劉學元，張 菲，郭翰韜，張麗英，帥全志

(1.山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048200；2.太原供水集團有限公司，山西 太原030000；3.山西火之源科技有限公司，山西 太原 030000；4.山西能源學院 機電工程系，山西 晉中030600；5.太重煤機有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

倍尺飛剪設(shè)備是棒材生產(chǎn)線中對軋件進行切頭、切尾和倍尺剪切的設(shè)備，它主要由減速箱、刀座機構(gòu)、飛輪傳動機構(gòu)組成，其工作原理是由電機驅(qū)動減速箱主傳動齒輪，主傳動齒輪向下帶動下刀軸齒輪、向上帶動過渡輪，過渡輪帶動上刀軸齒輪，從而完成對軋件的同步剪切工作[1-4]。倍尺飛剪位于精軋機組和冷床之間，是提高棒材成材率和定尺率的關(guān)鍵設(shè)備。倍尺飛剪作為一種連續(xù)在線作業(yè)設(shè)備，執(zhí)行周期性的啟停剪切動作，周期性地承受沖擊載荷，導致機械損害率比較高，備件更換頻繁，同時也是整個生產(chǎn)線上能耗最高的設(shè)備之一。

相對于國內(nèi)的棒材消費市場，東南亞市場內(nèi)需較小，供求關(guān)系變化較大，我國普遍使用的倍尺飛剪并不適用于菲律賓等東南亞國家。由于該地區(qū)鋼鐵企業(yè)急需價格低廉、結(jié)構(gòu)精簡耐用的倍尺飛剪，為此，本文對棒材軋線上現(xiàn)有的倍尺飛剪進行了小型化結(jié)構(gòu)改進。該倍尺飛剪的改進方式是一次創(chuàng)新制造，其設(shè)計思想和理念釆用了國內(nèi)外目前小型化的思路，并解決了大部分廠家廠房受限的苛刻問題。

1 倍尺飛剪的小型化結(jié)構(gòu)改進

本設(shè)計依托于東南亞某公司棒材生產(chǎn)線設(shè)計制造項目，產(chǎn)品規(guī)格為：圓鋼Φ10 mm～Φ36 mm，帶肋鋼筋以Φ10 mm和Φ12 mm為主，保留將來生產(chǎn)小型角鋼的能力，原料規(guī)格為150 mm×150 mm×6 000 mm。

1.1 飛剪的結(jié)構(gòu)

該倍尺飛剪釆取啟停工作制，機械為曲柄和回轉(zhuǎn)組合式,成套設(shè)備主要包括電機、聯(lián)軸器、飛剪本體、前后導槽及串聯(lián)式飛輪傳動機構(gòu)。原倍尺飛剪結(jié)構(gòu)如圖1所示，小型化改進后倍尺飛剪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 原倍尺飛剪結(jié)構(gòu)

圖2 小型化改進后倍尺飛剪結(jié)構(gòu)

1.2 主要技術(shù)參數(shù)對比

原倍尺飛剪與小型化改進后倍尺飛剪的技術(shù)參數(shù)對比見表1?？梢钥闯?，小型化改進后倍尺飛剪的實用性更強，既結(jié)構(gòu)簡單便于維護，又降低了制造成本，同時該設(shè)備的突出特點是采用串聯(lián)式飛輪傳動機構(gòu)(如圖3所示),增加了飛輪重量，比傳統(tǒng)懸掛式飛輪(如圖4所示)的慣性矩更大，更適用于多規(guī)格產(chǎn)品的剪切。

圖3 改進后倍尺飛剪串聯(lián)式飛輪結(jié)構(gòu)

圖4 原倍尺飛剪懸掛式飛輪結(jié)構(gòu)

表1 原倍尺飛剪與小型化改進后倍尺飛剪技術(shù)參數(shù)對比

1.3 改進創(chuàng)新點

(1) 優(yōu)化了飛剪箱體結(jié)構(gòu)，飛剪箱體重量減少1.6 t。倍尺飛剪在剪切工作時承受沖擊載荷，箱體釆用焊接結(jié)構(gòu)，箱體的強度直接影響剪切工作的穩(wěn)定。在非主要承載的地方保證強度、剛度的前提下更換優(yōu)質(zhì)鋼板及厚鋼板，能有效降低設(shè)備重量及制造成本，同時采用埋弧焊保證飛剪箱體的焊接質(zhì)量,使倍尺飛剪能夠滿足使用要求[5]。

(2) 潤滑釆用封閉自潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取消了獨立潤滑站。自潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求介質(zhì)使用320或220工業(yè)潤滑油，工作壓力為0.2 MPa，包含電動油泵、過濾器(其自帶水冷卻器、壓力繼電器、壓力表等)及中間配管等，其特點在于：①結(jié)構(gòu)簡單，直接節(jié)省了稀油潤滑站的設(shè)置，節(jié)約設(shè)備成本；②節(jié)省了潤滑站系統(tǒng)的中間管路布置，占地面積小；③潤滑油的消耗降低，由于獨立潤滑站及中間管路的取消，減少了大量潤滑油的使用，更環(huán)保；④減少了約40%儀表開關(guān)等輔助設(shè)備的使用數(shù)量，相關(guān)備件大量減少，降低了設(shè)備的維護成本。

(3) 傳動由斜齒傳動簡化為直齒傳動，在滿足使用要求的前提下節(jié)約了加工制造成本，遵從先精簡再優(yōu)化的過程，經(jīng)過優(yōu)化，中間過渡傳動齒輪中心距由280 mm改進為260 mm，相應(yīng)調(diào)整了傳動比。

(4) 釆用了串聯(lián)式飛輪傳動機構(gòu)，更方便制造裝配，一定程度上縮短了設(shè)備裝配時間，同時增加了飛輪重量，提高了設(shè)備剪切能力，擴充了產(chǎn)品種類。

(5) 電機功率較低，更節(jié)能。

2 小型化改進后倍尺飛剪的驗算

小型化改進后的倍尺飛剪需要對其剪切力矩與啟動力矩分別進行驗算。

2.1 剪切力矩驗算

當其他力矩MS>折算到電機軸上的剪切力矩Mj時就可以滿足剪切條件。

其他力矩的計算公式為：

MS=ME+MR.

其中：ME為能量釋放為最大時的力矩；MR為電機最大運行轉(zhuǎn)矩(電機已知參數(shù))；∑J為綜合轉(zhuǎn)動慣量；n1為剪切轉(zhuǎn)速；n0為剪切初始速度；α為剪切角度。折算到電機軸上的剪切力矩計算公式為：

Mj=2Md/(iη).

Md=0.7σb·F·R·sinα.

其中：Md為剪切轉(zhuǎn)矩；η為傳動效率，取值范圍為0.9～0.92；i為傳動比；σb為材料的強度極限；F為剪切面積；R為回轉(zhuǎn)半徑。

2.2 啟動力矩驗算

當電機啟動力矩M2>電機力矩Mq時滿足電機啟動條件。

電機啟動力矩計算公式為：

M2=3.5×9 550P/n.

其中：P為電機額定功率；n為電機額定轉(zhuǎn)速。

電機力矩計算公式為：

Mq=(∑J·n1)/(3.25α1·η·i).

其中：α1為設(shè)定的啟動角。

經(jīng)過計算，小型化改進后的倍尺飛剪所需的啟動力矩、剪切力矩均滿足使用條件[6]。

3 結(jié)語

(1) 小型化改進后的倍尺飛剪填補了國內(nèi)同類產(chǎn)品的空白，不同于傳統(tǒng)的倍尺飛剪，經(jīng)過系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，產(chǎn)能利用更合理，便于中小企業(yè)靈活調(diào)整鋼材產(chǎn)量。

(2) 電機功率降低約12%，潤滑油消耗大幅減少，在節(jié)能環(huán)保日益重要的今天市場份額會大幅增加。

(3) 結(jié)構(gòu)簡單，重量減輕，加工制造成本降低，而剪切能力提高，滿足小型化要求，整體性價比高。