[摘 要]液压剪是连铸机的关键设备之一，直接影响连铸机生产能力的发挥。本文设计一种5000KN液压剪，该机采用直，筒形机架结构、箱式机架，刃口偏移中心，刀台活动联结；具有滑道受力合理、结构紧凑、强度和刚度好、操作方便、工作平稳可靠等特点。
　　[关键词]液压剪；直筒形机架；锥形液压锁
　　中图分类号：TG313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-006-02
　　1 概述
　　概述液压剪是在分析国内液压剪存在的问题和对国内外各种类型液压剪进行消化吸收，加以改进后研制而成的。原四立柱机架液压剪损坏部位都在油缸下部靠近缸底处。活塞表面有弧长约10～20cm，高度约10cm，深度0.3～0.5cm的破损伤痕，碎片嵌入油缸壁，互相咬在一起，使缸壁拉毛，活塞杆不能升降，而被迫停产。油缸出口的铜导套上有高度约5～10cm，一弧长约10cm的挤压凹塘，密封单边磨损，造成大量渗油，主要原因是剪切时对刀片的水平侧推力造成的。剪切力分布见图1。
　　图1 剪切力分布
　　当剪刃与铸坯接触后，剪切力开始随着刀刃的压入深度增加而增大，直到和铸坯的压入变形阻力相等时，铸坯开始产生剪切滑移，剪切力又随着剪切断面的不断缩小而逐渐变小。刀厚为b，剪切合力P不可能作用在同一平面内，上下剪刃对铸坯形成一力偶P·a。欲使铸坯转动，但又将遇到剪刃侧面的阻挡，上下侧推力T又构成另一力偶T·c，随着刀片的逐渐切入铸坯角度不断增大，当达到一定角度γ后便停止转动。此时两个力矩平衡，即P·a=T·c，T=P·a/c对下刀片来说受到一个和铸坯前进相同方向的水平力T，迫使剪切缸活塞杆产生倾斜趋势，机架弹性变形，活塞杆上下两个固定端便产生一个反力矩来平衡上述力矩，因而造成”咬缸“。新设计的液压剪选型就有针对性地选择强度高、刚性好的直筒型机架，强大的剪切力和水平分力靠机架内力平衡，并从结构上尽量减少产生的水平侧推力，延长设备使用寿命。
　　2 工作原理和性能参数
　　该液压剪为水平移动下切式，剪切主油缸在剪机本体下部，下刀台与主油缸活塞杆相联结。上下刀片安装在由两个框架合并而成的筒型机架空间内，整个机架再由压紧油缸挂在装有四个轮子的箱式车架上，当铸坯触及定尺信号时，压紧缸立即下降压紧铸坯，带动剪机连同铸坯同步在水平轨道上移动，同时下刀台在剪切油缸推动下向上运动剪断铸坯，剪下的铸坯由输出辊道送去冷床堆垛，剪机的复位由横移油缸完成。每台剪机有一套完整、独立的液压传动系统，采用旋转接头、高压软管与油缸联结。液压剪的液压传动属于高压大流量，由两台高压变量柱塞泵和一台中压叶片泵组合供油，控制系统采用组合性能强、体积小、重量轻的专用插装阀和滑阀集成系统，剪切机工作平稳、可靠，剪切速度高。
　　一机四流连铸机，设四台液压剪，每台都有独立的液压传动系统，整个剪切过程既可按程序控制，也可作手动操作。
　　性能参数如下：
　　剪切力5000kN
　　压紧力650kN
　　剪刃宽度340mm
　　剪切钢种普碳钢、低合金钢
　　最大铸坯尺寸16ox274mm
　　剪切温度大于750C
　　剪切次数2次/min
　　剪刃开口度260mm
　　工作压力21MPa
　　3 结构分析
　　1）机架是液压剪的关键部件，为了提高它的强度和刚度，采用直筒型结构（见图3）剪切力完全由机架内应力来平衡。为保证绝对可靠，除了对它作强度分析计算外还对它作了三维光弹性应力分析试验，证实所有部位的应力均小于安全应力。
　　2）为了减小铸坯对剪刃的侧推力利于刀刃的压力，采用带倾角的下刀刃。上刀刃是矩形的，四个刃口轮番使用，不断修磨，节约贵重金属，提高刀片寿命。
　　3）设置压紧油缸，剪切时把铸坯紧紧压在下刀台上，使剪机和铸坯同步，定尺准确，防止铸坯翘头。
　　4）设置下刀台运动的导向滑道，在下刀台受到水平推力丫的作用时，不产生倾斜，迫使剪切油缸活塞杆只作垂直方向上下运动，保护油缸密封圈、活塞、铜套不受挤压损伤。通过滑道将水平力直接传到机架上。
　　5）旧剪切缸活塞和油缸材质均为钢质，致使两者相挤破裂，形成咬缸，现在活塞上加铜套，套环、密封圈、导套均选择合理结构和材质，以改善受力状况。
　　6）剪切刃口偏移剪切油缸中心线一定距离e，剪切时产生的力矩，平衡大部分剪切水平推力所引起的倾反力矩从而减少机架滑道磨损，延长寿命。
　　7）剪切油缸活塞杆和下刀台之间采用活动铰链联结，使下刀台可靠地沿着滑道上下运动。
　　8）为防止铸坯辐射热损坏行程开关引起误动作，设计了专用低电压发讯装置使剪切连铸坯的控制程序顺利进行。
　　9）在剪机工作中，一套专门设计的转动灵活的高压旋转接头，使高压软管始终自由悬挂不扭曲。
　　4 液压系统特点
　　1）剪切、压紧缸采用专用插装阀集成控制系统，不同的控制盖板元件构成不同的工作机能，以缓解能量的急剧释放和流速急剧变化引起的冲击，此控制系统体积小、重量轻、压降小，维修使用方便。
　　2）为了剪切工作安全可靠，在压紧缸控制上首次选用先进的锥形液压锁，利用剪体自重产生背压，严密关闭系统，使笨重的剪体能稳妥停在任意高度位置上。
　　3）采用中压定量泵和高压变量泵相结合的供油系统，使其兼具了两种泵的优点既提高了剪切效率，又消除了瞬时流量过大引起的冲击，达到工作平稳。
　　4）采用回油谈滤系统，对主机工作无干扰，直接滤清从执行元件带回的介质污垢，并附有杂质堵塞报警装置，以保证系统工作正常。
　　5）浇注铸坯的高温辐射和高压大流量工况，将使油温急剧上升，系统采用高效、大容量的冷却器，把油温控制在需要范围内。 　　6）油箱内装浮球式液位控制器，在高低油位实行自动报警。
　　7）为避免铸坯过冷、翘头和弯曲等引起剪切事故，装有过载保护措施。
　　8）改进横移缸控制，既保证剪切机和铸坯拉矫同速前进，又防止误操作引起“顶坯”。
　　5 设计计算
　　剪切机工作时，受力分析是复杂的，本文只对剪切行程、压力计算、强度校核、液压油泵以及电动机功率选择作一介绍。
　　5.1 剪切行程
　　HP=H1+S+r
　　式中H1—辊道上平面至上刀座下平面的距离，H1=h十（50～75）mm；
　　H—铸坯截面最大高度，160mm；
　　S—上下剪刃的重叠量，20mm；
　　R—辊道上平面高出下剪刃的高度，10mm；
　　让翘头铸坯通过所留余量，取60mm，则：
　　HP=160+60+20+10=250mm
　　为防止剪切油缸受冲击，便于行程开关安装，油缸行程定为270mm。
　　5.2 强度校核
　　剪切油缸圆筒体除受轴向拉应力σz外，尚有内压力P引起的径向压应力σr（内壁最大，向外逐渐减小，到外壁时为零）和切向拉应力σt（内壁最大，向外逐渐减小）三向应力状态。
　　根据第四强度理论，求得缸内壁的合成当量应力为：，
　　式中，r1—油缸内半径（28cm）；
　　r2—油缸外半径（38cm）；
　　P—油缸内油的压力（21MPa）。
　　σ=795N/cm2，油缸材料是45号锻钢，σs=36N/mm2，安全系数取2.5，那么[σ]=3600/2.5=1440N/cm2。
　　则σ=759N/cm2<1440N/cm2
　　5.3 工作压力
　　根据剪切缸产生的名义剪切力5000kN（500吨）及结构需要，选定的内径D1=56cm，按下式确定系统压力：，圆整取21MPa。
　　5.4 油泵流量选择
　　本剪工作频率是2次/min，则每次的剪切周期最多为30s，去除剪切小车在轨道两端停靠时间，周期只能限制在20s内，根据拉矫速度各油缸程序动作安排，剪切时间为8.5s。
　　式中：Dl—油缸内径（56cm）；L—油缸行程（25cm）；t—工作时间（8.5s）
　　本设计优先选用曾获国家银质奖的机械工业部启东高压油泵厂生产的额定流量250l/min的高性能轴向柱塞泵两台。
　　5.5 油泵传动功率
　　式中：P—油泵工作压力（21MPa）；Q泵—油泵最大额定流量（250l/min）；
　　η一效率（0.9）
　　N=194.4kw
　　在剪切周期30s内，剪切动作仅占了7～8.5s。现使剪切缸和压紧缸联合工作，电动机功率曲线如图5所示。据此本系统决定选用两台型号Y160L—6交流电动机，N额=90kw，n额=970r/min，分组传动两台轴向柱塞泵。
　　图5 电动机功率曲线
　　6 结束语
　　实践证明，该剪机结构紧凑，受力合理，强度和刚度好，液压系统控制操
　　作方便，工作平稳可靠，大大提高了连铸机作业率和金属收得率，经济效益十分显著。通过实践发现，还有下列几点有待进一步改进提高。
　　1）刀片刃口“堆焊”高热合金钢研究，不但可节省大量贵重材质，并可大大延长刀片寿命，减轻劳动强度，提高劳动生产率。
　　2）进一步改进管路铺设，，杜绝漏油。