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1、姓 名 學(xué) 號(hào) 畢業(yè)時(shí)間 學(xué)科專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 研究方向 重型機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 論文題目 滾筒式飛剪機(jī)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(yùn)動(dòng)的軋件的剪切機(jī)叫飛剪。飛剪與一般剪切機(jī)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(yùn)動(dòng)中進(jìn)行剪切，因而飛剪的結(jié)構(gòu)、調(diào)整及控制比一般剪切機(jī)要復(fù)雜，對設(shè)計(jì)和制造的要求也很高。飛剪通常安裝在連續(xù)式軋機(jī)的軋制線上和連續(xù)式獨(dú)立加工機(jī)組的作業(yè)線上。 飛剪有以下幾個(gè)基本要求： 1) 剪刃在剪切軋件時(shí)要隨著運(yùn)動(dòng)著的軋件

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

3、，電機(jī)、電力電子、計(jì)算機(jī)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(dòng)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。隨著第三代稀土材料釹、鐵、硼的出現(xiàn)，在20世紀(jì)90年代我國推出了大功率永磁交流伺服電機(jī)，它和數(shù)字化重載機(jī)組成新型飛剪機(jī)。飛剪機(jī)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(shí)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(jī)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量要求更高。如在軋件運(yùn)動(dòng)實(shí)施剪切時(shí)運(yùn)動(dòng)特性的反應(yīng)靈敏性、動(dòng)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(jī)的研究設(shè)計(jì)，大幅度提高飛剪機(jī)的智能化水平、可靠性和使用水平， 大大簡化機(jī)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(shí)意義。 2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)通常都十分復(fù)雜。例如自上世紀(jì)七十年代我國引進(jìn)的施羅曼飛剪為第一代引進(jìn)的飛剪機(jī)，是雙曲柄搖桿式飛剪機(jī)。這類飛剪機(jī)都有一個(gè)復(fù)雜的勻速系統(tǒng)和倍尺機(jī)構(gòu)。 隨著電機(jī)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(jī)制造及控制技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜的飛剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變得十分簡潔。如第二代引進(jìn)的是所謂的翁格爾飛剪機(jī)及第三代引進(jìn)的橋式飛剪，完全取消了以往飛剪機(jī)的勻速機(jī)構(gòu)及倍尺機(jī)構(gòu)：利用先進(jìn)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(jī)的要求。 根據(jù)飛剪機(jī)的用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)類型或驅(qū)動(dòng)方式等特點(diǎn)可以將飛剪機(jī)分為(1)鋼坯飛剪機(jī)

5、；(2)型鋼、線材飛剪機(jī)；(3)鋼板、帶鋼飛剪機(jī)這三種主要類型。板帶車間的飛剪機(jī)按用途可分為切頭、尾飛剪機(jī)和定尺飛剪機(jī)兩大類。如果按飛剪機(jī)結(jié)構(gòu)形式的不同，切頭飛剪機(jī)可分為曲柄式飛剪機(jī)和滾筒式飛剪機(jī)兩種；定尺飛剪機(jī)又分為滾筒式飛剪機(jī)、曲柄式飛剪機(jī)、擺式飛剪機(jī)、模式飛剪機(jī)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(dòng)式飛剪、曲柄搖桿式飛剪和回轉(zhuǎn)飛剪機(jī)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(jìn)的剪切機(jī)型，一是采用離合器啟動(dòng)和制動(dòng)器制動(dòng)，我們稱為“連續(xù)——起?！敝骑w剪機(jī)；另外一種是

6、電動(dòng)機(jī)直接“起——?！敝骑w剪機(jī)，這兩種飛剪機(jī)各有其優(yōu)點(diǎn)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——停”制飛剪機(jī)將逐步代表飛剪機(jī)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(jī)機(jī)架斷裂事故為研究對象，采用有限元方法對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)架進(jìn)行了疲勞壽命估算，最后在此基礎(chǔ)上提出了提高機(jī)架強(qiáng)度及延長機(jī)架壽命的改進(jìn)方案并對方案進(jìn)行了評估。 虞益中在其碩士論文[3]以無錫威華機(jī)械有限公司的飛剪機(jī)為分析模型，詳細(xì)研究曲柄式飛剪的構(gòu)造并作了受力分析，計(jì)算出飛剪機(jī)最大剪切力位置，并對其進(jìn)行

7、了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析；運(yùn)用Matlab對剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；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(yùn)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(jìn)行有限元數(shù)值模擬；用有限元分析軟件Ansys對飛剪機(jī)機(jī)架作了應(yīng)力應(yīng)變分析；分析了飛剪機(jī)刀刃的應(yīng)力應(yīng)變情況。 張永虎重新設(shè)計(jì)了滾筒式飛剪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；根據(jù)飛剪機(jī)設(shè)計(jì)的目的和要求確定出基本參數(shù)、飛剪機(jī)在剪切時(shí)的剪切力、力矩及剪切功；運(yùn)用機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真模塊對飛剪機(jī)的剪切過程進(jìn)行模擬，并對飛剪機(jī)剪刃的速度和加速度進(jìn)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(jì)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的GD2計(jì)算、剪切角計(jì)算、剪切力剪切功計(jì)算、電機(jī)剪切制度的選擇、飛剪的剪切機(jī)構(gòu)力學(xué)分析、有限元建模分析等；并通過一系列計(jì)算得出飛剪的剪切力剪切功大小、傳動(dòng)系統(tǒng)與剪切機(jī)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(jī)能否剪切定尺長（400~600mm）的板材的可行性進(jìn)行分析；基于ADAMS對飛剪進(jìn)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(jī)械設(shè)

9、計(jì)的要點(diǎn)，并對其剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。并用DEFORM有限元分析軟件對飛剪剪切板材的加工過程進(jìn)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(jìn)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(dá)涅利（Danieli）公司于1988年[8]研制的飛剪剪切速度達(dá)到100m/s，飛剪入口裝有單通道鋼板傳送進(jìn)給裝置，實(shí)現(xiàn)了鋼板的高速傳送，并在需要剪切時(shí)將鋼板送入剪切區(qū)，可以有效地避免非剪切狀態(tài)時(shí)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(jìn)給裝置的配合，實(shí)現(xiàn)對鋼板的有效控制，但由于飛剪為連續(xù)式運(yùn)轉(zhuǎn)，不利

10、于節(jié)能。為此，達(dá)涅利公司于1993年和1999年進(jìn)行了兩次改進(jìn)[9,10]，剪切速度達(dá)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(shí)際中存在的故障現(xiàn)象進(jìn)行了全面分析，重點(diǎn)對導(dǎo)致剪切偏差的多種原因進(jìn)行研究，提出了通過增加一級(jí)計(jì)算機(jī)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(jià)。 楊咸啟，師忠秀等根據(jù)機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)理論和誤差分布的思想，對飛剪機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)變形建立了理論模型，對于給定的機(jī)構(gòu)軌跡進(jìn)行了四桿機(jī)構(gòu)模擬。在此基礎(chǔ)上，對該機(jī)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行了KED分析，模擬分析出了機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的軌跡

11、點(diǎn)變形和變化規(guī)律。同時(shí)分析了機(jī)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(jī)簡化為二自由度平面六桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)用復(fù)數(shù)向量法建立了飛剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)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(dòng)曲柄的控制對策。 主要參考文獻(xiàn)： [1] 黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007. [2] 肖凌俊.1700熱軋機(jī)組切頭飛剪機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)［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(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)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(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)中連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)誤差分析［J］．揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)．2004,Vol.71No.2:48~52. [15] 王海儒，裴如妍，李波.雙偏心擺式飛剪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào).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(dú)創(chuàng)及新穎之處、重點(diǎn)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(jī)剪切機(jī)構(gòu)尺度綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行選擇、計(jì)算及優(yōu)化，對滾筒式飛剪機(jī)的螺旋剪刃的螺旋線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。 2.滾筒式飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)學(xué)（運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)）研究 主要對剪切機(jī)的剪切位置、剪切速度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)進(jìn)行研究。 3.剪切力能參數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 利用現(xiàn)有的剪切理論對飛剪機(jī)的參數(shù)進(jìn)行選擇、計(jì)算及優(yōu)化，對傳動(dòng)系統(tǒng)的類型進(jìn)行選擇和分析，選擇合適的電機(jī)功率等。 4.對滾筒式飛剪機(jī)定尺剪切控制策

17、略及模型進(jìn)行研究。 5.建立實(shí)用性強(qiáng)，界面友好的滾筒式飛剪機(jī)設(shè)計(jì)軟件。 獨(dú)創(chuàng)及新穎之處： 目前從事飛剪專項(xiàng)研究的機(jī)構(gòu)較少，飛剪的結(jié)構(gòu)、調(diào)整及控制比一般剪切機(jī)要復(fù)雜，對設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)功率最小的目標(biāo)綜合； 2. 編制機(jī)構(gòu)尺度、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析和剪切力能參數(shù)計(jì)算于一體的工程化 設(shè)計(jì)軟件，為滾筒式飛剪機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 重點(diǎn)解決的問題： 滾筒式飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)軟件； 2.發(fā)表論文2至3篇（中文核心以上）； 3.爭取申報(bào)專利一項(xiàng)； 4.進(jìn)行1

18、780mm飛剪機(jī)初步設(shè)計(jì)，完成滾筒式飛剪機(jī)的資料儲(chǔ)備； 5.完成碩士學(xué)位論文一篇。 三、研究進(jìn)展計(jì)劃（包括論文的起止時(shí)間、各階段具體內(nèi)容，研究方法、技術(shù)方案、實(shí)驗(yàn)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(jìn)展計(jì)劃表： 本課題的研究主要在2010年9月到2012年5月之間進(jìn)行，其主要工作分為四個(gè)階段進(jìn)行： 2010.9～2011.3 收集相關(guān)資料、論文調(diào)研、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。 2011.3～2011.4 撰寫開題報(bào)告、論文開題 2011.4～2011.6 利用手頭現(xiàn)有的資料進(jìn)行滾筒式飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)尺度綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，主要對滾筒直徑，偏心距等參數(shù)進(jìn)行選擇

19、、計(jì)算及優(yōu)化，對滾筒式飛剪機(jī)的螺旋剪刃的螺旋線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。 2011.7～2011.9 滾筒式飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)學(xué)（運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)）研究，主要對剪切機(jī)的剪切位置、剪切速度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)進(jìn)行研究。 2011.10～2011.12 剪切力能參數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，利用現(xiàn)有的剪切理論對飛剪機(jī)的參數(shù)進(jìn)行選擇、計(jì)算及優(yōu)化，對傳動(dòng)系統(tǒng)的類型進(jìn)行選擇和分析，選擇合適的電機(jī)功率等；對滾筒式飛剪機(jī)定尺剪切控制策略及模型進(jìn)行研究；中期檢查。 2012.1～2012.3 編制機(jī)構(gòu)尺度、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析和剪切力能參數(shù)計(jì)算于一體的工程化設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇、計(jì)算和優(yōu)化，建立實(shí)際剪切模型并進(jìn)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(jìn)行模擬；在模型上先選取帶剪刃的兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓和鋼板進(jìn)行建模分析，然后逐步完善模型，使其盡量與實(shí)際模型吻合。 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(yàn)所測數(shù)據(jù)不相符合，為此，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)測得后需要適當(dāng)修改 模型重新進(jìn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)條件、已經(jīng)獲得或獲得的經(jīng)費(fèi)） 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(shí)驗(yàn)條件： 計(jì)算機(jī)一臺(tái)，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(xiàng)研究的很少。但我校重型機(jī)械教育部工程研究中心在剪切機(jī)研究方面已取得豐碩成果，擁有自主知識(shí)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(xiàng)目研究過程中理論方面得到很好的補(bǔ)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(fù)責(zé)人： 年 月 日