滚筒式飞剪机开题报告

姓 名学 号毕业时间学科专业机械设计及理论研究方向重型机械结构优化设计论文题目滚筒式飞剪机剪切力能参数研究一、立题依据（包括研究目的、意义、国内外研究现状与发展趋势）1.目的和意义：横向剪切运动的轧件的剪切机叫飞剪。飞剪与一般剪切机一样，主要是用来剪切定尺、切头、切尾、切取试样以及处理事故等。由于飞剪是在运动中进行剪切，因而飞剪的结构、调整及控制比一般剪切机要复杂，对设计和制造的要求也很高。飞剪通常安装在连续式轧机的轧制线上和连续式独立加工机组的作业线上。飞剪有以下几个基本要求：1) 剪刃在剪切轧件时要随着运动着的轧件一起运动，即剪刃应该同时完成剪切和移动两个动作，且剪刃在轧件运动方向的瞬时分速度应该与轧件运动速度相等或者大些。因为，在剪切轧件时，如果剪刃在轧件运动方向的瞬时速度小于轧件运动速度，则剪刃将阻碍轧件的运动，会使轧件弯曲，甚至产生缠刀事故。反之，如果剪刃瞬时速度比轧件运动速度大太多，则在轧件中将产生较大的拉应力，这会影响轧件的剪切质量和增加飞剪的冲击负荷；2）上、下剪刃的运动轨迹，至少有一个必须为封闭曲线，以保证剪刃返回时不阻碍轧件继续运动；3）剪切过程中，上、下剪刃最好做平面运动，使剪切断面垂直于轧件轴线；4）满足轧机或机组生产率的要求及剪切同步性的要求。自从上世纪70年代以来，电机、电力电子、计算机控制、变频控制以及其他相关技术得到较快发展，特别是交流伺服驱动技术取得了突破性进展。随着第三代稀土材料钕、铁、硼的出现，在20世纪90年代我国推出了大功率永磁交流伺服电机，它和数字化重载机组成新型飞剪机。飞剪机是剪切工艺、连续式轧钢生产线上不可缺少关键设备，随着现代化钢材生产产量和钢材品种不断增加，同时要求轧钢生产向高速、连续化生产方式转变，飞剪机设计和制造质量要求更高。如在轧件运动实施剪切时运动特性的反应灵敏性、动作的准确性以及工作稳定可靠性等高要求。通过对飞剪机的研究设计，大幅度提高飞剪机的智能化水平、可靠性和使用水平，大大简化机械结构，对增加产量，降低能耗，提高企业效益具有非常重要的现实意义。2.国内外研究现状与发展趋势传统飞剪机结构通常都十分复杂。例如自上世纪七十年代我国引进的施罗曼飞剪为第一代引进的飞剪机，是双曲柄摇杆式飞剪机。这类飞剪机都有一个复杂的匀速系统和倍尺机构。随着电机技术的快速发展，特别是交流变频技术、大型伺服电机制造及控制技术的发展，使复杂的飞剪机构设计变得十分简洁。如第二代引进的是所谓的翁格尔飞剪机及第三代引进的桥式飞剪，完全取消了以往飞剪机的匀速机构及倍尺机构：利用先进的电气控制技术，简单明快地满足了生产工艺对飞剪机的要求。根据飞剪机的用途、结构特点、机构类型或驱动方式等特点可以将飞剪机分为(1)钢坯飞剪机；(2)型钢、线材飞剪机；(3)钢板、带钢飞剪机这三种主要类型。板带车间的飞剪机按用途可分为切头、尾飞剪机和定尺飞剪机两大类。如果按飞剪机结构形式的不同，切头飞剪机可分为曲柄式飞剪机和滚筒式飞剪机两种；定尺飞剪机又分为滚筒式飞剪机、曲柄式飞剪机、摆式飞剪机、模式飞剪机等几种。目前应用较广泛的飞剪形式，有圆盘式飞剪、滚筒式飞剪、曲柄回转杠杆式飞剪、曲柄偏心式飞剪、摆动式飞剪、曲柄摇杆式飞剪和回转飞剪机等。圆盘式适用于小型型材和线材的切头；曲柄式和滚筒式主要用于热连轧板的切头切尾。目前国外多采用比较先进的剪切机型，一是采用离合器启动和制动器制动，我们称为“连续起停”制飞剪机；另外一种是电动机直接“起停”制飞剪机，这两种飞剪机各有其优点和不足之处。随着科技技术的不断发展，电控水平的提高，“起停”制飞剪机将逐步代表飞剪机的发展趋势。肖凌俊在其硕士学位论文2以某钢厂1700热轧线飞剪机机架断裂事故为研究对象，采用有限元方法对机架结构进行了应力、变形分析，并用修正的Miner法则CortenDolan非线性损伤理论对机架进行了疲劳寿命估算，最后在此基础上提出了提高机架强度及延长机架寿命的改进方案并对方案进行了评估。虞益中在其硕士论文3以无锡威华机械有限公司的飞剪机为分析模型，详细研究曲柄式飞剪的构造并作了受力分析，计算出飞剪机最大剪切力位置，并对其进行了运动学和动力学分析；运用Matlab对剪切机构进行优化设计；建立杆长尺寸制造误差对飞剪剪刃轨迹精度影响的数学模型，运用Matlab找出了其影响规律；用Deform 3D有限元分析软件对飞剪剪切过程进行有限元数值模拟；用有限元分析软件Ansys对飞剪机机架作了应力应变分析；分析了飞剪机刀刃的应力应变情况。张永虎重新设计了滚筒式飞剪机的机械结构；根据飞剪机设计的目的和要求确定出基本参数、飞剪机在剪切时的剪切力、力矩及剪切功；运用机械运动仿真模块对飞剪机的剪切过程进行模拟，并对飞剪机剪刃的速度和加速度进行分析4。杨晓玲在其硕士学位论文4以5352120钢板横剪生产线中的回转飞剪为研究对象，通过设计计算、分析和力学分析，比较全面地研究分析了该飞剪的各方面性能参数，其中包括：飞剪传动系统的GD2计算、剪切角计算、剪切力剪切功计算、电机剪切制度的选择、飞剪的剪切机构力学分析、有限元建模分析等；并通过一系列计算得出飞剪的剪切力剪切功大小、传动系统与剪切机构的受力变形原因及分布规律等。刘晓磊在硕士学位论文6对飞剪机能否剪切定尺长（400600mm）的板材的可行性进行分析；基于ADAMS对飞剪进行建模与仿真；根据数学模型和仿真结果，提出飞剪定尺剪切的控制策略。房树锋在其硕士论文7研究了宝山钢铁股份有限公司热轧厂主设备曲柄式飞剪的构造，分析了其工作原理、机械设计的要点，并对其剪切机构进行了运动学分析和优化设计。并用DEFORM有限元分析软件对飞剪剪切板材的加工过程进行了有限元模拟。讨论了相关的弹塑性、刚塑性理论和材料断裂准则，并对不同的工艺参数进行了数值模拟，得出了不同工艺参数对剪切过程的影响。意大利达涅利（Danieli）公司于1988年8研制的飞剪剪切速度达到100m/s，飞剪入口装有单通道钢板传送进给装置，实现了钢板的高速传送，并在需要剪切时将钢板送入剪切区，可以有效地避免非剪切状态时由于剪刃的连续高速旋转而发生误剪切；双通道导向分离装置安装在飞剪出口侧，通过与入口传送进给装置的配合，实现对钢板的有效控制，但由于飞剪为连续式运转，不利于节能。为此，达涅利公司于1993年和1999年进行了两次改进9,10，剪切速度达到了120m/s，但剪切精度比较低。王海峰在其硕士论文13对加拿大KELK公司飞剪优化剪切系统在生产实际中存在的故障现象进行了全面分析，重点对导致剪切偏差的多种原因进行研究，提出了通过增加一级计算机参与跟踪、监控等手段来判断、切换剪切方式的程序修改理念，以及取得的彻底消除剪切偏差的效果评价。杨咸启，师忠秀等根据机构弹性动力学理论和误差分布的思想，对飞剪机的连杆机构动力学变形建立了理论模型，对于给定的机构轨迹进行了四杆机构模拟。在此基础上，对该机构进一步进行了KED分析，模拟分析出了机构关键点的轨迹点变形和变化规律。同时分析了机构参数出现误差后引起轨迹的误差分布14。燕山大学王海儒15等人将双偏心摆式飞剪机简化为二自由度平面六杆机构，运用复数向量法建立了飞剪的运动学与动力学数学模型：在此基础上，针对飞剪的同步剪切及定尺精度要求，研究了两主动曲柄的控制对策。主要参考文献：1 黄庆学.轧钢机械设计M.北京：冶金工业出版社，2007.2 肖凌俊.1700热轧机组切头飞剪机架断裂事故分析D.武汉：武汉科技大学，2010.3 虞益中.对称式曲柄飞剪机的设计研究D.无锡：江南大学，2009.4 张永虎.钢板定长剪切系统的研究和设计D.沈阳：沈阳理工大学，2008.5 杨晓玲.回转飞剪的性能研究D.沈阳：沈阳理工大学，2007.6 刘晓磊.离心式飞剪机的运动学仿真和动力学分析D.沈阳：东北大学，2009.7 房树锋.曲柄式飞剪设计及其剪切过程的有限元仿真D.上海：上海交通大学，2007.8Alfredo，PoloniVery high speed flying shearsP.United States Patent：4966060。10-30-1990.9Poloni，AlfredoHighspeed flying shears and method employing this flying shears toshear the leading and trailing ends of a rolled barP.European Patent：0655291A1，10-3l-1994.10Alfredo，PoloniHighspeed flying shears and method employing this flying shears toshear the leading and trailing ends of a rolled barP.United States Patent：6-6-2000.11 刘海昌.新型板带飞剪机的设计J.机械设计与制造，2007，第9期：123-124.12 刘海昌等.飞剪的发展与思考J.机械设计与制造，2007，第6期：208-209.13 王海峰.飞剪优化剪切系统的研究D.沈阳：东北大学，2009.14 杨咸启，师忠秀飞剪机中连杆机构运动与动力学误差分析J扬州大学学报2004,Vol.71No.2:4852.15 王海儒，裴如妍，李波.双偏心摆式飞剪机运动学及动力学分析J.太原科技大学学报.2006, Vol.27No.2:97101.16Wang,J.-Y., Chen,M.-L., and Shih,C.-L. Generalized predictive control in flying shear equipmentJ ,Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics,2007,Vol.11.No.9:11441148.17 Matsuoka Hiroshi, Unoki Kenichi, Hashimoto Ritsuo. Drum type flying shearP,JP05345216,12-27-1993.8二、研究内容（说明课题的具体研究内容、独创及新颖之处、重点解决的问题、预期的研究成果）本课题的研究内容分为以下几部分：1.滚筒式飞剪机剪切机构尺度综合及优化设计研究利用现有的剪切理论对滚筒直径，偏心距等参数进行选择、计算及优化，对滚筒式飞剪机的螺旋剪刃的螺旋线进行优化设计研究。2.滚筒式飞剪机剪切机构机构学（运动学、动力学）研究主要对剪切机的剪切位置、剪切速度、加速度、转动惯量等参数进行研究。3.剪切力能参数及传动系统优化设计研究利用现有的剪切理论对飞剪机的参数进行选择、计算及优化，对传动系统的类型进行选择和分析，选择合适的电机功率等。4.对滚筒式飞剪机定尺剪切控制策略及模型进行研究。5.建立实用性强，界面友好的滚筒式飞剪机设计软件。独创及新颖之处：目前从事飞剪专项研究的机构较少，飞剪的结构、调整及控制比一般剪切机要复杂，对设计和制造的要求也很高，有关的很多问题急需解决。1. 剪切位置和传动系统功率最小的目标综合；2. 编制机构尺度、机构运动学及动力学分析和剪切力能参数计算于一体的工程化设计软件，为滚筒式飞剪机设计提供理论依据。重点解决的问题：滚筒式飞剪机剪切机构的设计和剪切力能参数的优化。预期的研究成果：1.编制滚筒式飞剪机设计软件；2.发表论文2至3篇（中文核心以上）；3.争取申报专利一项；4.进行1780mm飞剪机初步设计，完成滚筒式飞剪机的资料储备；5.完成硕士学位论文一篇。三、研究进展计划（包括论文的起止时间、各阶段具体内容，研究方法、技术方案、实验方法和步骤及其可行性、可能出现的技术问题及解决方法）进展计划表：本课题的研究主要在2010年9月到2012年5月之间进行，其主要工作分为四个阶段进行：2010.92011.3 收集相关资料、论文调研、阅读相关文献。2011.32011.4 撰写开题报告、论文开题2011.42011.6 利用手头现有的资料进行滚筒式飞剪机剪切机构尺度综合及优化设计研究，主要对滚筒直径，偏心距等参数进行选择、计算及优化，对滚筒式飞剪机的螺旋剪刃的螺旋线进行优化设计研究。2011.72011.9 滚筒式飞剪机剪切机构机构学（运动学、动力学）研究，主要对剪切机的剪切位置、剪切速度、加速度、转动惯量等参数进行研究。2011.102011.12 剪切力能参数及传动系统优化设计研究，利用现有的剪切理论对飞剪机的参数进行选择、计算及优化，对传动系统的类型进行选择和分析，选择合适的电机功率等；对滚筒式飞剪机定尺剪切控制策略及模型进行研究；中期检查。2012.12012.3 编制机构尺度、机构运动学及动力学分析和剪切力能参数计算于一体的工程化设计软件。2011.32012.4 撰写和修改论文、论文打印、封装、准备答辩。2012.5 正式答辩。研究方法、技术方案：对剪切机构的相关参数进行选择、计算和优化，建立实际剪切模型并进行简化，应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对剪切变形状态进行模拟；在模型上先选取带剪刃的两个转鼓和钢板进行建模分析，然后逐步完善模型，使其尽量与实际模型吻合。实验方法和步骤及其可行性： 以科大重工为依托，联系所研究飞剪的应用厂家进行试验，得到相关实验数据。可能出现的技术问题及解决方法：分析结果可能与试验所测数据不相符合，为此，在试验数据测得后需要适当修改 模型重新进行计算。四、现有条件（包括已经做过的有关研究工作、本单位或外单位可供使用的仪器设备和实验条件、已经获得或获得的经费）已经做过的有关研究工作：本单位或外单位可供使用的仪器设备和实验条件：计算机一台，三维建模软件Por/E，有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA。尽管目前关于飞剪的专著和从事专项研究的很少。但我校重型机械教育部工程研究中心在剪切机研究方面已取得丰硕成果，拥有自主知识产权的单轴双偏心滚切剪及液压滚切剪已在国内中板厂投产，且使用效果非常好。这将对我在该项目研究过程中理论方面得到很好的补充。 指导教师评语： 导师签名： 年 月 日考核小组审查意见：学科负责人： 年 月 日