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1、姓 名 學(xué) 號 畢業(yè)時間 學(xué)科專業(yè) 機械設(shè)計及理論 研究方向 重型機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 論文題目 滾筒式飛剪機剪切力能參數(shù)研究 一、立題依據(jù)（包括研究目的、意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 1.目的和意義： 橫向剪切運動的軋件的剪切機叫飛剪。飛剪與一般剪切機一樣，主要是用來剪切定尺、切頭、切尾、切取試樣以及處理事故等。由于飛剪是在運動中進行剪切，因而飛剪的結(jié)構(gòu)、調(diào)整及控制比一般剪切機要復(fù)雜，對設(shè)計和制造的要求也很高。飛剪通常安裝在連續(xù)式軋機的軋制線上和連續(xù)式獨立加工機組的作業(yè)線上。 飛剪有以下幾個基本要求： 1) 剪刃在剪切軋件時要隨著運動著的軋件

2、一起運動，即剪刃應(yīng)該同時完成剪切和移動兩個動作，且剪刃在軋件運動方向的瞬時分速度應(yīng)該與軋件運動速度相等或者大些。因為，在剪切軋件時，如果剪刃在軋件運動方向的瞬時速度小于軋件運動速度，則剪刃將阻礙軋件的運動，會使軋件彎曲，甚至產(chǎn)生纏刀事故。反之，如果剪刃瞬時速度比軋件運動速度大太多，則在軋件中將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這會影響軋件的剪切質(zhì)量和增加飛剪的沖擊負荷； 2）上、下剪刃的運動軌跡，至少有一個必須為封閉曲線，以保證剪刃返回時不阻礙軋件繼續(xù)運動； 3）剪切過程中，上、下剪刃最好做平面運動，使剪切斷面垂直于軋件軸線； 4）滿足軋機或機組生產(chǎn)率的要求及剪切同步性的要求。 自從上世紀70年代以來

3、，電機、電力電子、計算機控制、變頻控制以及其他相關(guān)技術(shù)得到較快發(fā)展，特別是交流伺服驅(qū)動技術(shù)取得了突破性進展。隨著第三代稀土材料釹、鐵、硼的出現(xiàn)，在20世紀90年代我國推出了大功率永磁交流伺服電機，它和數(shù)字化重載機組成新型飛剪機。飛剪機是剪切工藝、連續(xù)式軋鋼生產(chǎn)線上不可缺少關(guān)鍵設(shè)備，隨著現(xiàn)代化鋼材生產(chǎn)產(chǎn)量和鋼材品種不斷增加，同時要求軋鋼生產(chǎn)向高速、連續(xù)化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，飛剪機設(shè)計和制造質(zhì)量要求更高。如在軋件運動實施剪切時運動特性的反應(yīng)靈敏性、動作的準(zhǔn)確性以及工作穩(wěn)定可靠性等高要求。 通過對飛剪機的研究設(shè)計，大幅度提高飛剪機的智能化水平、可靠性和使用水平， 大大簡化機械結(jié)構(gòu)，對增加產(chǎn)量，降低能耗

4、，提高企業(yè)效益具有非常重要的現(xiàn)實意義。 2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)飛剪機結(jié)構(gòu)通常都十分復(fù)雜。例如自上世紀七十年代我國引進的施羅曼飛剪為第一代引進的飛剪機，是雙曲柄搖桿式飛剪機。這類飛剪機都有一個復(fù)雜的勻速系統(tǒng)和倍尺機構(gòu)。 隨著電機技術(shù)的快速發(fā)展，特別是交流變頻技術(shù)、大型伺服電機制造及控制技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜的飛剪機構(gòu)設(shè)計變得十分簡潔。如第二代引進的是所謂的翁格爾飛剪機及第三代引進的橋式飛剪，完全取消了以往飛剪機的勻速機構(gòu)及倍尺機構(gòu)：利用先進的電氣控制技術(shù)，簡單明快地滿足了生產(chǎn)工藝對飛剪機的要求。 根據(jù)飛剪機的用途、結(jié)構(gòu)特點、機構(gòu)類型或驅(qū)動方式等特點可以將飛剪機分為(1)鋼坯飛剪機

5、；(2)型鋼、線材飛剪機；(3)鋼板、帶鋼飛剪機這三種主要類型。板帶車間的飛剪機按用途可分為切頭、尾飛剪機和定尺飛剪機兩大類。如果按飛剪機結(jié)構(gòu)形式的不同，切頭飛剪機可分為曲柄式飛剪機和滾筒式飛剪機兩種；定尺飛剪機又分為滾筒式飛剪機、曲柄式飛剪機、擺式飛剪機、模式飛剪機等幾種。 目前應(yīng)用較廣泛的飛剪形式，有圓盤式飛剪、滾筒式飛剪、曲柄回轉(zhuǎn)杠桿式飛剪、曲柄偏心式飛剪、擺動式飛剪、曲柄搖桿式飛剪和回轉(zhuǎn)飛剪機等。圓盤式適用于小型型材和線材的切頭；曲柄式和滾筒式主要用于熱連軋板的切頭切尾。 目前國外多采用比較先進的剪切機型，一是采用離合器啟動和制動器制動，我們稱為“連續(xù)——起?！敝骑w剪機；另外一種是

6、電動機直接“起——?！敝骑w剪機，這兩種飛剪機各有其優(yōu)點和不足之處。隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，電控水平的提高，“起——?！敝骑w剪機將逐步代表飛剪機的發(fā)展趨勢。 肖凌俊在其碩士學(xué)位論文[2]以某鋼廠1700熱軋線飛剪機機架斷裂事故為研究對象，采用有限元方法對機架結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力、變形分析，并用修正的Miner法則Corten—Dolan非線性損傷理論對機架進行了疲勞壽命估算，最后在此基礎(chǔ)上提出了提高機架強度及延長機架壽命的改進方案并對方案進行了評估。 虞益中在其碩士論文[3]以無錫威華機械有限公司的飛剪機為分析模型，詳細研究曲柄式飛剪的構(gòu)造并作了受力分析，計算出飛剪機最大剪切力位置，并對其進行

7、了運動學(xué)和動力學(xué)分析；運用Matlab對剪切機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；建立桿長尺寸制造誤差對飛剪剪刃軌跡精度影響的數(shù)學(xué)模型，運用Matlab找出了其影響規(guī)律；用Deform 3D有限元分析軟件對飛剪剪切過程進行有限元數(shù)值模擬；用有限元分析軟件Ansys對飛剪機機架作了應(yīng)力應(yīng)變分析；分析了飛剪機刀刃的應(yīng)力應(yīng)變情況。 張永虎重新設(shè)計了滾筒式飛剪機的機械結(jié)構(gòu)；根據(jù)飛剪機設(shè)計的目的和要求確定出基本參數(shù)、飛剪機在剪切時的剪切力、力矩及剪切功；運用機械運動仿真模塊對飛剪機的剪切過程進行模擬，并對飛剪機剪刃的速度和加速度進行分析[4]。 楊曉玲在其碩士學(xué)位論文[4]以5～3．52120鋼板橫剪生產(chǎn)線中的回轉(zhuǎn)飛剪

8、為研究對象，通過設(shè)計計算、分析和力學(xué)分析，比較全面地研究分析了該飛剪的各方面性能參數(shù)，其中包括：飛剪傳動系統(tǒng)的GD2計算、剪切角計算、剪切力剪切功計算、電機剪切制度的選擇、飛剪的剪切機構(gòu)力學(xué)分析、有限元建模分析等；并通過一系列計算得出飛剪的剪切力剪切功大小、傳動系統(tǒng)與剪切機構(gòu)的受力變形原因及分布規(guī)律等。 劉曉磊在碩士學(xué)位論文[6]對飛剪機能否剪切定尺長（400~600mm）的板材的可行性進行分析；基于ADAMS對飛剪進行建模與仿真；根據(jù)數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果，提出飛剪定尺剪切的控制策略。 房樹鋒在其碩士論文[7]研究了寶山鋼鐵股份有限公司熱軋廠主設(shè)備－曲柄式飛剪的構(gòu)造，分析了其工作原理、機械設(shè)

9、計的要點，并對其剪切機構(gòu)進行了運動學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計。并用DEFORM有限元分析軟件對飛剪剪切板材的加工過程進行了有限元模擬。討論了相關(guān)的彈塑性、剛塑性理論和材料斷裂準(zhǔn)則，并對不同的工藝參數(shù)進行了數(shù)值模擬，得出了不同工藝參數(shù)對剪切過程的影響。 意大利達涅利（Danieli）公司于1988年[8]研制的飛剪剪切速度達到100m/s，飛剪入口裝有單通道鋼板傳送進給裝置，實現(xiàn)了鋼板的高速傳送，并在需要剪切時將鋼板送入剪切區(qū)，可以有效地避免非剪切狀態(tài)時由于剪刃的連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)生誤剪切；雙通道導(dǎo)向分離裝置安裝在飛剪出口側(cè)，通過與入口傳送進給裝置的配合，實現(xiàn)對鋼板的有效控制，但由于飛剪為連續(xù)式運轉(zhuǎn)，不利

10、于節(jié)能。為此，達涅利公司于1993年和1999年進行了兩次改進[9,10]，剪切速度達到了120m/s，但剪切精度比較低。 王海峰在其碩士論文[13]對加拿大KELK公司飛剪優(yōu)化剪切系統(tǒng)在生產(chǎn)實際中存在的故障現(xiàn)象進行了全面分析，重點對導(dǎo)致剪切偏差的多種原因進行研究，提出了通過增加一級計算機參與跟蹤、監(jiān)控等手段來判斷、切換剪切方式的程序修改理念，以及取得的徹底消除剪切偏差的效果評價。 楊咸啟，師忠秀等根據(jù)機構(gòu)彈性動力學(xué)理論和誤差分布的思想，對飛剪機的連桿機構(gòu)動力學(xué)變形建立了理論模型，對于給定的機構(gòu)軌跡進行了四桿機構(gòu)模擬。在此基礎(chǔ)上，對該機構(gòu)進一步進行了KED分析，模擬分析出了機構(gòu)關(guān)鍵點的軌跡

11、點變形和變化規(guī)律。同時分析了機構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)誤差后引起軌跡的誤差分布[14]。 燕山大學(xué)王海儒[15]等人將雙偏心擺式飛剪機簡化為二自由度平面六桿機構(gòu)，運用復(fù)數(shù)向量法建立了飛剪的運動學(xué)與動力學(xué)數(shù)學(xué)模型：在此基礎(chǔ)上，針對飛剪的同步剪切及定尺精度要求，研究了兩主動曲柄的控制對策。 主要參考文獻： [1] 黃慶學(xué).軋鋼機械設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007. [2] 肖凌俊.1700熱軋機組切頭飛剪機架斷裂事故分析［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2010. [3] 虞益中.對稱式曲柄飛剪機的設(shè)計研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2009. [4] 張永虎.鋼板定長剪切系統(tǒng)的研究和設(shè)計［D］.沈

12、陽：沈陽理工大學(xué)，2008. [5] 楊曉玲.回轉(zhuǎn)飛剪的性能研究［D］.沈陽：沈陽理工大學(xué)，2007. [6] 劉曉磊.離心式飛剪機的運動學(xué)仿真和動力學(xué)分析［D］.沈陽：東北大學(xué)，2009. [7] 房樹鋒.曲柄式飛剪設(shè)計及其剪切過程的有限元仿真［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007. [8]Alfredo，Poloni．Very high speed flying shears[P].United States Patent：4966060。 10-30-1990. [9]Poloni，Alfredo．High—speed flying shears and method empl

13、oying this flying shears to shear the leading and trailing ends of a rolled bar[P].European Patent：0655291A1，10-3l-1994. [10]Alfredo，Poloni．High—speed flying shears and method employing this flying shears to shear the leading and trailing ends of a rolled bar[P].United States Patent：6-6-2000. [1

14、1] 劉海昌.新型板帶飛剪機的設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2007，第9期：123-124. [12] 劉海昌等.飛剪的發(fā)展與思考［J］.機械設(shè)計與制造，2007，第6期：208-209. [13] 王海峰.飛剪優(yōu)化剪切系統(tǒng)的研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2009. [14] 楊咸啟，師忠秀．飛剪機中連桿機構(gòu)運動與動力學(xué)誤差分析［J］．揚州大學(xué)學(xué)報．2004,Vol.71No.2:48~52. [15] 王海儒，裴如妍，李波.雙偏心擺式飛剪機運動學(xué)及動力學(xué)分析［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報.2006, Vol.27No.2:97~101. [16]Wang,J.-Y., Chen,M.-L.

15、, and Shih,C.-L. Generalized predictive control in flying shear equipment[J] ,Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics,2007,Vol.11.No.9:1144~1148. [17] Matsuoka Hiroshi, Unoki Kenichi, Hashimoto Ritsuo. Drum type flying shear[P],JP05345216,12-27-1993. 8 二、研

16、究內(nèi)容（說明課題的具體研究內(nèi)容、獨創(chuàng)及新穎之處、重點解決的問題、預(yù)期的研究成果） 本課題的研究內(nèi)容分為以下幾部分： 1.滾筒式飛剪機剪切機構(gòu)尺度綜合及優(yōu)化設(shè)計研究 利用現(xiàn)有的剪切理論對滾筒直徑，偏心距等參數(shù)進行選擇、計算及優(yōu)化，對滾筒式飛剪機的螺旋剪刃的螺旋線進行優(yōu)化設(shè)計研究。 2.滾筒式飛剪機剪切機構(gòu)機構(gòu)學(xué)（運動學(xué)、動力學(xué)）研究 主要對剪切機的剪切位置、剪切速度、加速度、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)進行研究。 3.剪切力能參數(shù)及傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究 利用現(xiàn)有的剪切理論對飛剪機的參數(shù)進行選擇、計算及優(yōu)化，對傳動系統(tǒng)的類型進行選擇和分析，選擇合適的電機功率等。 4.對滾筒式飛剪機定尺剪切控制策

17、略及模型進行研究。 5.建立實用性強，界面友好的滾筒式飛剪機設(shè)計軟件。 獨創(chuàng)及新穎之處： 目前從事飛剪專項研究的機構(gòu)較少，飛剪的結(jié)構(gòu)、調(diào)整及控制比一般剪切機要復(fù)雜，對設(shè)計和制造的要求也很高，有關(guān)的很多問題急需解決。 1. 剪切位置和傳動系統(tǒng)功率最小的目標(biāo)綜合； 2. 編制機構(gòu)尺度、機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)分析和剪切力能參數(shù)計算于一體的工程化 設(shè)計軟件，為滾筒式飛剪機設(shè)計提供理論依據(jù)。 重點解決的問題： 滾筒式飛剪機剪切機構(gòu)的設(shè)計和剪切力能參數(shù)的優(yōu)化。 預(yù)期的研究成果： 1.編制滾筒式飛剪機設(shè)計軟件； 2.發(fā)表論文2至3篇（中文核心以上）； 3.爭取申報專利一項； 4.進行1

18、780mm飛剪機初步設(shè)計，完成滾筒式飛剪機的資料儲備； 5.完成碩士學(xué)位論文一篇。 三、研究進展計劃（包括論文的起止時間、各階段具體內(nèi)容，研究方法、技術(shù)方案、實驗方法和步驟及其可行性、可能出現(xiàn)的技術(shù)問題及解決方法） 進展計劃表： 本課題的研究主要在2010年9月到2012年5月之間進行，其主要工作分為四個階段進行： 2010.9～2011.3 收集相關(guān)資料、論文調(diào)研、閱讀相關(guān)文獻。 2011.3～2011.4 撰寫開題報告、論文開題 2011.4～2011.6 利用手頭現(xiàn)有的資料進行滾筒式飛剪機剪切機構(gòu)尺度綜合及優(yōu)化設(shè)計研究，主要對滾筒直徑，偏心距等參數(shù)進行選擇

19、、計算及優(yōu)化，對滾筒式飛剪機的螺旋剪刃的螺旋線進行優(yōu)化設(shè)計研究。 2011.7～2011.9 滾筒式飛剪機剪切機構(gòu)機構(gòu)學(xué)（運動學(xué)、動力學(xué)）研究，主要對剪切機的剪切位置、剪切速度、加速度、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)進行研究。 2011.10～2011.12 剪切力能參數(shù)及傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究，利用現(xiàn)有的剪切理論對飛剪機的參數(shù)進行選擇、計算及優(yōu)化，對傳動系統(tǒng)的類型進行選擇和分析，選擇合適的電機功率等；對滾筒式飛剪機定尺剪切控制策略及模型進行研究；中期檢查。 2012.1～2012.3 編制機構(gòu)尺度、機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)分析和剪切力能參數(shù)計算于一體的工程化設(shè)計軟件。 2011.3～2012.

20、4 撰寫和修改論文、論文打印、封裝、準(zhǔn)備答辯。 2012.5 正式答辯。 研究方法、技術(shù)方案： 對剪切機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進行選擇、計算和優(yōu)化，建立實際剪切模型并進行簡化，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對剪切變形狀態(tài)進行模擬；在模型上先選取帶剪刃的兩個轉(zhuǎn)鼓和鋼板進行建模分析，然后逐步完善模型，使其盡量與實際模型吻合。 實驗方法和步驟及其可行性： 以科大重工為依托，聯(lián)系所研究飛剪的應(yīng)用廠家進行試驗，得到相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。 可能出現(xiàn)的技術(shù)問題及解決方法： 分析結(jié)果可能與試驗所測數(shù)據(jù)不相符合，為此，在試驗數(shù)據(jù)測得后需要適當(dāng)修改 模型重新進行計算。

21、 四、現(xiàn)有條件（包括已經(jīng)做過的有關(guān)研究工作、本單位或外單位可供使用的儀器設(shè)備和實驗條件、已經(jīng)獲得或獲得的經(jīng)費） 已經(jīng)做過的有關(guān)研究工作： 本單位或外單位可供使用的儀器設(shè)備和實驗條件： 計算機一臺，三維建模軟件Por/E，有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA。 盡管目前關(guān)于飛剪的專著和從事專項研究的很少。但我校重型機械教育部工程研究中心在剪切機研究方面已取得豐碩成果，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的單軸雙偏心滾切剪及液壓滾切剪已在國內(nèi)中板廠投產(chǎn)，且使用效果非常好。這將對我在該項目研究過程中理論方面得到很好的補充。 指導(dǎo)教師評語： 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 考核小組審查意見： 學(xué)科負責(zé)人： 年 月 日