1600吨浮动轴钢坯剪切机的振动测试分析

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1979.01.008 1600吨浮动轴钢坯剪切机的振动测试分析 冶金机械测试组* 摘 要 本文是针对某厂1600吨浮动轴钢坯剪切机的机架振动问题，在先后三次测试分析的基础 上写下的部分专题总结。对剪切机的液压平衡系统进行了动态过程分析，求得与实测示波图 基本相符合的液压波动方程及计算公式。应用中值定理对减振效应作了验证，应用广义中值 定理推导出冲击振动的公式。对剪切机存在的“墩刀”振动现象作了动态分析，並导出动 荷系数的解析式，为解决“墩刀”振动问题和新的改进设计提供了理论依据。 一、剪切机概兄 这台1600吨剪切机是处于1150初轧机后面、具有单偏心浮动轴的下切式钢坯剪切机 (图1)。它主要是由剪切机构、压料机构、传动装置及液压系统（用于压料、上下刀台及 接轴平衡和钢坯导向)组成。 图11600吨剪切机构示意图 剪切机构由下偏心轴6、下刀台7、连杆8、上刀台10及上心轴11组成。上下刀台上装 有刀片13和14。当下偏心轴旋转时，靠液压系统的控制，上刀10先下降一个距离，然后下刀 7上升进行剪切。工作中，上刀台在机架9的垂直导槽内上下滑行；下刀台则在上刀台的垂 *本文由林鹤同志执笔 79

吨浮动轴钢坯剪切机的振动测试分析 冶金 机械 测试组 带 摘 要 本文是 针对 某厂 。 吨浮 动轴 钢坯 剪 切机 的机 架振 动 问题 ， 在 先后三 次测 试分析 的基 础 上写下 的部分专题 总结 。 对剪切机 的液压 平衡 系统进 行 了动态过 程分 析 ， 求 得 与实测 示波 图 基本相符合 的液压 波 动方程 及计算公 式 。 应用 中值 定理 对减 振 效应 作 了验证 应用广义 中值 定理 推导 出冲 击振 动 的公 式 。 对剪 切 机存 在的 “ 墩 刀 ” 振 动 现 象作 了动态 分析 ， 亚 导 出动 荷系数 的解析式 ， 为解 决 “ 墩刀 ” 振 动 问题 和新 的改 进设计提 供 了理 论 依据 。 一 、 剪切 机概 况 这 台 吨剪 切机是 处于 初轧 机后 面 、 具 有 单偏 心浮 动轴 的 下 切式 钢坯 剪切机 图 。 它主 要是 由剪 切机构 、 压 料机构 、 传 动装 置 及液 压 系统 用 干压 料 、 上下刀 台 及 接 轴 平衡和钢 坯导 向 组 成 。 ，， 礴穆粼 八梦价 ︶只 赘魂万髯 图 吨剪切 机构 示 意图 剪 切机构 由下偏 心 轴 、 下 刀 台 、 连 杆 、 上刀 台 及 上心 轴 组 成 。 上下刀 台上装 有刀片 和 。 当下偏 心 轴旋转时 ， 靠液压 系统 的控 制 ， 上刀 先下 降一个距 离 ， 然后下 刀 上升 进行剪 切 。 工 作 中 ， 上 刀 台在机 架 的垂 直导槽 内上下滑 行 下 刀 台 则在 上刀 台的垂 本文 由林鹤同志 执 笔 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1979．01．008

直导槽内上下滑行。由于剪切过程靠下刀上升来完成，所以这种剪切机属于下切式。 压料机构由液压缸12和压板18组成，整个机构都装在上刀台上，剪切过程中靠液压缸内 的液压力通过杠杆把钢坯夹持在压板和下刀之间，以防止钢坯倾斜。 驱动装置由两台直流电动机1，减速机3和直接与偏心轴6相连的万向接轴4组成。控 制器2用来使剪切机按照要求的运动规律和开口度工作。 上、下刀台和万向接轴分别用液压缸17、16和5来平衡，为了实现剪切机构的确定运动 和均衡空载负荷以及防止剪切时由于连杆两端铰链中存在间隙而造成的冲击，上刀台采用过 平衡，下刀台采用欠平衡。 剪切机的主要技术性能如下： 最大剪切力 1600吨 最大开口度 485毫米 剪刀长度 1800毫米 主轴偏心距 250毫米 上下刀重合量 15毫米 最大方坯剪切断面 400×400毫米 最大板坯剪切断面 250×1500毫米 每分钟剪切次数 6~12次/分 压板力（二缸） 110吨 减速机速比 14.95 电动机功率（直流） 2×700千瓦 电动机转速 105/210转/分 电压 660伏 剪切机在使用过程中机架出现较大的振动，工作速度未达到设计水平(210转/分)。每 分钟有效剪切次数较低，以致引起堆钢，限制轧机生产能力的发挥。为找到机架振动的原 因，並摸清剪切负荷，制订合理的剪切规程，对该剪机先后进行过三次较全面的综合测试研 究。本文只涉及有关剪机振动的测试和分析。 二、测試方法 1.机架振动测量 机架在铅垂平面内两个方向即平行轧线方向(Ay)和垂直轧线方向(Ax)都有振动， 而以Ax振动比较厉害。我们只对传动端的一片机架的两个方向分别进行了测量一用应变 梁直接测定其振幅和频率。 在传动侧机架(1)的侧面地基上固定刚性支架7（图2），上端安有悬臂应变梁6， 梁上贴有应变片。悬臂梁顶瑞装有可调的触头，其尖端顶在机架侧面上。当机架沿x方向振 动时，应变梁即有信号输入应变仪，放大后用示波器记录。振幅的标定采用在触点与机架侧 面之间垫不同厚度的垫片的办法。频率则在示波图上按时标计数而得。 用相同的方法测量平行轧线方向的机架振动Ay。 2.上刀台摆动的测量 80

直导槽 内上下 滑行 。 由于剪 切过 程靠下 刀 上 升来完 成 ， 所以 这种 剪切机属于下 切式 。 庄料机构 由液压 缸 和压板 组 成 ， 整 个机构 都装在上刀 台上 ， 剪切过 程 中靠液压缸 内 的液压 力通过 杠杆把 钢坯 夹持 在压 板 和下 刀 之 间 ， 以 防止钢坯倾 斜 。 驱 动装置 由两 台直 流 电动机 ， 减 速机 和直 接 与偏 心轴 相 连 的万 向接轴 组 成 。 控 制 器 用来 使 剪切机按 照要求 的运 动 规律和 开 口 度 工作 。 上 、 下 刀 台和 万 向接 轴 分 另 用液 压缸 、 和 来 平 衡 ， 为 了实现 剪切机构 的确定运 动 和均 衡空 载负荷以 及 防止 剪 切 时 由于连杆 两 端铰 链 中存 在 间隙而造 成 的冲 击 ， 上刀 台采 用过 平 衡 ， 下 刀 台采 用 欠 平 衡 。 剪切机 的主 要技 术性能如 下 最 大剪 切 力 吨 最大开 口 度 毫 米 剪刃 长 度 毫 米 主 轴偏 心距 毫 米 上下 刀重合量 毫米 最 大方坯 剪切 断 面 毫 米 最大板坯 剪切断 面 毫 米 每 分钟 剪切 次数 一 次 分 压 板 力 二 缸 吨 减 速 机速 比 电动机功率 直 流 千 瓦 电动机 转速 转 分 电压 伏 剪 切机 在使 用过 程 中机 架出现较大 的振 动 ， 工 作速 度未 达 到设计水 平 转 分 。 每 分 钟有效剪切 次 数较低 ， 以 致 引起 堆 钢 ， 限制轧 机生产 能 力 的发 挥 。 为找 到机架振 动 的原 因 ， 业摸 清剪切 负荷 ， 制 订合理 的剪 切规程 ， 对该 剪机 先后 进行过 三 次较 全 面 的综 合测 试研 究 。 本文只 涉及有关剪机振 动 的测 试 和 分析 。 二 、 测 款 方法 机 架振动 测里 机架 在 铅垂 平面 内两 个方 向即 平行轧 线 方 向 ， 和垂 直轧 线 方 向 都有振 动 ， 而 以 振 动 比较厉 害 。 我们 只 对传动端 的一片机 架 的两个方 向分 别 进行 了测量 － 用 应 变 梁 直 接测 定其 振幅 和频 率 。 在传 动侧机 架 的侧 面地 基 上 固 定 刚 性支 架 图 ， 上 端安 有 悬 臂应 变梁 ， 梁 上贴 有应 变片 。 悬 臂梁 顶 端 装有可调 的触头 ， 其 尖 端顶 在机架侧 面 上 。 当机 架沿 方 向振 动 时 ， 应 变梁 即有 信号输入应 变仪 ， 放大后 用 示波 器 记录 。 振 幅 的标定采 用 在触 点与机架侧 面之 间垫 不 同厚度 的垫片 的办法 。 频 率 则在 示波 图 上按 时 标计 数而得 。 用 相 同 的方法测 量 平行轧 线 方 向的机 架振 动 。 上 刀 台 摆动 的测 量

o o8 图2机架振动和上刀摆动测量装置简图 由于剪机工作中机架与上刀台有直接接触和联系，为了分析机架振动的原因，在测机架 振动的同时也测量了上刀台的摆动(A上)。 在传动端的一片机架1顶上（图3）安装一个应变梁3于支架2上，应变梁的悬臂端装 有触头4，上刀顶部压料缸支座侧面装一铅垂导板5，导板侧面与应变梁的触点接触，当上 刀台在自身平面内沿如图所示方向左右摆动时，应变梁即产生弯曲变形。通过应变片和测量 电桥将信号输入应变仪，放大后引入示波器记录。标定方法与机架振动测量相同。 Rz 图3上刀台摆动测量装置简图 3.液压系统压力的测量 为了探求机架振动与液压系统的关系，在管道系统上选择了五个测点分别安装了液压传 感器。传感器本体外表面上贴有应变片，传感器内腔与管道相通。在液压作用下，传感器产： 生与液压成正比的信号，经应变仪放大后用示波器记录。传感器用标准压力表校正仪进行标 定。 81

下 …… … … ’ … 图 机 架振 动和上 刀 摆 动测 量 装 置 简 图 申于剪机工作 中机 架 与上 刀 台有直接 接触 和 联 系 ， 为 了分 析机 架振 动的原 因 ， 在测 机 架 振 动 的同时也测量 了上刀 台的摆动 上 。 在传动端的一片机 架 顶上 图 安装一 个应 变梁 于 支架 ， 应 变梁 的悬臂 端装 有触头 ， 上 刀顶 部压料缸支座侧 面装一 铅垂 导板 ， 导板 侧 面 与应变梁 的触点接触 ， 当上 刀 台在 自身平 面内沿如 图所示方 向左右摆动时 ， 应 变梁 即产 生弯曲变形 。 通过 应 变片和 测量 电桥将信号输入 应 变仪 ， 放大后 引入 示波器 记录 。 标 定方法 与机 架振 动测 量 相 同 。 ’ 褥 箫 图 上 刀 台摆 动测量 装置 简图 液 压系统压 力的洲， 为了探求 机架振 动 与液 压 系统 的关 系 ， 在管道系统 上选择 了五个测 点分 别安装 了液压 传 感器 。 传感器 本体外 表面 上贴有应 变片 ， 传感器 内腔 与管道相通 。 在液 压 作用 下 ， 传感器产 生 与液压 成正 比 的信 号 ， 经应 变仪放 大后用 示波器 记录 。 传 感器用标准压 力表校正 仪 进行标 定

4.其他测避 还有力能参数（如剪切力、压板力、主轴扭矩和电机参数等）；运动参数（如上下刀行 程、主轴转角等)；蓄势器重锤行程、缓冲弹簧变形以及工.艺参数等的测定就不一一介绍 了。 三、机架振动的形态和原因 图4是实测示波图，图中A架（即Ax)是传动端机架在垂直轧线平面内的振动信号； S上和S下分别表示上刀和下刀的行程曲线。由图可 a 知，在一次剪切过程中，机架的振动是几个间断的 冲击信号，每次冲击时间约0.2秒。大量示波图表 明，一次剪切中机架有两次较大的振动。第一次发 生在上刀停止下降而下刀开始上升的时刻(a,点)， 第二次发生在剪切完毕下刀刚停止在最低位置而上 刀由静止开始回升复位的时刻。两次振动都发生在 上、下刀运动交替的转折点，这两点正是偏心轴的 两次瞬心转换点。 两次较大振动之间还有两次较小的振动，这两 次较小振动是处在压板接触及脱离钢坯的瞬间或压 板脱离及接触止动块的瞬间。 机架两次较大振动的振幅实测数据列于表1。 由表可知振幅的大小与剪机所用的行程（开口度） 有关。短行程时机架振动比长、中行程为大，这是 由于短行程比长、中行程的速度高的缘故。 表1 机架振幅的比较表 行 程 长 中 短2 振幅（毫米）0.42~0.970.61~1.040.71.75 引起机架振动的原因是多方面的： 图4机架振动与蓄势得运动及系 1.机架振动与剪切负荷的关系 统液压示波图 从大量实测示波图可以看出，机架在垂直轧线平面内的振动(Ax或A架)只与剪机的 运动有关，而与剪切负荷无关。因为两次较大的振动分别在剪切金属之前和剪切结束以后发 生的。大量空切实验与剪切金属时的情况相比，机架具有同样的振动(（Ax或A架)这一事 实证明了这一点。因此可以不必担心加大剪切负荷会加剧机架在垂直轧线平面内的振动。看 来防振减振(Ax)的问题主要在改善剪机的运动条件方面着手可能比较有效。 然而，机架在平行轧线的铅垂平面内的振动(A,)却是与剪切负荷有关的，这在以后 的实测示波图中将会看到，Ay与剪切扭矩相对应而出现，这是输入扭矩给机架的倾翻力矩 所造成的。 2.机架振动的直接原因 82

程 、 了 。 其他 测 盆 还 有力 能 参数 如 剪 切 力 、 压板 力 、 主 轴 扭 矩 和 电机 参数等 运 动参数 如 上下 刀 行 主 轴 转 角等 蓄势 器重锤 行程 、 缓 冲弹 二 簧变形 以 及工 艺 参数等的测 定就不一一 介绍 三 、 机 架振 动的 形 态 和 原因 图 是 实测 示波 图 ， 图 中 架 即 是 传动 端 机 架在垂 直轧 线 平 面内的振 动信 号 上和 下 分 别 表示上 刀 和下 刀 的行程 曲线 。 由 图可 知 ， 在一 次 剪切过 程 中 ， 机 架 的振 动是 几个 间断 的 冲击 信号 ， 每 次冲击 时 间约 秒 。 大 量 示波 图表 明 ， 一 次剪 切 中机 架有 两次较大 的振 动 。 第一 次发 生 在 上刀 停 止下 降而 下 刀 开 始 升 的时 刻 点卜 第 二次 发生 在剪 切 完毕 下 刀 刚停止 在最低位置而 上 刀 由静 止 开 始 回 升 复位 的时 刻 。 两 次振 动 都发生 在 匕 、 下 刀 运 动交 替 的 转折 点 ， 这 两 点正是偏 心 轴 的 两次 瞬 心 转换 点 。 两次 较大振 动之 间还有两次 较 小 的振 动 ， 这 两 次 较 小振动 是处 在压 板 接触 及脱离钢坯 的瞬 间或压 板 脱 离及接触 止 动块 的瞬 间 。 机 架两 次 较 大振 动 的振幅实测数据 列 于 表 。 由 表可 知振 幅 的大 小 与剪机所用 的 行程 开 口 度 有关 。 短行程 时机 架振 动 比长 、 中 行程 为大 ， 这 是 由 于 短行程 比长 、 中行程 的速 度 高 的缘故 。 表 机 架振 幅的 比较 表 ’ 行 ’ 模 ” ’ 丧 … ’ 引 币 厂一夏石 振 幅 毫 米 一 一 引起 饥架振 动 的原 因是 多方 面 的 图 机 架振 动与蓄 势 器 运 动及 系 机 架振动 与剪切 负荷 的 关系 统 液压 示 波 图 从 大量 实测 示 波 图 可以 看 出 ， 机 架在垂 直 轧 线 平面 内的 振 动 、 或 架 只 与剪机 的 运 动有关 ， 而 与剪切 负荷无关 。 因 为两次 较大的振 动分 别 在剪切金属 之 前和 剪切 结 束以 后 发 生 的 。 大 量 空 切 实验 与剪 切金属 时 的 情 况 相 比 ， 机 架具 有 同样 的振 动 〔 或 架 这 一 事 实证 明 了这 一 点 。 因此可 以 不 必 担心 加大 剪切 负荷 会加剧 机 架 在垂直 礼线 平 面 内的 振 动 。 看 来 防振 减 振 、 的 问题 主 要 在改 善剪机 的运 动 条 件方 面着 手可能 比较有效 。 然而 ， 机架在平 行轧 线 的铅垂 平 面 内 的振动 却是 与剪切 负荷有关 的 ， 这 在以 后 的实测 示 波 图 中将 会看 到 ， ， 与剪切 扭矩 相对 应 而 出现 ， 这是 输入 扭矩 给机 架的 烦翻 力矩 所造 成 的 。 机 架振 动 的直 接 原 因

由于机架与剪切机构特别是上刀台直接接触，为了分析机架振动的原因，实验中不仅对 上下刀的行程进行测定，而且还拍录了上下刀在机架滑槽内摆动(A上)的波形。图5是机 架振动(A架即Ax)与剪切机构运动的示波图（长行程）。由图可知，上刀台确实並非只 有沿机架导槽的上下移动(S上)，而且还有在上刀本身所在平面内反复的旋转运动（摆 动)一A上。这种摆动也是发生在上下刀交替运 动的转折点处，正好与机架振动(A架)合拍。这 种现象在所有的运动示被图中重复出现，无一例 外。因此可以得出结论：上乃搀动是机架振动(Ax) 的直接原因，机架振动提由于上刀摆动时的搔击造 成的。 3.上刀为什么会摆动？ 上刀台的摆动既有可能，也有条件。 图5机架叛动与剪切机机构运动 首先，上刀台与机架及上下刀台之间接触的导 示波图（长行程） 槽中由于铜滑板的磨损，平时存在一定间隙，又加上更换滑板比较费事，更换周期较长，这 种间隙有几毫米甚至十几毫米之多，这就给上刀摆动留有了余地。另一方面，上刀台下面由 四个平衡缸支持，而四个缸之间又是互相沟通的连通器，对上刀台的摆动没有定位作用。因 此只要有了摆动的条件（倾翻力矩），在运动中上刀台就会在导槽间隙范围内摆动而撞击机 架。实际上，上刀台的这种摆动，也是肉眼可见的。 由于剪切机构在运动中上下刀台全是支持 Q必 n 在液压平衡缸上的，上下刀台的运动必然直接 与液压平衡力有关系。图6清楚地表明：在剪 切机构运动中系统液压並不是静态的，而是上 下波动的。重要的一点是压力波形的变化趋势 又与上刀台的摆动波形合拍，在上下刀台运动 交替的两个转折点a、b处也存在两次较大的 ∧ 一中行 a 图6剪切(140×700毫米)机 图7各种行程下系统压力波形的比 构运动和液压波动示意图 较（空切） 83

由于机架 与剪切 机构特别是 上 刀台直接接触 ， 为了分析机 架振 动的 原因 ， 实验中不 仅对 上下 刀 的行程 进 行测 定 ， 而且还拍 录 了 下 刀 在机 架 滑槽 内摆动 上 的波形 。 图 是 机 架振 动 架 即 与剪切机 构运 动 的示波图 长 行程 。 由图可知 ， 匕刀 台确 实业 非只 有沿机架导 槽 的上下 移 动 上 ， 而 且还 有在上刀 本身所在平 面 内 反复的旋 转 运 动 摆 动’ 一 如 碑种 摆争呜是发 生在上下 刀 交替运 动的转折点处 ， 一正好 与机 架振 动 架 合 拍 。 这 示机 波架振图 动长与剪行切程 机 机构运 动 种 现 象 在所有 一 的 运才示彼图 中重 复出 现 ， 无 一例 外 。 因此可以得出 结论 ， 上刀摆 动是 机 架振 动 、 的直接原因 ， 机架振动是由干 上刀 摆动时 的撞 击造 成的 。 上 刀 为什 么会摆动 了 上 刀 台的摆 动 一 既有可 能 ， 也 有 条件 。 首先 ， 上 刀 台与机 架及 上下 刀 台之 间接触 的 导 图 槽 中由子铜滑板 的磨损 ， 平 时存 在一 定 间隙 ， 又加 上更 换滑板 比较费事 ， 更 换周 期 较长 ， 这 种 间隙有几毫 米甚至 十 几 毫 米之 多 ， 这 就 给 上刀 摆 动 留有 了余地 。 另一方 面 ， 上刀 台下 面 由 四 个平 衡缸 支持 ， 而 四 个缸 之 间又是 互相沟通 的连通 器 ， 对 上刀 台的摆动 没有定位 作用 。 因 此 只要 有了 摆动的条件 倾 翻力矩 ， 在运 动 中上刀 台就 会在导槽 间隙范 围内摆动而 撞击机 架 。 实际 上 ， 上刀 台的 这种摆动 ， 也是 肉眼可见 的 。 由于剪切机构在运 动 中上下 刀 台全是 支持 在液压平 衡缸 上 的 ， 上下刀 台 的运 动必 然直接 与液 压平 衡力有关 系 。 图 清楚地 表 明 在剪 切机构 运 动 中系 统液压业 不是静态 的 ， 而是 上 下 波 动 的 。 重 要的一 点是压力 波形 的变化趋势 又 与上刀 台的 摆动波形合拍 ， 在上下 刀 台运 动 交替 的 两个转 折点 、 处也存 在 两次较大 的 图 剪切 毫米 机 较各种‘行空 程切 一’ 系 统压 力 波形 的 比 构运 动和 液压 波 动示 意图 图