起动工作制滚筒式飞剪的综合分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1991.01.040 北京科技大学学报 第13卷第1期 Vol.13 No.1 1991年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.1991 起动工作制滚筒式飞剪的综合分析 朱超甫· 摘要：对起动工作制滚筒式飞剪刃剪的回转半径和传动系统的传动速比进行分析， 从而得到了剪刃回转半径和传动速比对飞剪的起动性能、传动系统的强度、主电机的负 裁等的影响，为设计者合理地确定剪刃回转半径和传动速比提供了理论依据。 关键词：飞剪，起动，传动速比 Comprehensive Analysis of Rotary Flying Shears in a Starting Working State Zhu Chaofu· ABSTRACT:For rotary flying shears in a starting working state,it have an obvious effect of the rotary radius of its knife-edge and the ratio of its drive gear on the starting time,the strength of the driving parts and the operating load of main motor.The rotary radius of the knife-edge and the ratio of the drive gear are expressed. KEY WORDS:flying shears,start,ratio 在种类繁多的飞剪中，滚筒式飞剪的原理及结构都比较简单，工作性能也比较稳定，因 e 图1某厂起动工作制滚筒飞剪结构示意图 1,直流电机！2。联轴器影3。减速机：4。联接轴5。齿轮)6。滚； Fig.1 The schematic drawing of a rotary flying shears in a starting working statc 1990一09一04收稿 ·机棱工程系(Department of Mechanical Engineering) 89

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 对。 。 。 ， 起动工作制滚筒式飞剪的综合分析 朱 超 甫 ’ 摘 要 对 起动工 作制滚筒式 飞剪刃剪的 回转半径和 传动系统 的传动速比进行分析 ， 从而得 到了剪 刃回转半径和传动速比对 飞 剪的起动性能 、 传动系统的弧 度 、 主 电机的负 载等的影响 ， 为设计 者合 理 地确定剪刃回转半径和传动速比提供 了理 论依据 关键 词 飞剪 ， 起动 ， 传动速 比 ’ 丁 ， 一 五 扭 ， 己 一 ， ， 在种类繁多的飞剪中 ， 滚筒式飞剪的 原理及结 构都 比较简单 ， 工作性能也比较稳定 ， 因 图 直流电机 。 联轴 器 五 几 某厂起动工作制滚筒飞剪结构示意 图 减速 机， 。 联接轴， 了 ， 。 齿轮 滚筒 一 一 收 稿 机械工 程系 扛 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．01．040

此在剪切厚度小于40mm的轧件楷祝下得到较多的应用，如图1。 图1所示的是目前国内比较典型的一种起动工作制滚筒式飞剪的结构形式。对于起动工 作制滚筒式飞剪（例如用于切头、切尾的滚筒式飞剪），设计者不仅要考虑其起动性能如 何，而且也要使其力能参数较为合理。在滚筒式飞剪的结构参数中，剪刃的回转半径R和传 动系统的速比对飞剪的起动性能和力能参数的影响最为明显，正确地选定剪刃回转半径R 和速比是合理设计起动工作制滚筒式飞剪的关键。 1剪刃回转半径对剪切力矩的影响 图2为滚筒式飞剪剪切轧件的示意图。图中，上、下剪刃同时切入轧件，轧件对剪刃的 作用力（即剪切力）为P。在这种情况下，一个滚筒所受的剪切（阻）力矩M;为1】 M,=PRsina (1) 从(1)式来看，剪刃回转半径R对剪切力矩M,的影响不太直观。`当轧件厚度h一定时，R 增大可使整个剪切过程的a角都较小，即(1)式中的sin@减小，但式中的R本身对M,起增大 作用。图3为一计算实例的结果（轧件条件：45M血，h×b=24mm×250mm,剪切温度t= 1020℃)，图中的剪切力矩值是在不同剪刃回转半径R条件下，剪切过程中的最大剪切力 矩M1.的数值。 17 16 15 4 13 12 200, 300. 400 R/mm 7 困？孩简式飞剪剪切轧件的示意图 图3剪刃回转半径对最大剪切力矩的影响 Fig.2 The schematic drawing of a Fig.3 The effect of rotary radius cutting rolled picce by a of knife-cdge on maximum rotary flying shears shear moment 从图8中可看出，随着剪刃回转半径R增大，剪切力矩M;也增大。 2剪刃回转半径对飞剪起动性能的影响 从直观上看，剪刀回转半径R增大势必造成滚筒和传动齿轮的转动惯量增大，可能造成 90

此在剪切厚度小于 的轧件倩况下得到较多的应用 ， 如图 。 图 所示的是 目前国内比较典型的 一种起动工作 制滚筒式飞剪的结 构形式 。 对于起动工 作制雍筒式飞剪 例如用子切头 、 切尾的 滚筒式飞剪 ， 设 计者不仅要考虑 其 起 动 性能如 何 ， 而且也妻使其力能参数较为合理 。 在渊式飞剪的绪构参数中 ， 剪 刃的 回转半径 刃和 传 动系统的速比 对飞剪的起动性能和力能参数的影响最为明 显 ， 正确地选定剪刃 回 转 半 径 和速比 是合理设 计起动工作 制滚筒式飞剪的关键 。 剪刃回转半径对剪切力矩的影 一 晌 图 为滚筒式飞剪剪切轧件的示意图 。 图中 ， 上 、 下剪刃同时切人轧件 ， 轧件对剪刃的 作用力 即剪切力 为 。 在这种情况下 ， 一个滚筒所受的剪切 阻 力矩 衬 ，为 〔 ‘ ’ 户 “ ’ 以 矩 碘 河， 的数 嘿 值 。 熬熟熬蟋熊 ︵ · 日 · 趁宫沾岁 ‘ 洲 … 刀 图 滚筒式飞剪剪切轧件的示意 图 。 五 五 三 趁 图 剪刃回转半径对 最大剪切力龙的影晌 一 垃 从图 中可看出 ， 随着剪刃回转半径 增大 ， 剪切力矩对 ，。 也增大 。 剪刃 回转半径对飞剪起动性能 的影晌 从直观上看 ， 剪 刃 回转半径 增大势必造成滚筒和 传动齿轮的转动惯量增大 ， 可能造成

飞剪的起动性能变差。下面给出在图1所示飞剪的结构参数条件下，R的变化对起动性能的 影响（见图4）。 图4中P。为起动过程中滚筒转过的角 度，显然9。越小，说明飞剪的起动性能越 29 好。Jz为飞剪系统总的转动惯量，其中包括主 28 电机的转动惯量、高速轴上的零部件的转动惯 量和飞剪工作部分（滚筒及其传动机构）推算 507 Pa 27 到电机轴上的转动惯量。图4的计算结果是 26 在传动系统的传动速比=7.9情祝下得到 40 的。 25 由前面的分析可知，随着回转半径R增 24 大，剪切力矩M,增大。当R≤301mm时，图1 30 23 的传动系统可选用ZL100减速机：当R>310 -0 mm时，在传动系统中必须选用ZL115减速机 250 300 350 方能满足强度条件。由图4可看出，当用同一 R/mm 型号的减速机时，随着R增大，起动转角P.减 图4剪刃回转半径对起动转角及总转 动惯量的影响 小，起动性能提高；当R增大导致改变减速机 Fig.4 The effect of rotary radius 型号时，则起动转角减小极少或不减少。 of knife-cdge on starting angles and moment of incrtia 了传动系统的速比对起动性能的影响 若飞剪系统的总转动惯量Jz已确定，即主电机的转动惯量了、高速轴上的零部件（包括 诚速机)的转动惯量J、飞剪的工作部分（低速轴）的转动惯量、已确定，就可找到一个 对于起动性能来说的最佳传动速比【2)。 设主电机的输出力矩为M,飞剪工作部分由于重力引起的摩擦力矩为Mko,则起动过 程中电机轴上的起动力矩M。为： Mg=M。-Moa in (2) 式中 一传动系统的速比；”一传动系统的效率。 ·在起动过程中，M。一般为常数，而且数值也较小，若主电机输出力矩为常数，则可 认为M。近似为一常数（为了便于分析问题，下面把M。作为常数处理。) 起动过程中，电机轴的角速度a为： a=MoJz (8) 式中 Jz一推算到电机轴上的飞剪系统的总转动惯量。 91

飞剪的起动性能 变差 。 卞面给出在 图 所示飞剪的结构参数条件下 ， 左的变化对起动性能的 影响 见 图 。 才 · 丫才 区一 」 丫叽 一 ， 入 、 ，拭 ， 砂尸 夕 牙产 一 图 剪 刃回转 半径对 起动转角及 总转 动惯量的影响 王 一 王几 宜 图 中 势 为起动过程 中滚 筒 转 过 的 角 威 显然 伞 。 越小 ， 说明飞剪的 起 动 性 能 越 好 。 为飞剪系统 总的转动惯量 ， 其中包括主 电机 的转动惯量 、 高速轴上的零部件的转动惯 量和飞剪工作部分 滚筒及其 传动机构 推算 飞 到电机轴上 的转动惯量 。 图 的 计 算 结 果 是 望 在 传动系统 的传动 速 比 、 二 。 情 况 下 得 到 葺 的 。 由前面的分析可知 ， 随着回 转 半 径 增 大 ， 剪切力矩材 ，增大 。 当 镇 时 ， 图 的 传动 系统可选用 减速机 当 。 二时 ， 在 传动系统 中必须选用 减速机 方能满足强度条件 。 由图 可看 出 ， 当用 同一 型号的减速机时 ， 随着 增大 ， 起动转角尹 减 小 ， 起动性能提高 当 增大导致改 变减速机 型号时 ， 则起动转 角 势 减 小 极少或不减少 。 乱。 旷 传动系统的速比对起动性能的影响 若飞剪系统的 总转动惯量几 已确定 ， 即主电机 的转动惯量几 、 高速轴上 的零部件 包括 减速机 的转动惯量几 、 飞剪的工作部分 低速轴 的转动惯量 、 已确定 ， 就可找到 一个 对于起 动性能来说的最佳传动速比 〔 “ 〕 。 设主电机的输 出力矩为对 刀 ， 飞剪工作部分 由于重力引起的 摩擦力矩为 。 。 ， 则起动过 程 中电机轴上的起动力矩万 。 为 叽 ” 叽 一 粤 式中 －传动 系统 的速比 专－传动系统的效率 。 在起动过程 中 ， 万 二 。 一般为常数 ， 而且数值也较小 ， 若主电机输 出力矩为常 数 ， 则 可 认为汀 。 近似为一常数 为了便于分析向题 ， 下面把 。 作为常数处理 。 起动过程中 ， 电机轴的角速度 为 肛 。 式中 几 －推算到 电机轴 上的飞剪系统的总转动惯量

根据等功原则，起动时推算到电机轴上的总转动惯量Jz为： Jz=Jp+J,+Jalin (4) (注：J,中已考虑了高速辅上的零部件转动惯量推算到电机轴上的效率。) 若在剪切轧件时滚筒的角速度为@。，此时电机轴的角速度ω应为： 0p=i00 (5) 那么飞剪的起动时间至少为： t=-0=(++) (6) 如果要确定最佳起动性能（或最短起动时间）的传动速比，可用起动时间t对速比求 导，并令其导数为零，即： 60° 品=爱(（+-)=0 (7) 母 50 由(7)式可推出 离=+ (8) 40 78910111213 i d 图5速比i对起动转角的影响 或 i=V n(Jp+Ja) (9) Fig.5 The effect of i on the starting angles 由(8)式可看出，当工作部分推算到电机轴上的转动惯量与主电机转动惯量J。及高速轴 转动惯量J,之和相等时，可得到最短的起动时间。对于滚筒式飞剪来说，要满足(8)或(9)式 的条件，速比的数值需要比较小，而且小于通常选用的速比范围。由此可以推论，在正常 选用的速比范围之内，一般说来，速比越小，滚筒式飞剪的起动性能越好。图5给出了不同 速比情况下某飞剪起动过程中滚筒的转角。 但是速比取得较小时可能出现下列问题： (1)推算到电机轴上的剪切力矩较大飞剪工作部分的剪切力矩推算到电机轴上为 Mi Mit=2Mlin (10) 由(10)式可看出，当M,一定时，速比越小，电机轴上的负荷就越大。 (2)飞剪系统的动能较小剪切轧件时，整个飞剪系统的动能为： 92

根据等功原则 ， 起动时推算到电机轴上的总转动惯量 为 二 几 几 名甲 注 几中已考虑了高速轴上的零部件转动惯量推算到 电机轴上的效率 。 若在剪切轧件时滚筒的 角速度为。 。 ， 此 时电机轴的 角速 度。 刀应为 口 刀 忿口 。 那么飞剪的起动时 间 至少为 些 二 亘里生 华了 ， 架生 行 。 二 。 。 肥 。 一 班 。 、 竺三 、 ‘ 艺 翻， ， 公 口口 产 么冲 令 如果要确定最佳起动性能 导 ， 并令其导数为零 ， 即 或最短起动时 间 的 传动速 比 ， 可用起动时 间 对速比 ‘ 求 。自扩 、了 带 瓷 、 十 一 态 。 由 式可推出 奈 、 十 ， ” 一 才 叼 一卜 了、 一丁代芬几卞 犷下 一 气 廿 产 刀吸 刀 图 速比 对 起动转角的影响 ‘ 由 式可看出 ， 当工作 部分推算到 电机轴上的转动惯量与主电机转动惯量 及高速轴 转动惯量几之和相等时 ， 可得到最短的起动 时 间 。 对于 滚筒式飞剪来说 ， 要 满足 或 式 的 条件 ， 速 比 的数值需要 比较小 ， 而 且小于通常选用 的速比范围 。 由此可以推论 ， 在 正 常 选用 的速比范围之 内 ， 一般说来 ， 速比越小 ， 滚筒式飞剪的起动性能 越好 。 图 给出了不 同 速比情况下某飞剪起动过程中滚筒的转角 。 但是速 比‘取得较小时可能 出现下列向题 推算到 电机 轴上的剪切 力矩较大 飞剪工作部分的剪切 力 矩 推 算 到 电 机轴上 为 叮 ， ，， ， 勺 由 。 式可看出 ， 当 ，一 定时 ， 速比 ‘越小 ， 电机轴上的负荷就越大 。 飞剪系统的动能较小 剪切轧件时 ， 整个飞剪系统的动能为

Ex=之gai=1iog (11) 式中J一根据等能原则推算到电机轴上的系统总转动惯量： J=J。+J,+J/i2 从(11)可得到： Ex=是cU+J,i+Jna8 (12) 由(12)式可看出，当滚筒角速度一定时，速比越小，剪切时飞剪系统的动能越小。由 于目前起动工作制滚筒式飞剪多用他励直流电机驱动，其特性较硬，在剪切轧件时主电机速 降较小，整个飞剪系统释放出辅助完成剪切的动能受到限制，因此也会增大主电机的负载。 总之，当传动速比取得过小，可能造成剪切轧件时主电机过载。 4结论 (1)增大剪刃回转半径R在一定范围内可提高滚筒式飞剪的起动性能，但会造成剪切力 矩M,增大，使得传动系统零部件的尺寸及设备总重量增大： (2)减小传动系统的速比可提高滚筒式飞剪的起动性能，但速比选得过小，可能造成， 剪切轧仲时主电机过载。 因此，在进行起动工作制滚倚式飞剪设计时，一定要综合考虑飞剪的起动性能、传动系 统的强度、主电机的负载等情况，确定北较合理的剪刃回转半径和速比。 参旁文献 1海文等。轧钢机械设计。北京：钆械工业出版社，1983年 2北京钢铁学院冶金机械教研室。轧钢机设计理论及新型轧机，北京钢铁学院教材，， 1985年 93

二 一 韵 ，。 告 一二‘ 。 艺 式 中 了－ 根 据等能 原则推算到 电胡 轴上 的 系统 总转动惯 量 汀 几 几 几 “ 从 可得到 ， 一 妻 一 〔 几 十 ， ， ‘ 几〕 。 由 式可看出 ， 当滚筒 角速 度一定 时 ， 速 比 萦越小 ， 剪切 时飞剪系统的动能 越小 。 由 子目前起动 工作 制滚筒式飞剪 多用 他 励直流 电机驱 动 ， 其特性较硬 ， 在剪切轧件时主 电机 速 降较小 ， 整个飞剪系 统释放 出辅 助 完成 剪切 的动能受到 限制 ， 因此也 会增大 主 电机 的 负载 。 总之 ， 当 传动 速 比了取得过 小 ， 可能 造成剪切 轧件 时主 电机过载 。 今 结 论 增大 剪 刃回转半径 在 一定范 围 内可提高滚筒式飞剪的起动性能 ， 但 会造成 剪 切力 矩 ，增大 ， 使得传动 系统零部件的尺 寸及设备总重 量增大 减小 传动 系统的速 比可提 高滚筒式飞 剪的起动 性能 ， 但 速 比 ‘ 选 得过小 ， 可能 造成 剪切轧 件时主电机过 载 。 因此 ， 在 进行起动 工作 制 滚筒式飞 剪设 计时 ， 一定要 综合考虑飞 剪的起动性 能 、 传动 系 统的强 度 、 主电机 的负载 等情况 ， 确定 比较合理 的剪刃向转 半径和 速 比 了 。 参 考 文 献 王海文 等 轧钢机 械设 计 北京 机 械 工业 出版社 ， 年 北 京钢铁学 院冶 金机 械教研 室 轧 钢机设 计 理论 及 新型轧 机 ， 北京钢铁学 院教 材 ， 年