大型液压同步宽门幅龙门剪的设计

２０１５年１０月第４３卷第２０期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＯｃｔ􀆰２０１５Ｖｏｌ􀆰４３Ｎｏ􀆰２０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１５􀆰２０􀆰０４２收稿日期：２０１４－０８－２６基金项目：江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养基金资助项目（２０１４（２３号））；江苏省科技支撑计划（工业部分）资助项目（ＢＥ２０１３０６０）；江阴市三项费科技支撑计划（工业支撑）资助项目（２０１４（２４））作者简介：许洪龙（１９７５—），男，硕士，副教授，研究方向为机械设计、ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｙａｔｃ＠１６３􀆰ｃｏｍ。大型液压同步宽门幅龙门剪的设计许洪龙１，２（１􀆰江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴２１４４０５；２􀆰江苏华宏科技股份有限公司，江苏江阴２１４４２３）摘要：在分析龙门剪剪切油缸作用力的基础上，提出将龙门剪的两剪切油缸串联以实现液压同步，并设计液压同步龙门剪的关键部位。通过验证发现：液压同步结构改善了龙门剪的剪切力学性能，实现了剪切过程中两个剪切油缸剪切力随载荷需要而调整的功能。关键词：受力分析；龙门剪；液压同步；机械设计中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＨ１３７　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１５）２０－１２３－５ＤｅｓｉｇｎｏｆＬａｒｇｅａｎｄＷｉｄｅＬｏｎｇｍｅｎＳｈｅａｒｏｆＨｅａｖｙＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＸＵＨｏｎｇｌｏｎｇ１，２（１􀆰ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＪｉａｎｇｙｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，ＪｉａｎｇｙｉｎＪｉａｎｇｓｕ２１４４０５，Ｃｈｉｎａ；２􀆰ＪｉａｎｇｓｕＨｕａｈｏｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｔｏｃｋＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＪｉａｎｇｙｉｎＪｉａｎｇｓｕ２１４４２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏｎｇｍｅｎｓｈｅａｒｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｗｏｓｈｅａｒｃｙｌｉｎｄｅｒｓｏｆＬｏｎｇｍｅｎｓｈｅａｒｗｅｒｅｍａｄｅｔｏｓｅｒｉｅｓ，ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｓｏｆｔｈｅＬｏｎｇｍｅｎｓｈｅａｒｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬｏｎｇｍｅｎｓｈｅａｒａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｔｗｏｓｈｅａｒｃｙｌｉｎｄｅｒｓｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌｏａｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ；Ｌｏｎｇｍｅｎｓｈｅａｒ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ　　随着金属固体废弃物再利用处理量的日益增多，龙门剪断机（简称龙门剪）的需求量也在同步加大［１］。目前国内外的龙门剪剪切压力主要以４、５、６􀆰３、８、１０、１２􀆰５ＭＮ为主。剪切压力在６􀆰３ＭＮ以上的龙门剪，目前国内剪切宽度（门幅）一般不超过２ｍ，这对一些宽度超过２ｍ的废旧材料剪切带来了不便，如废旧船板、报废汽车壳体等。开发一种大剪切力宽门幅的龙门剪显得尤其重要［２］。剪切油缸是龙门剪的动力装置，其数量会根据门幅不同而采用１个或２个不等，对于剪切力较大且门幅在２ｍ以上的宽门幅龙门剪，一般均采用２个油缸。根据市场调研和资料查新发现，目前国内外的宽门幅龙门剪，其动力方式均为机械同步，即剪切油缸进油管路采用并联连接。该方式的特点是剪切刀口各处的剪切力均等，不能实现剪切力随载荷变化而同步变化的要求，同时存在能量损耗高、不能集中全力对需要剪切处进行剪切的问题。基于上述要求，开发一种液压同步龙门剪，以实现剪切载荷随剪切对象需要而同步变化的功能，既可以保证剪切效果，又可以节约剪切能耗，意义十分广泛［３－４］。下面就龙门剪剪切刀座、串联油路中２个油缸的受力分析、油路保护、关键部件设计结合实例进行简单阐述，并对设备进行剪切试验。１　理论分析１􀆰１　剪切刀座受力分析一般在用到２个液压缸同时作为剪切动力时，采用的液压管路连接方法均为如图１所示的油路并联。该结构在工作时，剪切油缸１与剪切油缸２的作用力始终相同，剪切刀座底部刀片上各处力均为相等，不利于力量集中［５］。图１　传统并联式结构在废钢剪切过程中，通过实际工况分析发现，由于剪切对象的被剪位置不同，其需要的剪切力也会因位置不同而不同。如图２所示，剪切油缸１的有杆腔与另一个剪切缸的无杆腔串联，在实际工作时，其结构尺寸和示意图如图３所示。以剪切刀座为研究对象，如图４所示，设被剪对象对剪切刀座的反作用力为Ｆ０，两油缸中心距为Ｌ，大油缸中心到作用力Ｆ０的距离为Ｌ１，小油缸中心到作用力Ｆ０的距离为Ｌ２，则有Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２。　　　图２　串联结构样　　　　　　　　　　图３　串联结构相关尺寸　　　　　　　图４　剪切刀座受力分析　　设大剪切油缸对剪切刀座的压力为Ｆ１，小剪切油缸对剪切刀座的压力为Ｆ２，以剪切刀座为研究对象，根据力矩平衡，得方程如下：Ｆ１×Ｌ１＝Ｆ２×Ｌ２（１）Ｆ１＋Ｆ２＝Ｆ０（２）由式（１）、（２）及Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２求得：Ｆ１＝Ｆ０×Ｌ２Ｌ（３）Ｆ２＝Ｆ０×Ｌ１Ｌ（４）由式（３）、（４）可以发现：（１）当Ｌ１为０时，Ｆ１＝Ｆ０，Ｆ２＝０，即理论上小剪切油缸处作用力为０。（２）当Ｌ１为Ｌ时，Ｆ２＝Ｆ０，Ｆ１＝０，即理论上大剪切油缸处作用力为０。（３）当Ｌ１＜０时，由于Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２，故Ｌ２＞Ｌ，所以Ｆ１＞Ｆ０，Ｆ２＜０，即理论上大剪切油缸处作用力比实际需要的理论剪切力大，而小剪切缸对剪切刀座有回拉作用。（４）当Ｌ１＞Ｌ时，由于Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２，故Ｌ２数值小于０，所以Ｆ２＞Ｆ０，Ｆ１＜０，即理论上小剪切油缸处作用力比实际需要的理论剪切力大，而大剪切缸对剪切刀座有回拉作用。由此可见，在对废旧金属进行剪切时，最合理的剪切范围应该是在如图４所示的Ｆ１～Ｆ２之间。如采用进油口并联式结构，则每个剪切油缸的剪切力无法动态按载荷需要实现调节，用串联式连接结构，则巧妙实现了这一功能。１􀆰２　剪切油缸受力分析如图４所示，假设被剪对象在图中位置，由前述计算可得：Ｆ１＝Ｆ０×Ｌ２Ｌ，Ｆ２＝Ｆ０×Ｌ１Ｌ，其中Ｆ１与Ｆ２分别是大剪切油缸和小剪切油缸对刀座的压力。由于刀座对油缸的作用力与油压力为作用力与反作用力，故可以得到２个油缸工作时的力学模型，受力分析如图５所示。图中ｐ０为系统压力，ｐ１为大剪切油缸有杆腔的液压油压力，ｐ２为小剪切油缸有杆腔的液压油图５　大小剪切油缸受力分析压力，Ａ０为大剪切油缸的活塞面积，Ａ１为大剪切油缸有杆腔的有效受力面积，Ａ２为小剪切油缸的活塞面积，Ａ３为小剪切油缸有杆腔的有效受力面积。分别以大小剪切油缸为研究对象，可得：大剪切油缸：Ａ０×ｐ０－Ａ１×ｐ１＝Ｆ１（５）小剪切油缸：Ａ２×ｐ１－Ａ３×ｐ２＝Ｆ２（６）根据前述判断，令Ａ０×ｐ０＝Ｆ，Ａ０＝２×Ａ１，Ａ１＝Ａ２可以得到如表１所示的关系。表１　Ｆ、Ｆ１、Ｆ２的关系　　　大剪切油缸　　　　　　小剪切油缸　　　Ｆ与Ｆ１关系对剪切刀座的作用力Ｆ与Ｆ２关系对剪切刀座的压力Ｆ＝Ｆ１压力Ｆ＝Ｆ２压力（ｐ１＝２ｐ０）Ｆ＞Ｆ１压力Ｆ＞Ｆ２压力Ｆ＜Ｆ１拉力Ｆ＜Ｆ２拉力　　由表１可以发现：大小油缸在串联后，油缸对剪切刀座的作用力可能为压力，也可能为拉力。１􀆰３　油路压力保护设置设计时，设系统压力ｐ０＝２５ＭＰａ，根据大剪切油缸的有杆腔和无杆腔的面积比，可发现油压ｐ１最大可能达到５０ＭＰａ，这对油缸设计与制作、油管壁厚·４２１·机床与液压第４３卷等要求显著加大，所以在油路设计时必须考虑优化。常规油管的最大压力一般为３１􀆰５ＭＰａ，如在大剪切油缸的有杆腔和小剪切油缸的无杆腔之间的油路上增加压力保护，使其压力定为２５ＭＰａ，与系统压力相同，这样可使本来为高压的两个剪切油缸改为了普通油缸，大大节约了成本。在串联处进行压力保护时，两个剪切油缸在工作时的工作状况也会发生相应的变化，分析如下：（１）当Ｌ１为０时，Ｆ１＝Ｆ０，Ｆ２＝０，即理论上小剪切油缸处作用力为０；（２）当Ｌ１为０􀆰５Ｌ时，Ｆ２＝０􀆰５Ｆ０，Ｆ１＝０􀆰５Ｆ０，即理论上两个剪切油缸处作用力相等；（３）当Ｌ１＜０（被剪对象在Ｆ１力作用线的左侧）时，由于Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２，故Ｌ２＞Ｌ，所以Ｆ１＞Ｆ０，Ｆ２＜０，即理论上大剪切油缸处作用力比实际需要的理论剪切力大，而小剪切缸处于被拉状态。（４）当Ｌ１＞Ｌ时，由于Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２，故Ｌ２数值上小于０，所以Ｆ２＞Ｆ０，Ｆ１＜０，即理论上小剪切油缸处作用力比实际需要的理论剪切力大，而大剪切缸处于被拉状态。由此可见，在对废旧金属进行剪切时，最合理的剪切范围仍然是在如图４所示的Ｆ１～Ｆ２之间。但当载荷分布在Ｆ１～Ｆ２之间时，尤其是靠近Ｆ２时，２个油缸都有受力，且合力随着载荷需要位置而变化。由此可知在设计该类装备时，尽可能把２个剪切油缸的中心距拉开，这样才能充分发挥油缸油路串联的特点。２　工程实例下面以剪切力为１０ＭＮ、龙门宽度为３ｍ为例，采用大剪切缸有杆腔和小剪切油缸无杆腔油管串联方式，对该大型龙门剪进行计算与设计。２􀆰１　剪切油缸主要参数计算设大剪切油缸无杆腔活塞直径为ｄ０，则面积Ａ０＝πｄ２０４；大剪切油缸有杆腔活塞杆的直径为ｄ１，则其有效受力面积Ａ１＝π（ｄ２０－ｄ２１）４；小剪切油缸的活塞杆直径为ｄ２，面积Ａ２＝πｄ２２４；小剪切油缸有杆腔活塞杆的直径为ｄ３，其有效受力面积Ａ３＝π（ｄ２２－ｄ２３）４。因剪切力为１０ＭＮ，即Ｆ＝１０７Ｎ。由系统压力ｐ０＝２５ＭＰａ，Ａ０＝２×Ａ１，Ａ１＝Ａ２，计算得：ｄ０＝７１３􀆰６ｍｍ，ｄ１＝５０４􀆰６３ｍｍ，ｄ２＝５０４􀆰６３ｍｍ。结合密封件的国家标准，对上述数值进行调整，得到ｄ′０＝７２０ｍｍ，ｄ′１＝５１０ｍｍ，ｄ′２＝５１０ｍｍ，考虑系统回油速度，取ｄ３＝４００ｍｍ。两个油缸的壁厚根据系统压力为２５ＭＰａ时进行计算。根据油缸外形尺寸要求及龙门架结构布置，两个剪切油缸的中心距定为２４００ｍｍ。根据客户需求，刀片剪切角度为４°。２􀆰２　剪切油缸速率差计算按理，大剪切油缸的有杆腔有效面积与小剪切油缸的无杆腔活塞面积应该完全相同，但在选取直径时必然会有差异，故而会导致大剪切油缸与小剪切油缸向下运行速度不同，其差率根据行程长短不同一般控制在１％以内，该速率差将对后续剪切刀座的翻转角度及外形尺寸设计有直接指导作用［６］。速率差计算公式如式（７）所示：Δ＝（ｄ′２０－ｄ′２１）－ｄ′２２ｄ′２２×１００％（７）将值代入式（７）得：Δ＝－０􀆰６９２％。速率差为负值说明大剪切油缸的有杆腔有效面积比小剪切油缸的无杆腔小，在不考虑介质的压缩和泄漏情况下，由于工作介质的流量相同，故而在剪切过程中大剪切油缸下行的速度比小剪切油缸下行的速度快，其大小０􀆰６９２％＜１％，符合设计要求。２􀆰３　龙门剪结构设计关键在实际剪切时，由于小剪切缸的下行速度慢，故而在工作时，剪切刃的角度会随着剪切下行而逐渐变大，这对废钢剪切必然有利，这一特性也是油缸并联方式无法取代的。在设计剪切刀座两侧导向和大小油缸与剪切刀座的连接方式时，必须考虑其转动自由度的释放与两侧侧隙，以保证不出现卡死现象［７－８］。根据实际尺寸计算进行设计，得到１０ＭＮ、３ｍ跨度龙门剪的总装示意图如图６所示。图６　龙门剪示意图·５２１·第２０期许洪龙：大型液压同步宽门幅龙门剪的设计　　　２􀆰３􀆰１　剪切刀座与剪切油缸的连接油缸通过圆法兰固定在龙门架顶上，因为剪切刀座在工作时与油缸会有相对转动，虽然角度不大，但必须给油缸头部与剪切刀座连接结构处的旋转释放出一部分空间。如图７所示，小剪切油缸１与大剪切油缸２固定在龙门架顶面上，大小油缸的活塞杆头部做成小球头结构