０(M P a)４００－切线模量E t a n(M P a)４３０－硬化参数β１－失效应变０．２７－表２㊀冷剪机实际剪切参数T a b．２㊀A c t u a l s h e a r p a r a m e t e r s o f c o l d s h e a r剪切间隙(mm)０．３剪刃倾角(ʎ)７剪切速度(mm/s)３７剪刃刀面宽度(mm)５剪刃重叠量(mm)３㊀㊀在A N S Y SL SＧD Y N A中完成冷剪机剪切模型的单元类型选择㊁材料设定㊁约束㊁接触㊁载荷以及初始条件施加后,控制其仿真时间和输出文件的类型,设置完成后进行求解.２．３㊀有限元分析结果冷剪机上下剪刃剪切力曲线如图８所示,上剪刃最大剪切力为４８．６k N,下剪刃最大剪切力为５２k N.由上述理论计算可知,上剪刃最大剪切力的理论值为４６．４k N,仿真值与理论值误差仅４．７％,说明仿真结果可信.图８㊀剪切力曲线F i g．８㊀C u r v e o f s h e a r f o r c e３㊀基于正交试验的影响因素优化分析基于前人研究结果和冷剪机实际剪切经验可知,造成冷剪机剪刃失效的因素主要有剪切间隙㊁剪切速度㊁剪刃倾角㊁剪刃重叠量和剪刃刀面宽度,且各影响因素数值的微小变化均对剪切力影响较大,因此,本文采用正交试验法系统研究影响剪刃失效的５种因素,通过对其进行优化分析来延长剪刃寿命.３．１㊀试验因素和试验水平在正交试验中,基于正交表制定与冷剪机剪切力相关的５个影响因素.因为各影响因素数值变化对剪切力影响较大,故以保证设备操作安全５５７基于正交试验的８５０吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计 祁瑁富㊀孙远韬㊀田春雷性为前提,每个影响因素就近设５个水平,具体如表３所示.表３㊀因素水平表T a b．３㊀F a c t o r l e v e l t a b l e水平影响因素剪切间隙(mm)剪刃倾角(ʎ)剪切速度(mm/s)剪刃刀面宽度(mm)剪刃重叠量(mm) A B C D E１０．３５２７３１２０．４６３７４２３０．５７４７５３４０．６８５７６４５０．７９６７７５㊀㊀根据五因素五水平,选用L２５(５６)正交表,空余列F作为误差列,以上下剪刃剪切力作为试验指标,则正交试验设计和试验指标的仿真结果如表４所示.表４㊀正交试验设计和试验结果T a b．４㊀O r t h o g o n a l t e s t d e s i g na n d i n d i c a t o r r e s u l t s编号j因素试验结果A B C D E F上剪刃剪切力(k N)下剪刃剪切力(k N)１１１１１１１４６．５５０．４２１２２２２２４６．２５０．３３１３３３３３４６．６５０．８４１４４４４４４７．８５２．６５１５５５５５４６．７５０．９６２１２３４５４７．５５１．６７２２３４５１４７．６５１．４８２３４５１２４６．１５０．８９２４５１２３４７．１５０．３１０２５１２３４４６．５５０．８１１３１３５２４４７．６５２．１１２３２４１３５４３．１４７．５１３３３５２４１４３．９４７．３１４３４１３５２４４．９４９．８１５３５２４１３４４．８４９．０１６４１４２５３４５．０５０．２１７４２５３１４４４．３４８．５１８４３１４２５４５．８５０．５１９４４２５３１４５．９５０．３２０４５３１４２４７．３５１．１２１５１５４３２４６．５５０．９２２５２１５４３４４．７４９．１２３５３２１５４４３．６４７．８２４５４３２１５４７．０５０．７２５５５４３２１４５．７５１．２㊀㊀由上述正交试验表直观分析可知,上下剪刃受剪切力均较小的较优剪切参数方案为A３B２C４D１E３和A３B３C５D２E４.当剪切参数为A３B２C４D１E３时,上剪刃受剪切力为４３．１k N,下剪刃受剪切力为４７．５k N.当剪切参数为A３B３C５D２E４时,上剪刃受剪切力为４３．９k N,下剪刃受剪切力为４７．３k N.３．２㊀正交试验结果的极差分析对上述影响因素的正交试验结果进行极差分析,极差数值越大,则该因素对试验结果影响越大[１１].冷剪机上下剪刃剪切力的极差分析结果如表５与表６所示.其中K i(因素指标,i＝１,２,３,４,５)为表４中任一列因素的水平号为j时所对应的试验结果之和;k i为因素指标平均值,k i＝K i/s,s 为任一因素列上各水平号的出现次数;R为因素极差值,R＝m a x(k１,k２,k３,k４,k５)－m i n(k１, k２,k３,k４,k５).表５㊀上剪刃剪切力极差分析T a b．５㊀R a n g e a n a l y s i s o f s h e a r f o r c e o f t h e u p p e rs h e a r i n g b l a d e因素A B C D E FK１２３３．８２３３．１２２８．４２２７．６２２８．７２２９．６K２２３４．８２２５．９２２８．０２２８．６２３２．４２３１．０K３２２４．３２２６．０２３６．１２２９．０２２８．６２２８．２K４２２８．３２３２．７２２７．７２３２．５２３１．２２２９．８K５２２７．５２３１．０２２８．５２３１．０２２７．８２３０．１k１４６．７６４６．６２４５．６８４５．５２４５．７４４５．９２k２４６．９６４５．１８４５．６０４５．７２４６．４８４６．２０k３４４．８６４５．２０４７．２２４５．８０４５．７２４５．６４k４４５．６６４６．５４４５．５４４６．５０４６．２４４５．９６k５４５．５０４６．２０４５．７０４６．２０４５．５６４６．０２极差R２．１０１．４４１．６８０．９８０．９２０．５６表６㊀下剪刃剪切力极差分析T a b．６㊀R a n g e a n a l y s i s o f s h e a r f o r c e o f t h e l o w e rs h e a r i n g b l a d e因素A B C D E FK１２５５．０２５５．２２５０．６２４７．１２４９．４２５０．６K２２５４．９２４６．８２４９．０２４９．３２５４．４２５２．９K３２４５．７２４７．２２５６．１２５１．９２５０．３２４９．４K４２５０．６２５３．７２５２．３２５４．４２５１．７２５１．８K５２４９．７２５３．０２４７．９２５３．２２５０．１２５１．２k１５１．００５１．０４５０．１２４９．４２４９．８８５０．１２k２５０．９８４９．３６４９．８０４９．８６５０．８８５０．５８k３４９．１４４９．４４５１．２２５０．３８５０．０６４９．８８k４５０．１２５０．７４５０．４６５０．８８５０．３４５０．３６k５４９．９４５０．６０４９．５８５０．６４５０．０２５０．２４极差R１．８６１．６８１．６４１．４６１．０００．７０㊀㊀为直观地反映各试验因素对试验指标的影响趋势,将各试验因素水平设为横坐标,试验因素指标平均值设为纵坐标,得到各个试验因素与试验指标的对应关系,如图９所示.由表５和图９可知,冷剪机剪切钢筋过程中,上剪刃剪切力与各因素水平的极差大小顺序为: A＞C＞B＞D＞E,则对上剪刃剪切力的影响顺序由大到小为:剪切间隙㊁剪切速度㊁剪刃倾角㊁剪刃刀面宽度和剪刃重叠量.又因冷剪机剪切时,剪６５７中国机械工程第３５卷第４期２０２４年４月图９㊀上剪刃剪切力与各因素水平趋势图F i g．９㊀S h e a r f o r c e o f t h e u p p e r s h e a r b l a d e a n dh o r i z o n t a l t r e n do f v a r i o u s f a c t o r s刃剪切力越小越好,因此上剪刃剪切力的最优方案为A３B２C４D１E５.与上述方法相同,得到下剪刃各个试验因素与试验指标的对应关系如图１０所示.图１０㊀下剪刃剪切力与各因素水平趋势图F i g．１０㊀S h e a r f o r c e o f t h e l o w e r s h e a r b l a d e a n dh o r i z o n t a l t r e n do f v a r i o u s f a c t o r s由表６和图１０可知,下剪刃剪切力与各因素水平的极差大小顺序为:A＞B＞C＞D＞E,则对下剪刃剪切力的影响顺序由大到小为:剪切间隙㊁剪刃倾角㊁剪切速度㊁剪刃刀面宽度和剪刃重叠量.剪切时剪刃剪切力越小越好,因此下剪刃剪切力的最优方案为A３B２C５D１E１.３．３㊀正交试验结果的方差分析基于以上数据,对冷剪机上下剪刃剪切力进行方差分析,结果如表７和表８所示.表７㊀上剪刃剪切力方差分析T a b．７㊀V a r i a n c e a n a l y s i s o f s h e a r f o r c e o f t h e u p p e rs h e a r i n g b l a d e方差来源离差自由度均方F值显著性A１５．７５４４３．９３９１９．１５７ɿB１０．０７４４２．５１９１２．２５ɿC１０．１９４４２．５４９１２．３９６ɿD３．１２６４０．７８２３．８０２E３．０７０４０．７６８３．７３３误差０．８２２４０．２０６表８㊀下剪刃剪切力方差分析T a b．８㊀V a r i a n c e a n a l y s i s o f s h e a r f o r c e o f t h e l o w e rs h e a r i n g b l a d e方差来源离差自由度均方F值显著性A１２．１９８４３．０４９８．９０６ɿB１２．１７０４３．０４２８．８８６ɿC８．２６２４２．０６５６．０３２D７．０３０４１．７５７５．１３３E３．１５０４０．７８７２．３０误差１．３７０４０．３４２㊀㊀由表７上剪刃剪切力的方差分析可知,剪切间隙㊁剪刃倾角和剪切速度对上剪刃剪切力有显著性影响,优化时应重点考虑.由表８下剪刃剪切力的方差分析可知,剪切间隙和剪刃倾角对下剪刃剪切力有显著性影响,优化时应重点考虑.４㊀８５０吨冷剪机的剪切试验由正文试验指标结果的极差分析及方差分析得出,因素A㊁B㊁C对上剪刃剪切力有显著性影响,因素A㊁B对下剪刃剪切力有显著性影响,且剪切过程中,使上剪刃受剪切力最小的剪切参数为A３B２C４D１E５,使下剪刃受剪切力最小的剪切参数为A３B２C５D１E１.基于正交试验直观分析,上下剪刃受剪切力均较小的较优剪切参数方案为A３B２C４D１E３和A３B３C５D２E４.综合考虑上下剪刃受剪切力情况,为获取使得上下剪刃受剪切力均最小的最优剪切参数,对初始剪切参数和上述４组剪切参数分别进行现场剪切试验.试验所用冷剪机为某企业加工车间的８５０吨冷剪机.将电阻应变片贴在冷剪机剪刃上,剪切时电阻应变片的变形和剪刃上的变形一致,随后电阻应变片将变形转换为电阻变化,再基于电桥转换成电压信号,最后通过计算得出剪切钢筋时上下剪刃的最大剪切力.进行剪切试验时,冷剪机的剪切参数设定如表９所示.表９㊀剪切试验的剪切参数T a b．９㊀S h e a r p a r a m e t e r s f o r s h e a r e x p e r i m e n t s剪切参数剪切间隙(mm)剪刃倾角(ʎ)剪切速度(mm/s)剪刃刀面宽度(mm)剪刃重叠量(mm)初始剪切参数０．３７３７５３A３B２C４D１E３(１２组)０．５６５７３３A３B３C５D２E４(１３组)０．５７６７４４A３B２C４D１E５０．５６５７３５A３B２C５D１E１０．５６６７３１㊀㊀加工车间剪切试验用冷剪机如图１１所示.表１０所示为冷剪机剪切相同规格钢筋时,剪７５７基于正交试验的８５０吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计 祁瑁富㊀孙远韬㊀田春雷图１１㊀８５０吨冷剪机剪切试验F i g．１１㊀S h e a r e x p e r i m e n t s o f８５０t o n c o l d s h e a r切力实测值和仿真值对比,其中,实测数据是相同剪切参数下５次剪切试验的平均值.由表１０可知,冷剪机剪切钢筋的剪切力实测值均大于仿真结果,这是由于冷剪机剪切时会受到剪刃振动㊁钢筋变形和其他现场因素等原因的影响.剪切试验中剪切力的实测值与仿真值误差均在５％以内,证明了仿真优化设计的可靠性.表１０㊀冷剪机剪切力实测值和仿真值对比T a b．１０㊀C o m p a r i s o no fm e a s u r e da n d s i m u l a t e d s h e a rf o r c e o f c o l d s h e a r剪切参数剪切力仿真值(k N)剪切力实验值(k N)误差率(％)初始剪切参数(上剪刃)４８．６５０．７８４．３初始剪切参数(下剪刃)５２．０５４．１０３．９A３B２C４D１E３(上剪刃)４３．１４４．９４４．１A３B２C４D１E３(下剪刃)４７．５４９．３３３．７A３B３C５D２E４(上剪刃)４３．９４５．９７４．５A３B３C５D２E４(下剪刃)４７．３４９．４８４．４A３B２C４D１E５(上剪刃)４３．２４５．０８４．２A３B２C４D１E５(下剪刃)４７．６４９．４７３．８A３B２C５D１E１(上剪刃)４３．８４５．６９４．１A３B２C５D１E１(下剪刃)４７．５４９．５４４．２㊀㊀当剪切参数为A３B２C４D１E３(１２组)和A３B２C４D１E５时,冷剪机两组参数下上下剪刃受剪切力极其接近,这是由于因素E对上下剪刃剪切力均无显著性影响的原因.应用剪切参数A３B２C５D１E１进行现场剪切,由于因素C仅对上剪刃剪切力有显著性影响,因此与A３B２C４D１E３相比时,其下剪刃受剪切力相近,但上剪刃受剪切力较大.当应用剪切参数A３B３C５D２E４(１３组)进行现场剪切时,因为因素B对上下剪刃均有显著性影响,而因素C仅对上剪刃剪切力有显著性影响,因此与A３B２C４D１E３相比时,虽下剪刃受剪切力相差不大,但上剪刃受剪切力相差显著.以上与显著性分析结果也是相互验证的.对比剪切试验结果,当剪切参数为A３B２C４D１E３时,上下剪刃受剪切力均为最小,因此该组合为冷剪机的最优剪切参数组合.此时与应用初始剪切参数相比,上剪刃最大剪切力减小了５．８４k N,改善约１３％.下剪刃最大剪切力减小了４．７７k N,改善约９．７％.上述实验验证了用正交试验分析法获取最优解的可行性及其原因,本文也基于该方法确定了核心控制影响因素及水平,提高了冷剪机剪切参数的优化效率和实际施工的可靠性.将最优剪切参数应用于生产后,经车间反馈,该优化参数的应用大幅延长了冷剪机剪刃崩刃和磨损的周期,增长了剪刃寿命,提高了剪切效率,优化效果显著,该研究对８５０吨冷剪机剪切参数的选取具有一定指导意义.５㊀结论(１)基于正交试验直观法确定上下剪刃受剪切力较优方案为A３B２C４D１E３和A３B３C５D２E４,再通过正交试验极差法确定上剪刃剪切力的最优方案为A３B２C４D１E５,下剪刃剪切力的最优方案为A３B２C５D１E１,而后通过方差法确定剪切间隙㊁剪切速度和剪刃倾角对上剪刃剪切力有着显著性影响,剪切间隙㊁剪切倾角对下剪刃剪切力有着显著性影响.(２)对上述方案进行剪切试验,基于试验结果可知,对上下剪刃有显著性影响的因素对其剪刃的剪切力有显著效应,验证了方差法的可靠性.通过对比试验结果,确定最优剪切参数组合为A３B２C４D１E３,即剪切间隙为０．５mm㊁剪刃倾角为６ʎ㊁剪切速度为５７mm/s㊁剪刃重叠量为３mm㊁剪刃刀面宽度为３mm.基于优化剪切参数的上下剪刃剪切力大幅改善,显著地延长了冷剪机剪刃崩刃和磨损的周期,增长了剪刃寿命,提高了剪切效率,优化效果显著.参考文献:[１]㊀张可维．８５０t冷剪机结构及剪切参数的分析与优化[D]．鞍山:辽宁科技大学,２０２１．Z HA N G K e w e i．A n a l y s i s a n dO p t i m i z a t i o n o f S t r u cＧt u r e a n dS h e a rP a r a m e t e r so f８５０tC o l dS h e a r[D]．A n s h a n:U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y L i aＧ８５７ 中国机械工程第３５卷第４期２０２４年４月o n i n g,２０２１．[２]㊀刘中,朱振华,卫青珍．基于L SＧD Y N A的钢筋切断机剪切钢筋的动态仿真[J]．太原科技大学学报,２０１１,３２(１):３３Ｇ３６．L I U Z h o n g,Z HU Z h e n h u a,W E I Q i n g z h e n．D yＧn a m i c S i m u l a t i o n o f S t e e l B a r C u t t i n g M a c h i n eB a s e do nL SＧD Y N A[J]．J o u r n a l o fT a i y u a nU n i v e rＧs i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０１１,３２(１):３３Ｇ３６．[３]㊀徐运祥．基于A N S Y S的液压闸式剪板机机架的优化设计[D]．青岛:山东科技大学,２０１８．X U Y u n x i a n g．O p t i m i z a t i o n D e s i g nf o rt h eS t r u cＧt u r eo fa n H y d r a u l i c B r a k i n gＧt y p e P l a t e S h e a r i n gM a c h i n eB a s e do nA N S Y S[D]．Q i n g d a o:S h a n d o n gU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０１８．[４]㊀石加联,祁瑁富,许家也,等．８５０吨冷剪机剪切参数的优化分析[J]．辽宁科技大学学报,２０１９,４２(２):１２６Ｇ１３０．S H I J i a l i a n,Q I M a o f u,X UJ i a y e,e t a l．O p t i m i z aＧt i o nA n a l y s i so nS h e a r i n g P a r a m e t e r so f a n８５０Ｇt o nC o l dS h e a rM a c h i n e[J]．J o u r n a l o f L i a o n i n g U n i v e rＧs i t y o fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１９,４２(２):１２６Ｇ１３０．[５]㊀戴志凯,许平,张宝勇,等．基于L SＧD Y N A的分条圆盘剪剪切力的计算研究[J]．新技术新工艺,２０１３(３):６９Ｇ７１．D A I Z h i k a i,X UP i n g,Z HA N GB a o y o n g,e t a l．R eＧs e a r c h o n S h e a r i n g F o r c e C a l c u l a t i o n o f R o t a r yG a n g S l i t t i n g B a s e do nL SＧD Y N A[J]．N e w T e c hＧn o l o g y&N e wP r o c e s s,２０１３(３):６９Ｇ７１．[６]㊀陈小龙．钢筋剪切机送料装置与剪切技术的研究[D]．赣州:江西理工大学,２０１３．C H E N X i a o l o n g．R e s e a r c ho n F e e d i n gD e v i c ea n dS h e a r i n g T e c h n o l o g y o f S t e e lB a rS h e a r i n g M a c h i n e[D]．G a n z h o u:J i a n g x i U n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２０１３．[７]㊀楚洪超,徐鹏建,王文光．热轧板带横切机组圆盘剪延长寿命的措施[J]．重型机械,２０１６(６):８０Ｇ８５．C HU H o n g c h a o,X UP e n g j i a n,WA N G W e n g u a n g．M e a s u r e st o P r o l o n g L i f eo f D i s c S h e a ri n H o tＧR o l l e dS t r i p C r o s sＧc u tL i n e[J]．H e a v y M a c h i n e r y,２０１６(６):８０Ｇ８５．[８]㊀徐贺伟,卢秀春,杨荣刚,等．基于A N S Y S/L SＧD YＧN A的钢筋剪切过程的数值模拟[J]．重型机械,２０１６(６):２１Ｇ２４．X U H e w e i,L U X i u c h u n,Y A N G R o n g g a n g,e t a l．N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fS t e e lB a rS h e a r i n g P r o c e s sB a s e d o nA N S Y S/L SＧD Y N A[J]．H e a v y M a c h i n e r y,２０１６(６):２１Ｇ２４．[９]㊀李媛媛．冷轧生产线高强钢切边剪崩刃原因分析及控制措施[J]．冶金管理,２０２１(１):４４Ｇ４５．L I Y u a n y u a n．T h e R e a s o n A n a l y s i s a n d C o n t r o lM e a s u r e so fE d g eＧb r e a k i n g o f H i g hS t r e n g t hS t e e lT r i mm e ri n C o l d R o l l i n g L i n e[J]．M e t a l l u r g i c a lM a n a g e m e n t,２０２１(１):４４Ｇ４５．[１０]㊀邹家祥．高等学校教学用书,轧钢机械,(第３版) [M]．北京:冶金工业出版社,２０００．Z O U J i a x i a n g．T e a c h i n g B o o k f o r C o l l e g e s a n dU n i v e r s i t i e s,R o l l i n g M a c h i n e r y,(３r d e d i t i o n)[M]．B e i j i n g:M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s,２０００．[１１]㊀张学良,万秀颖,王玉．正交试验在摩擦焊工艺参数优化中的应用[J]．制造技术与机床,２００６(２):１０２Ｇ１０３．Z HA N G X u e l i a n g,WA N X i u y i n g,WA N G Y u．A p p l i c a t i o no fO r t h o g o n a lT e s t i nO p t i m i z a t i o no fF r i c t i o n W e l d i n g P r o c e s sP a r a m e t e r s[J]．J o u r n a lo fM a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d M a c h i n eT o o l s,２００６(２):１０２Ｇ１０３．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:祁瑁富,男,１９９３年生,硕士研究生.研究方向为机械设备数值模拟与仿真分析.EＧm a i l:４４８５１７１５３＠q q．c o m.孙远韬(通信作者),男,１９７９年生,副教授㊁博士研究生导师.研究方向为结构故障诊断与可靠性.EＧm a i l:s u n１９７９＠s i n a．c o m.９５７基于正交试验的８５０吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计 祁瑁富㊀孙远韬㊀田春雷。
机械设备的气动系统故障如何处理
机械设备的气动系统故障如何处理在工业生产中，机械设备的正常运行对于提高生产效率和保证产品质量至关重要。
气动系统作为许多机械设备的重要组成部分，一旦出现故障，可能会导致整个生产线的停滞。
因此，及时、准确地处理气动系统故障是设备维护人员必须掌握的技能。
气动系统是一种以压缩空气为动力源，通过各种气动元件（如气缸、气动阀、空气过滤器等）来实现机械动作的系统。
它具有结构简单、动作迅速、成本低廉等优点，但也容易受到各种因素的影响而出现故障。
常见的气动系统故障主要包括以下几个方面：一、气源问题气源是气动系统的动力来源，如果气源出现问题，整个系统都将无法正常工作。
常见的气源问题包括气压不足、空气质量差等。
气压不足可能是由于压缩机故障、管道泄漏、用气设备过多等原因引起的。
当气压不足时，气缸的动作可能会变得缓慢无力，甚至无法动作。
此时，需要检查压缩机的工作状态，修复管道泄漏，合理分配用气设备，以确保气压稳定在正常范围内。
空气质量差主要表现为空气中含有水分、油分和杂质等。
这些污染物会进入气动元件，导致元件磨损、堵塞和密封失效。
为了保证空气质量，需要在气源处安装空气过滤器、干燥器和油雾分离器等净化设备，并定期对其进行维护和更换。
二、气动元件故障1、气缸故障气缸是气动系统中最常见的执行元件之一，其故障主要包括气缸泄漏、动作不平稳和活塞杆弯曲等。
气缸泄漏可能是由于密封件老化、损坏或安装不当引起的。
如果是密封件的问题，需要及时更换；如果是安装不当，需要重新安装并调整。
动作不平稳可能是由于气缸内有杂质、润滑不良或供气不稳定等原因引起的。
此时，需要对气缸进行清洗、添加润滑油，并检查供气系统。
活塞杆弯曲通常是由于受到过大的侧向力或撞击引起的。
如果弯曲程度较轻，可以通过校直的方法修复；如果弯曲严重，则需要更换活塞杆。
2、气动阀故障气动阀是控制气体流动方向和流量的元件，其故障主要包括阀芯卡死、密封不良和动作失灵等。
阀芯卡死可能是由于杂质进入阀内、阀芯磨损或弹簧失效等原因引起的。
850T冷剪离合器故障及维护分析
45中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.12 （上）850T 冷剪是棒材生产线对冷态棒材进行切头、切尾及定尺剪切的关键设备。
设备运行受复杂载荷、高温、振动、长周期在线运行等因素影响，容易发生故障或损坏。
冷剪设备一旦发生故障，棒材生产线将不能正常生产甚至出现停产，严重影响生产的产能。
其中最为多发的为离合器故障，表征为摩擦片高温、冒烟，摩擦片迅速损坏。
造成生产线突发停机、抢修，增加了维修人员工作强度，并带来严重的生产损失。
因此，如何有效检测、预防，保持离合器处于完好状态尤为重要。
1 冷剪工作过程及离合器构成850T 冷剪组成：高速轴、过渡轴、曲轴及连杆机构，其中高速轴传动端配有配有飞轮和离合器、高速轴另一端配有制动器。
冷剪在不剪切过程中，由电机通过皮带轮驱动冷剪飞轮进行蓄能；在剪切过程中，飞轮带动曲轴连杆结构进行剪切。
冷剪本体传动示意如图1所示。
工作过程：操作工在冷剪操作台手动输入剪切信号，冷剪剪前提升辊道电磁阀得电，提升辊道下降，同时压钢装置电磁阀得电，冷剪压下辊下降将来料压住，同时冷剪剪后辊道电磁阀得电，摆动辊道下降。
待输入剪切信号延时1~5s，上述动作到位后，冷剪制动器电磁阀和冷剪离合器电磁阀同时得电（离合器电磁阀延时得电），冷剪飞轮随制动器松开和离合器的夹紧从而带动曲柄运转，飞轮曲柄带动剪刃作剪切运动。
当曲柄运转到一个设置角度触发行程开关，此时离合器电磁阀和制动器电磁阀同时失电（制动器电磁阀延时失电），曲柄随离合器的松开和制动器的夹紧而被制动。
此时曲柄触发另一行程开关（该信号作为冷剪停位正常信号），压钢装置电磁阀失电，压辊抬起，剪前提升辊道电磁阀失电，辊道抬起，剪后摆动辊道气动电磁阀失电，摆动辊道升起，剪切后轧件输出，完成一次剪切过程。
冷剪离合器采用LIM324气动盘式离合器，内部结构由4片石棉摩擦片及3片动金属摩擦片组成，当离合器气囊充气后，高速运动的石棉摩擦片将金属摩擦片抱住，传递扭矩，同时制动器打开。
冷库制冷控制系统常见故障分析处理
冷库制冷控制系统常见故障分析处理电磁阀线圈烧坏现象为低压负值电磁线圈外壳无热感，用万用表RX10测量为短路。
解决方法，可单独换掉同类线圈。
阀芯搁死现象为无开启和闭合动作，a．搁在关闭位置时低压为负值,无制冷循环。
b．搁在开启位置，停车后高低压很快平衡，开车时易造成液出。
解决方法为清洗。
关闭不严现象为停车一段时间内高低压很快平衡，一世界形势时有时有液出现象，解决方法为调换铁芯。
油堵、脏堵现象为微堵状态时有冷感或结霜，直至到全堵、低压偏低，影响制冷循环。
压力控制器不产生动作：现象为（1）电气线路有故障或接错，（2）电接点拉毛或粘连，（3）机械动作元件失灵，（4）联接管路油堵，（5）无信号输入，（6）有泄漏(11)失控：现象为（1）调定值有误，（2）定位脱落，（3）机械元件变形及弹簧力变值，（4）高低压信号接错，信号管变形或弯曲产生内阻，（5）压力控制器远冷库制冷控制系统常见故障分析处理电磁阀线圈烧坏现象为低压负值电磁线圈外壳无热感，用万用表RX10测量为短路。
解决方法，可单独换掉同类线圈。
阀芯搁死现象为无开启和闭合动作，a．搁在关闭位置时低压为负值,无制冷循环。
b．搁在开启位置，停车后高低压很快平衡，开车时易造成液出。
解决方法为清洗。
关闭不严现象为停车一段时间内高低压很快平衡，一世界形势时有时有液出现象，解决方法为调换铁芯。
油堵、脏堵现象为微堵状态时有冷感或结霜，直至到全堵、低压偏低，影响制冷循环。
压力控制器不产生动作：现象为（1）电气线路有故障或接错，（2）电接点拉毛或粘连，（3）机械动作元件失灵，（4）联接管路油堵，（5）无信号输入，（6）有泄漏(11)失控：现象为（1）调定值有误，（2）定位脱落，（3）机械元件变形及弹簧力变值，（4）高低压信号接错，信号管变形或弯曲产生内阻，（5）压力控制器远离压缩机造成动作时间差。
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850冷剪气动控制系统故障分析
作者：陈宁省何伟龙龚树德
来源：《科技创新与应用》2014年第16期
摘要：850t冷剪是整条棒材轧制系统的关键设备，它的运行状况直接关系工艺生产的连续性。
鉴于阳春新钢铁轧钢厂二棒850t冷剪气动控制系统在生产过程中频繁发生故障的情况，对其工作原理及工作环境进行分析，以便提高处理故障的速度。
关键词：气动控制系统；分析；提高
1 引言
850t冷剪是棒材轧制系统的关键设备，它的运行状况直接关系到工艺生产的连续性。
阳春新钢铁轧钢厂二棒850t冷剪气动控制系统在生产过程中频繁发生故障，其主要表现：（1）冷剪完成一次剪切动作后，不能像正常剪切那样做短暂的停留，而是一直不停地进行剪切，影响冷剪输入辊道正常进钢，导致生产不能正常进行；（2）冷剪不能进行剪切，即剪刃静止不动。
（3）冷剪剪切动作基本正常，但是剪切时离合器、制动器摩擦盘的摩擦片之间均发出耀眼的火花，并伴随着浓密的黑烟和焦味。
虽然每次故障都表现出基本相同的现象，但是每次故障的原因又各不相同，因此每次排查故障都需花较长的时间，严重地制约了生产的连续性。
对其故障发生的原因进行周密系统的分析和总结，以便学习进而提高故障排查与处理的速度。
而且对频发的故障点有针对性的进行改进，完善控制系统，保证生产的正常进行。
2 离合器与制动器的工作原理
850t冷剪离合器与制动器的气动控制系统如图1所示：
工作原理：
2.1 冷剪处于静止状态
冷剪处于静止状态时，离合器二位三通电磁阀处于失电状态，如图1所示，阀左位工作，处于常闭状态，此时气源被隔断，离合器处于松开状态。
而制动器的电磁阀如图1所示，为常开型，虽然也处于失电状态，但是制动器的气源已经由阀的左位接通，到达制动器，此时制动器处于制动状态即工作状态。
2.2 冷剪启动
冷剪启动后制动器与离合器的电磁阀仍然都保持着冷剪静止时的状态，即均处于失电状态，此时仍然是制动器闭合，离合器松开。
2.3 冷剪剪切
冷剪剪切时制动器与离合器的工作顺序如下：（1）制动器电磁阀3得电，阀体向左移动，阀的右位工作，此时制动器的气源被电磁阀3隔断，制动器松开并保持松开状态直到该次剪切动作完成。
（2）制动器松开并延时一定时间后，离合器的电磁阀1得电，阀体向左移动，阀的右位工作，此时离合器的气源接通，离合器闭合并保持闭合状态开始剪切。
（3）当剪切完成后，离合器的电磁阀1即失电，阀体向右移动，阀的左位工作，此时离合器的气源被隔断，离合器松开并保持松开状态直到下一次剪切。
（4）离合器松开并延时一定时间后，制动器的电磁阀3即失电，阀体向右移动，阀的左位工作，此时制动器接通气源并制动，而且保持制动状态直到下一次剪切开始。
3 常见故障原因分析及排除方法
3.1 冷剪不间断地重复剪切动作
从以上的工作原理的分析中可以看出，剪刃重复不断地进行剪切是制动器没有闭合，且没起制动作用。
制动器制动失败气动控制系统最可能的原因是：
制动器的控制线路或者控制程序有问题，导致气动控制系统的电磁阀不能正常得、失电，以致制动器不能正常工作。
可能是气动控制系统的二位三通阀损坏或阀芯卡死。
因为广东阳春地区空气湿度较重，而且二位三通电磁阀的工作环境粉尘较多，冷剪剪切时因为钢受到冲击，钢上面及周围的氧化铁皮被抖动到处飞舞，而该电磁阀与钢的距离比较近，因此阀芯和电磁铁非常容易受潮、受腐蚀，影响其工作性能。
该故障最不容易找到，因为如果是阀直接环了，那么通过操作阀上的手动按钮就可知道阀是否损坏。
但是当你操作阀上的手动按钮时，阀动作正常；在操作面板上点动该阀时，阀动作也正常，但是打组动后，整个系统运行就不正常，因此最容易忽略该阀而到机械、电气上面去找原因，这也是我们冷剪气动控制系统故障频发的原因所在。
排除方法：操作电磁阀上的手动按钮，看阀动作是否正常；如果正常，再到操作面板上点动该阀，看是否动作正常，再使用万用表即可判断出控制线路是否完好；通过查看计算机上的控制画面及程序即可知道程序是否正常。
如果通过第一步的检查还不能找出故障的原因，那就应该立即机械专业沟通，了解机械设备的情况并组织更换二位三通电磁阀，尽量缩短故障处理时间。
3.2 冷剪不剪切
从以上的工作原理的分析中可以看出，冷剪剪刃不动作即不剪切是离合器没有闭合，没有带动剪刃随飞轮一起转动。
离合器没有闭合的原因可能是：
原因分析：离合器与制动器的气动控制系统基本相同，其唯一的区别是：制动器的二位三通电磁阀是常开的，而离合器的二位三通电磁阀是常闭的，但是这个区别不影响对制动器或者离合器不闭合的原因分析。
因此离合器没有闭合的原因分析与排除方法与制动器不闭合的一致。
3.3 冷剪剪切时离合器、制动器摩擦片之间均发出耀眼的火花，并伴随着浓密的黑烟和焦味。
原因分析：从对气动控制系统原理的分析可以看出，该故障的原因可能是：
气离合器、制动器的控制线路或者控制程序有问题，导致气动控制系统的电磁阀不能正常得、失电或者它们得、失电的顺序及延时的时间不对，以致制动器还没有松开，离合器已经闭合并强行进行剪切；或者是剪切完成后离合器还没有松开，制动器已经闭合强行制动。
气动控制阀的问题。
就是控制线路或者控制程序都正常，但是二位三通电磁阀因损坏、卡阻、生锈等原因不动作或者动作滞后；另外二位三通电磁阀动作正常，但是快放阀阀芯卡阻或者损坏，以致制动器或者离合器松开时排气不畅，导致制动器还没松开离合器已经闭合或者离合器还没松开制动器已经闭合。
排除方法：控制线路、控制程序以及二位三通电磁阀的的排除方法和第一、第二种故障的方法相同。
离合器与制动器的快放阀是否完好正常，可以通过观察他们的动作时排气的情况作出判断。
4 结束语
通过对850t冷剪气动控制系统的工作原理及故障原因的分析，可以清楚地了解气动控制系统频繁发生故障的地方，以便有针对性地进行改进，完善系统，降低故障发生率；通过以上分析，使我们在故障的排查过程中更具针对性、逻辑性，能大幅提高我们的故障排查率，极大地缩短故障的处理时间，更好地服务于生产。
参考文献
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