起停式曲柄飞剪剪切力能参数计算及仿真分析

起动时间内达到剪切所需的速度，从电机起动到剪
切终了，曲柄转过的角度之和＆必须满足允许起动
转角口７（式１０），而且电机实际起动时间￡’应小于电
机加速时间ｆ。剪切时不允许剪刃速度下降幅度太
大，以防止剪刃速度滞后于轧件速度。
∑ａ≤口’
（１０）
仁丽‰ 电机起动时间的计算式为：
（…１１７）
。３８．２（Ｍｅ，一Ｍｋ）
剪切材质为２０号钢的庐４８ ｍｍ圆钢。轧件运 动速度为７．５３５ ３ ｍ／ｓ，剪切温度为７６０℃时，单位 剪切阻力ｒ一８８ ＭＰａ。飞剪机曲柄转速变化的规律 及所对应的曲柄转角见表１。表中所列在一个剪切 周期内曲柄转过的各相见图３。利用笔者建立的力 能参数计算模型计算出的结果见表２。 ３．３仿真结果分析
ｗｉｔｈ ０ｎ—ｏｆｆ ｓｗｉｔｃｈ
允许转角要求。取这样的速度降和飞轮，所释放的 动能为７．５５９ ｋＮｍ，满足了剪切功７．２３８ ｋＮｍ的需 要，能够剪切温度为７６０℃、直径为声４８ ｍｍ的圆钢。 电机起动所需时间为ｏ．６１８ １ ｓ，小于Ｏ．６２ ｓ，也在允 许范围内。电机型号为ＤＭＡ３３１５，电机起动所需力 矩７．５５９ ｋＮｍ，起动所需功率２７３．１２ ｋＷ，均小于电 机额定力矩７．５８２ ｋＮｍ和额定功率２８０ ｋＷ，表明 电机带飞轮空载起动没有问题。
规格采用３种剪切方式：①不带飞轮、不用连杆的滚 筒回转式；②不带飞轮的曲柄回转式；③带飞轮的曲 柄回转式（以下简称曲柄飞剪）。飞轮５的连接由横 移内齿圈３（见图２）来实现。
２ 剪切力能参数的计算模型
２．１ 剪切角
剪切角乒，即开始剪切时曲柄与垂直线的夹角， 可由下式计算：
ｃ洲一ｆ孚一ｚ髓一ｃ）／Ｒ
（１）
相对于相邻两次剪切时间，ＶＭＣ４０Ｎ飞剪机每 次剪切时间很短，工作制度为起停式，即飞剪机一般 处于静止状态。剪切时，采用低惯量、大扭矩直流电
机直接完成起动、剪切、制动及复位等工艺过程。在 剪切断面较大、速度较慢的轧件时，为了降低电机容 量，采用飞轮和曲柄。而带飞轮的曲柄飞剪机剪切 力能参数的确定比较复杂，为此建立了其力能参数 计算模型，以确定或检验电机功率、电机起动条件、 电机转速变化规律和飞轮的尺寸。
万方数据
第ｌ期
王全先：起停式曲柄飞剪剪切力能参数计算及仿真分析
· ４１ ·
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口１一加速相；口ｚ一恒速相；口３～剪切相； 口４一反馈相；ａ５～制动相； ａ６一复位加速相；
ａ， 复位恒速相；ａｓ一复位制动相 图３起停式飞剪机曲柄转动循环模拟图 Ｆｉｇ．３ Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ０ｆ ｃ雌ｎｋ ｆｏｒ ｎｙｉｎｇ ｓｈ吼ｒ
本例中轧件运动速度为７．５３５ ３ ｍ／ｓ，开始剪切 时曲柄转速则为３７６．７３８ ｒ／ｍｉｎ（由曲柄四杆机构决 定）。表１中曲柄转速的变化规律是根据剪切时剪 刃水平分速度的要求和电机特性确定的。剪切过程 中，曲柄转速从３７６．７３８ ｒ／ｍｉｎ下降到３７４．８５５ ｒ／ ｍｉｎ，剪刃水平分速度与轧件是一致的（论证从略）。 该飞剪机从电机起动到剪切终了的允许转角为ａ’一 ２７０。，而实际的曲柄转角口。、乜。、口。之和为２７０。，满足
剪切温度为７６０℃、直径为乒４８ ｍｍ的圆钢是本 型号飞剪机所能剪切的最大规格，从计算结果看接 近飞剪机的最大剪切能力。从现场剪切此规格轧件 的情况来看，飞剪机运转平稳正常，证明了本计算模 型是可用的。
随着连续式轧机的发展，飞剪机得到了越来越 广泛的应用。飞剪机有很多种形式，根据其不同的 用途应用于不同的场合。在现代化中、小型型钢厂， 由于产品规格为声１０～５０ ｍｍ，轧制速度范围为２～ ２０ ｍ／ｓ，单独使用回转式或曲柄连杆式飞剪机都不 能满足生产要求，而设置两台飞剪机投资又较大。 马钢棒材厂引进的意大利ＶＭＣ４０Ｎ飞剪机是一种 曲柄一回转联合式飞剪机，采用不同的机构组合形成 ３种剪切方式，因而剪切范围很宽。
第１７卷第ｌ期 ２００５年２月
钢铁研究学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．１７。Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２００５
起停式曲柄飞剪剪切力能参数计算及仿真分析
王全先
（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山２４３００２）
摘要：建立了带飞轮的起停式曲柄飞剪机剪切力能参数的计算模型。剪切轧件所需剪切功由传动系统释放动
曲柄飞剪机剪切机构的主要结构尺寸包括：曲 柄半径Ｒ一２１５ ｍｍ，摇杆ＣＤ长度３２０ ｍｍ，剪臂 ＢＥ长度２４０ ｍｍ，连杆ＤＢ长度７００ ｍｍ，支点ｏ、Ｃ 的水平距离为６５０ ｍｍ，垂直距离为３６５ ｍｍ，曲柄轴 中心距离口一９１０ ｍｍ。
剪切机构尺寸一旦确定，剪刃水平分速度的变
化规律、剪刃的运动特性及所能剪切的最大轧件厚 度便确定了。轧件厚度确定后，剪切角也就确定了。 在剪切过程中，剪刃水平方向分速度应与轧件速度 一致，取决于曲柄连杆机构的运动特性和电机滑差 率。应根据最大剪切厚度来设计曲柄连杆机构，以 保证剪切最大规格轧件的速度要求。 ３．２仿真实例
应剪切温度下的最大单位剪切阻力；Ｆ。。一被剪切
轧件的最大断面积。
２．３传动系统转动惯量 折算到电机轴上的传动系统转动惯量可用下式
计算：
ｊ一３、＋Ｊ ２七Ｊ ３＋Ｊ。ｊ广ｊ ５七２ｊ ｚ。＋
［２（Ｊ。＋Ｊ，＋Ｊ。＋－厂ｚ２）／ｉ２］
（３）
式中，ｉ一减速比；下角标对应于图２中各传动件的
序号。
折算到电机轴上的飞轮力矩为：
力矩为：
ＭＰ一熬
（８）
式中，卵一剪切前电机应达到的转速；ｆ一电机加速时
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钢铁研究学报
第１７卷
问。
起动时电机所消耗的功率为：
Ｎ一番惫
（９）
式中，‰一电机额定转速；Ｋ，一电机过载系数。因
滚动轴承上飞剪机的摩擦力矩较小，所以在此忽略
了飞剪机的空转力矩。
２．６ 曲柄起动转角和电机起动时间
要使曲柄转速在一定的允许起动转角内和允许
万方数据
式中，口一两曲柄轴中心的距离；＾一被剪切轧件的厚 度；ｚ舾一剪臂长度；Ｒ一曲柄半径；Ｃ一剪切开始瞬时
剪刃相对轧件的距离。 ２．２剪切力
圆钢剪切力按平行刀片剪切机剪切力的公式计
算，即：
Ｐ—Ｋｒ。，Ｆ。，
（２）
式中，Ｋ一考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪
切力提高的系数，一般取１．１５；‰。一被剪轧件在相
式中，Ｍｋ一折算到电机轴上的空转力矩；Ｍｅ。一电机 额定力矩，可由式（１２）计算得到，即：
Ｍｅ。一９ ５５０ＫｌＫ：Ｎ。，／咒。。
（１２）
式中，Ｋ。一电流充满系数，一般取ｏ．６～ｏ．８；Ｎ。，一
电机额定功率。
３ 力能参数的计算仿真
３．１飞剪机参数 ＶＭＣ４０Ｎ飞剪机及传动系统的主要参数为：电
机型号ＤＭＡ３３１５，电机功率２８０ ｋｗ，电机额定转速 ６７０ ｒ／ｍｉｎ，电机过载系数１．９，电机转动惯量４２．８ ｋｇ·ｍ２，传动系统总减速比１．２６，飞轮直径ｏ．８ ｍ， 飞轮宽度０．２４ ｍ。
１ 起停式曲柄飞剪机的结构
ＶＭＣ４０Ｎ飞剪机的剪切机构见图ｌ，其传动系 统见图２。剪切机构由两组对称的四连杆机构组 成，由一台电机带动，通过齿轮箱实现减速、分动并 保证上、下剪刃速度一致。该飞剪机可以根据产品
作者简介：王全先（１９６４一），男，硕士，副教授；
万方数据
Ｅ＿ｍａｉｌ：ａｌｌａｄｖａｎｃｅ＠ａｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ；
在飞剪机的设计过程中，要考虑的因素很多，这 些因素相互制约，相互影响。力能参数计算的最终 目的是要确定电机的容量和型号、飞轮的尺寸及曲 柄转速的变化规律。以ＶＭＣ４０Ｎ飞剪机为例验证 上述计算模型的正确性。
确定曲柄转速变化规律很重要。轧件运动速度 决定了开始剪切时曲柄的转速，轧件速度高，则生产 率高，但要在允许转角内起动电机，曲柄最大转速就 不能太高。剪切阶段曲柄转速下降幅度较大，有利 于释放动能剪切轧件，但不能满足剪刃水平分速的 要求；转速下降幅度小，虽然得到了所需剪切速度， 但又不能满足剪切功的要求。若要满足剪切功的要 求，就必须加大飞轮尺寸。但飞轮太大对电机在允 许转角内起动又不利。
ＧＤ２—４Ｊ
（４）
２．
剪切轧件所需剪切功为：
Ａ—ＫＰＭ拳一２ＫＰＰＲ庐ｓｉｎ乒
（６）
式中，Ｋ，一平均剪切力矩与最大剪切力矩的比值，
一般取ｏ．７。
剪切开始到终了传动系统动能的变化为：
△Ａ一寺Ｊ御｝一去，∞；
（７）
式中，叫。、叫。一分别为剪切开始和终了电机的角速
ＷＡＮＧ Ｑｕａ矿ｘｉａｎ （Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ’ａｎｓｈａｎ ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ａ ｃｒａｎｋ ｆｌｙｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｗｉｔｈ ｏｎ—ｏｆｆ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｍｏ— ｔｏｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｒａｎｋ ａｎｄ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｓｉｚｅ ｄｅｃｉｄｅ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｋｎｉｆｅ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ＶＭＣ４０Ｎ ｆｌｙｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｉｎ Ｍａｇａｎｇ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ， ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｌｙｉｎｇ ｓｈｅａｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒａｎｋ ｆｌｙｉｎｇ ｓｈｅａｒ；ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ；ｆｌｙｗｈｅｅｌ
能提供，可根据电机起动力矩确定电机功率。曲柄转动速度变化规律和飞轮尺寸决定了传动系统释放的动能、电
机能否在允许转角和允许时间内起动以及剪刃水平分速是否满足飞剪速度的要求。以马钢ＶＭＣ４０Ｎ棒材飞剪
机为例进行了仿真。结果表明，用该模型确定起停式曲柄飞剪机剪切力能参数并用于轧件剪切力能检验及同类
飞剪的设计是可行的。
度。剪切开始到终了系统动能的变化应大于或等于
剪切轧件所需的剪切功。
２．５ 电机功率
对于起停工作制的飞剪机，在确定电机功率时，
要满足起动和剪切两方面的要求。确定电机功率的
主要因素是起动电机所消耗的功率，这要求电机应
具有较大的加速度，使剪切开始时曲柄转速能达到
剪切所需的速度。在加速时间内，电机的起动平均
３７６．７３８
口３
口４
Ｏ．０１２ ２ ２７．３３
３７６．７３８～３７４．８５５
ｏ．０１５ Ｏ ３３．９０
３７４．８５５
ａ５
口６
０．６２０ ０ １９７．５１
３７４．８５５～ｏ
Ｏ．２５４ ６ ６３．７２
ｏ～１５５．２２２
ｏ．０１５ ｏ １３．９７
１５５．２２２
Ｏ．２５４ ６ ６３．７２
１５５．２２２～ｏ
关键词：曲柄飞剪机；力能参数；飞轮
中图分类号：ＴＨｌ３２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１一０９６３（２００５）０１—００３８一０４
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ Ｃｒａｎｋ Ｆｌｙｉｎｇ Ｓｈｅａｒ ｗｉｔｈ ｏｎ’Ｏｆｆ Ｓｗｉｔｃｈ
剪切各相 运转时间／ｓ 曲柄转角／（。） 曲柄转速／（ｒ·ｍｉｎ １）
表１剪切似８ ｍｍ圆钢时曲柄转速的变化规律 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｃｈ柚ｇｅ ｏｆ ｃ髓ｎｌ【ｗｈｅｎ ｓｈｅａｒｉｎｇ舛８ ｍｍ ｍ蚰ｄ ｓｔ蚀ｌ
口１
口ｚ
ｏ．６２０ ｏ １９７．５３
Ｏ～３７６．７３８
Ｏ．０１９ ９ ４５．１４
修订日期：２００４一０６—１７
第１期
王全先：起停式曲柄飞剪剪切力能参数计算及仿真分析
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图１ 曲柄飞剪机剪切机构示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈ哪ａｔｉｃ ｏｆ ｃ舢ｋ ｎｙｉｎｇ ｓｈ哪
！一电机；２一联轴器； ３一横移内齿圈；４一齿轮； ５一飞轮； ６一曲柄轴；７一连杆；８一摇杆；９一剪臂； ｌｏ一剪刃 图２曲柄飞剪机传动系统示意图 Ｆｉｇ．２ ＤｒｉＶｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｍｎｋ ｎｙｉｎｇ ｓｈ魄ｒ