２０１１年第６期 宝钢技术 ７７ 螺旋剪刃问隙自动调节滚筒式飞剪的设计计算 藏毅民 ，刘永丰 ，蒋继中 ，尹 刚 （１．宝山钢铁股份有限公司，上海２００９４１；２．西安重型机械研究所，陕西西安７１００３２） 摘要：滚筒式飞剪是高速连轧机组中的关键设备，以往均由国外设备供应商提供。以梅钢 １ ４２０ ｍｍ酸轧联合机组自主集成创新建设为契机，完成了国内首台剪刃间隙自动调节的螺旋 剪刃滚筒式飞剪研制。对该飞剪研制初期的设计计算进行了总结；重点对飞剪工作制度及其 与轧机全线的匹配性、剪切力能参数和剪切电机选择、剪刃间隙自动调节装置等方面进行阐 述，介绍了相关的设计计算和数据。在实际生产中得到了验证，达到了设计要求。 关键词：滚筒飞剪；飞轮力矩；间隙自动调节 中图分类号：ＴＧ３３３．２ １ 文献标志码：Ｂ文章编号：１００８—０７１６（２０１１）０６—００７７—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００８—０７１６．２０１ １．０６．０１７ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ｗｉｔｈ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｓｐｉｒａｌ ｋｎｉｖｅｓ ｇａｐ ＺＡＮＧ Ｙｉｍｉｎ ，ＬＩＵ Ｙｏｎｇｆｅｎｇ ，ＪＩＡＮＧ Ｊｉｚｈｏｎｇ ａｎｄ ＹＩＮ Ｇａｎｇ （１．Ｂａｏｓｈａｎ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９４１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｘｉ’ａｎ Ｈｅａｖｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ａ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌ１．ｈ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｆｏｒｅｉｇｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｓｕｐｐｌｉｅｒｓ．Ｉｔ ｗａｓ ａｎ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｐｐｏ￣ｕｎｉｔｙ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ １ ４２０ ｍｍ ＰＬ—ＴＣＭ ｌｉｎｅ ｏｆ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｓｔｅｅｌ，ａｎｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ｗｉｔｈ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｓｐｉｒａｌ ｋｎｉｖｅｓ ｇａｐ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｓ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄ，ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒｓ，ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｌｉｎｅ，ｅｎｅｒｇｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｈｅａｒ，ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｈｅａｒ ｋｎｉｖｅｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｔａ．Ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ；ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｍｏｍｅｎｔ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇａｐ ａａｊｕｓｔｍｅｎｔ 一步提高剪切质量和剪刃寿命，在滚筒式飞剪上 Ｕ 刖吾 出现了剪刃间隙调节装置。由于该设备机构参数 由于滚筒式飞剪比其他类型飞剪的剪切速度 众多、结构精密紧凑，国内相对缺乏相关的理论和 快、体积小、重量轻，因而常用于冷轧连轧机组或 实践积累，因而以往均由国外设备供应商提供。 横切机组剪切冷轧钢板。相比较直刃滚筒式飞 随着在冷轧工艺、装备等方面技术的不断积累 剪，为了减小剪切力，逐渐发展出螺旋剪刃滚筒式 和提高，宝钢将梅钢冷轧作为自主化建设依托工 飞剪。考虑到冷轧产品厚度范围的变化，为了进 程，决定以自主集成创新模式建设梅钢１ ４２０ ｍｍ 酸洗轧机联合机组。以此为契机，在宝钢２ ０３０ Ｂｉｎ 藏毅民工程师１９６８年生１９９２年毕业于华东冶金学院 轧机“外耦滚筒机构协衡飞剪机”项目成功实施的 现从事设备管理工作电话２６６４２５９８ 基础上，完全依托国内技术力量，终于在国内首次 Ｅ—ｍａｉｌ ｚａｎｇｙｉｍｉｎ＠ｂａｏｓｔｅｅ１．ｃｏｒｎ 设计、制造出剪刃间隙可自动调节的新型螺旋剪刃 ７８ 宝钢技术 ２０１１年第６期 滚筒式飞剪，并应用于梅钢１ ４２０ ｍｍ酸轧机组。 均在带钢有张力状态下完成。 １滚筒飞剪工作制度 由于滚筒式飞剪在轧机出口起到分卷作用， 所以工作制度为启动工作制。当检测到焊缝信号 后，飞剪由待机位置启动，经过加速后与带钢速度 同步，随后进入剪切位置，完成剪切后飞剪制动至 ３剪刃螺旋角等基本参数的确定 在以往的飞剪结构设计中，都是按照给定轨 迹来确定飞剪结构参数，但是为了给出给定轨迹 和简化计算，都会先给出一定的约束条件。剪刃 螺旋角（ ）作为滚筒式飞剪的重要参数，在国外 设计计算中长期以来都一律取为常量（１。），而在 停止，再慢速回到原待机位置，等待下一次剪切。 过程如图１所示。 苫每碧 （ａ）启动加速 （ｂ）稳速剪切 （ｃ）制动停止 （ｄ）复位待机 图１ 飞剪的启动工作制 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｔａｒｔ－ｕｐ ｗｏｒｋ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ 由于在轧机分卷时只需剪切一次，而非连续 剪切，因此，上述启动、加速、稳速、剪切、制动过程 必须在滚筒旋转一周之内完成，如图２所示。 图２滚筒式飞剪剪切过程 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ２设计基础和要求 按照梅钢１ ４２０ ｍｍ酸轧机组要求，产品大纲 覆盖镀锡板、软钢和部分高强钢，轧机入口带钢厚 度为１．８～４．０ ｍｍ，出口为０．１８～１．２ ｍｍ，宽度 为７００～１ ３００ ｍｍ，因此要求飞剪具备轧前 ４．０ ｍｍ、轧后１．２ ｍｍ带钢的剪切能力。综合考 虑带钢轧前轧后屈服强度的变化，对飞剪剪切能 力要求相对较高的是轧前４．０ ｍｍ的带钢，此时， 带钢抗拉强度ｏ－ ≤６５０ ＭＰａ；由于剪切厚度为 ０．１８—４．０ ｍｉｌｌ，范围变化较大，为了确保剪切质 量和剪刃寿命，飞剪剪刃侧间隙应能根据带钢厚 度自动调整；为了满足轧机生产节奏，要求飞剪能 在１３０～３００ ｍ／ｍｉｎ的速度下实现剪切；所有剪切 宝钢２ ０３０ ｍｍ轧机“外耦滚筒机构协衡飞剪机” 项目的实施过程中，通过对滚筒式飞剪的重新分 析，不再人为给定轨迹，直接以工艺要求为目标， 创造性地将剪刃螺旋角作为变量，建立了以 为 变量的飞剪机构参数优化计算数学模型，经过迭 代求解，得到最优的设计参数 Ｊ。在梅钢轧机滚 筒飞剪项目计算过程中，以“剪切过程中保证上、 下剪刃侧间隙恒定或近似恒定”为工艺要求 Ｊ， 以“剪切过程中上剪刃锋距与下剪刃锋距动态变 化之和≤剪切板厚所允许的间隙波动差值”为限 制条件和优化准则，在０．１８～４．０ ｍｍ的剪切范 围内进行计算，最终选择滚筒飞剪螺旋角为０． ６５。，下滚筒（传动滚筒）剪刃半径为２３５ ｍｉｌｌ，同时 确定了上滚筒剪刃直径和滚筒偏心量。 在该机构参数状态下，在剪切带钢的全过程 中，经理论计算，可得剪刃间隙最大变动量不超过 ０．００７ ｍｍ，可剪切的最小板厚范围为０．１２～ ０．１４ ｍｍ，满足了梅钢轧机的生产要求。 ４主电机参数的确定 ４．１最大剪切力的计算 对于滚筒式飞剪，剪切力需要考虑四个部分 Ｊ： （１）纯剪切力（Ｐ ）。 对于螺旋剪刃滚筒式飞剪，由于剪刃是双向 主动斜刃切人，有＿４ｊ： Ｐ。： 一 Ｋ．ｔａｎ８ ｕｂ （１） 式中， 为剪切斜率系数，Ｋ ＳＯ； 。为相对切人 深度；ｈ为带钢厚度，ｍｍ；Ｒ为滚筒剪刃半径， ｌｌｌｍ；０ 为剪切回转角，（。）。 （２）悬臂弯曲力（Ｐ ）。 对于薄板， Ｐ２＝０ （２） （３）碗形弯曲力（Ｐ，）。 根据诺沙利的研究 ，有： 藏毅民等螺旋剪刃间隙自动调节滚筒式飞剪的设计计算 ７９ Ｐ３＝——ｌ１ｕ１００８ ・Ｐ （３） ＋—— 式中，６为延伸率，８＝ ； 为碗形宽度系数， ＝１０；ｙ为碗形高度系数，当 ≤５ ｍｍ时，Ｙ＝０．０７。 （４）剪切综合阻力（Ｐ ）。 综合考虑剪刃与带钢的不同步、斜刃剪的侧 推力、上下剪刃速度差，以及剪刃在使用过程中的 磨钝，认为：Ｐ４＝（０．１６—０．２３）Ｐ 。 因此，总剪切力（Ｐ）为： Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ ＋尸，＋Ｐ４＝ ．－ 竺 ・ ［１＿２０＋态］ ㈤ 取ｈ＝４ Ｂｉｎ， ＝６５０ ＭＰａ， ＝０．３，８＝ ０．２１４，代人公式（５），则有总剪切力Ｐ＝１６８．２ ｋＮ。 ４．２螺旋剪刃剪切速度不同步拉力（ ） 对于轧机分切剪，剪刃线速度的水平分量一般 会比带钢速度略快，对于厚度５ ｎｌｍ以下的带钢， 当剪刃半径为２３５ ｍｍ时，滚动剪切弧长（ｆ ）最大， 为１０ ｍｍ Ｊ，此时： ７１Ｂ＿ｆｒ ‘ （６） 式中，Ｅ为弹性模量，２０６×１０ Ｎ／ｒａｍ ；ＡＬ为剪切 超前量，ｍｍ； 为剪刀与轧机的距离，ｍｍ。 代入计算后可得７１Ｂ＝４．１７ ｋＮ。 ４．３剪切力矩（Ｍ）的确定 Ｍ＝２Ｐ・Ｌ＋ Ｒ （７） 式中， 为上下滚筒的剪切力臂，ｍ。 对于厚度为４ｒａｍ的带钢，计算可得 ＝ ２１．１４ ｋＮ・１１３。 ４．４主电机参数的确定 根据以上计算，初选低惯量交流伺服电机，功 率Ｎ＝２００ ｋＷ、转速凡＝１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，电机过载倍数 ＫＭ＝３，减速箱速比ｉ＝４．５。 （１）针对工作转速和剪切力矩的校核。 当带钢速度为３００ ｍ／ｍｉｎ时，下滚筒转速为 ２０３．１７ ｒ／ｍｉｎ，则电机转速为９１５ ｒ／ｍｉｎ，低于额定 转速，属于恒扭矩调速区域，满足工作转速要求。 此时剪切力矩换算到电机侧的功率（Ⅳ ）为： Ⅳ，： 一 ｆ８ ９．５５ＫＭ・ｉ 、 代入后，可得Ｎ ＝１６３．９７ ｋＷ＜２００ ｋＷ，电机 功率满足剪切力矩要求。 （２）针对最大起动角和最大制动角的校核。 如图３所示，对于下滚筒厚度为４ ｍｉｌｌ的带 钢，在７．７５。进入剪切。 方向 图３飞剪工作角度测算 Ｆｉｇ．３ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ’ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｇｌｅ 要求滚筒轴、减速箱、齿接手等机械部件换算 到电机轴的转动惯量不超过１２７ Ｎ・ｉｎ ，要求电 机、制动器等转动惯量不超过９８ Ｎ・ｉｎ ，则总转动 惯量（ｔ，）为２２５ Ｎ・ｉｎ ，总飞轮转动惯量（ＧＤ）为： ＧＤ ＝４Ｊ＝９００ Ｎ・ｉｎ （９） 在飞剪启动段，由电力拖动方程： ＝ ・ （１０） 式中， 。为电磁力矩，Ｎ・ｍ；Ｍｆ为折算到电机的 总摩擦力矩，Ｎ・Ｉｌｌ。 对上式变形，并将速度导数改写为速度与时间 的增量比，有： Ａｎ ３７５（ＭＤ—Ｍｆ） Ａｔ ＧＤ 针对不同的速度增量，有不同的运行时间： ＧＤ ・ ． ｔｉ＝——３７—５——（Ｍ——Ｍ —）（１２、 －０ｆ则飞剪滚筒速度由０增加到９１５ ｒ／ｍｉｎ所需的 时间为： ￡一 ： 一３７５（Ｍ。一 ： ）～ ：０．４ｌ２ ｓ 对应的飞剪启动角度为２５１．５６。，即如果以出 口侧水平位置为启动点，则距离飞剪上下滚筒中心 线１８．４４。时，飞剪即可达到３００ ｍ／ｍｉｎ的剪切速 度，满足启动要求。 ８０ 同理，针对飞剪的制动，有： ｔｂｙ＝０—ｖ＝ｑ： 宝钢技术 ２０１１年第６期 ３７５（ＭＤ＋ ）～ ．：： ：０３６ｏ 控制机械间隙在０．００５ ｍｍ之内；③间隙调节齿 轮电机使用大传动比；④使用剪刃间隙锁定机构， 抑制剪切振动的影响；⑤要求剪刃间隙必须单向 调节，即当需要将间隙由大向小调节时，必须先将 对应的飞剪制动角为２１９。，即如果以远离飞剪 上下滚筒中心线２１。为制动起点，在人口侧水平线下 方３０。时，飞剪速度即可降低为Ｏ，满足制动要求。 根据以上分析可以看出，为了控制飞剪的启 动和制动时间，必须严格控制滚筒飞剪各机构的 问隙调零，再由零向目标值进行调节。 针对０．１８—４．０ ｍｍ的不同剪切厚度范围， 结合以往的使用经验，向用户提供了相应的剪刃 间隙设定推荐表（表１）。 飞轮力矩。 ５ 剪刃间隙自动调节装置 飞剪上、下滚筒轴通过斜齿同步齿轮（ ＝ １１。）来传动，当一个齿轮作轴向移动时，与之相 啮合的另一斜齿轮必然作微量的角位移，从而相 对于另一滚筒轴旋转一个很小的角度，这就改变 了剪刃间隙。 当需要调节剪刃侧间隙时，首先打开锁紧齿 块，由齿轮电机通过同步皮带驱动调节螺母，带动 调节套小幅旋转。由于调节套通过滚珠丝杠固定 在上滚筒轴上，因而上滚筒轴相对调节齿套作轴 向移动，这就达到了上、下刀片侧间隙的调节目 的。根据梅钢轧机产品厚度范围，设计上滚筒轴 允许最大轴向移动量为±６ ｍｍ。 经过设计计算，针对上滚筒轴的装配重量，当 滚筒轴向移动时，螺旋导程Ｓ＝５的滚珠丝杠机构 发生的弹性变形ｆ 为０．００１ １ ｍｍ，选取调节螺母 齿形角 ＝３．６７。，则当调节螺母每旋转一个齿 （３．６７。）时，由滚珠丝杠传递到上滚筒轴和主同 步齿轮的轴向位移量为： ｆ：— ＋ｆ，＝二．＿ 二－×５＋０．００１ １＝ ３６０ ３６０ ０．０５０ ９＋０．００１ １＝０．０５２ ｍｍ 从而迫使轴向固定的副齿轮组周向回转的弧 长（ｓ ）为： Ｓ ＝Ｚ。ｔａｎ３＇＝０．０５２ｔａｎ１１。＝０．０１ ｍｍ 即：调节螺母每旋转一个齿，剪刃间隙变化 ０．０１ ｍｍ。这样，不仅可以通过齿轮电机旋转发 出的脉冲数来计算剪刃间隙，在生产现场更可以 直观地通过调节螺母的旋转齿数来确定剪刃间隙 的变化。 为了尽可能消除机械机构、制造误差、多次调 节等对剪刃间隙造成的误差，还采用了以下技术： ①飞剪上、下滚筒传动齿轮采用主副齿轮结构，消 除啮合间隙；②在调节螺母机构中使用滚珠丝杠， 表１梅钢１ ４２０ ｍｍ轧机滚筒飞剪 剪刃间隙设定推荐表 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒ ｋｎｉｖｅｓ’ｇａｐ ｏｆ ｔｈｅ １ ４２０ ｍｍ ｍｉｌｌ ｉｎ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｓｔｅｅｌ 序号 带材厚度 对应剪刃 从初始位起 范围／ｍｍ 间隙量／ｍｍ 旋转齿数／个 １ Ｏ．１８～０．４０ Ｏ．Ｏ１～０．０３ ３ ２ ０．４０～１．００ ０．０６～Ｏ．０８ ７ ３ １．ｏｏ～１．５Ｏ Ｏ．１Ｏ～Ｏ．１３ １２ ４ １．５Ｏ～２．０ｏ Ｏ．１５～０．１８ １６ ５ ２．００～４．００ ０．２５～Ｏ．３Ｏ ２８ ６剪切效果的验证 该滚筒飞剪完成装配后，在厂内进行了剪切 试验，在无张力状态下，顺利实现了对０．１７ ｍｍ 带钢和０．１５ ｍｍ铜板的剪切，剪切断面质量良 好，没有黏连和毛刺等现象。 该滚筒飞剪在梅钢１ ４２０ ｍｍ轧机现场投入 使用后，实现了对最厚４．２０ ｍｍ带钢、最薄０．１８ ｍｍ带钢在张力状态下的剪切。剪切质量良好， 可以简单、迅速、精确地实现剪刃间隙调节，剪刃 寿命达到２万次以上，达到了设计效果，满足了用 户要求，也标志着新型螺旋剪刃间隙自动调节滚 筒式飞剪的研制取得了成功。 参考文献 ［１］ 沈成孝．宝钢２ ０３０ ｍｍ冷连轧机滚筒式飞剪设计与创新 ［Ｊ］．冶金设备，２００３，１３８（２）：２． ［２］ 柳冉，胡光华．按工艺要求直接求解飞剪结构参数［Ｊ］．钢 铁，１９９６，３１（１２）：６２—６５． ［３］ 邹家祥．冶金机械设计理论［Ｍ］．北京：冶金工业出版社， １９９８：３９—５７． ［４］柳冉，蒋继中，赵建刚，等．滚筒机构螺旋剪刃飞剪机静态 剪切力计算公式探讨［Ｊ］．重型机械，２００１（３）：５２—５５． （收稿日期：２０１０—１２—１３）
