CN102063531A - 一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金热轧工艺技术领域，具体披露了一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法，包括：剪刃的空间轨迹曲线的计算；剪刃的理论坐标值的计算；剪切角计算；电机的输出转速的折算等步骤，最后根据热轧剪切工艺要求，剪切前后电机输出转速的相对差值不应大于25％，不应小于10％，作为系统验算中选择电机及转速的一个判断准则，在规定的型钢断面高度的设计范围内，当达到电机转速的设计判断准则后，可得到认为此时设计的型钢断面高度满足设计要求，依次记录这些设计值，即可得到飞剪剪切型钢断面高度序列。本发明可作为飞剪机曲柄连杆机构设计的一个有益的设计补充，具有良好通用性、适应性、速度快和计算精度高等优点。

Description

一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法

技术领域

本发明涉及冶金热轧工艺技术领域，尤其涉及一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法。

背景技术

飞剪机是轧钢生产线上重要的设备之一，布置在精轧机组前，用于型钢热轧时，对轧材头尾进行切断、碎断，并具备分段功能，为进一步轧制做好准备，其工作性能的好坏直接影响到轧制线的生产效率和产品切口质量。随着连续式轧机的发展，飞剪机得到了越来越广泛的应用。

飞剪在剪切轧件头部的过程中，为避免轧件出现堵钢或轧件被拉伸变形等事故，热轧工艺要求剪刃水平速度与轧件速度不能相差太大。开始剪切时，剪刃的水平速度大约为轧件水平速度的1.03倍左右(经验值)，剪切结束后，剪刃的水平速度相对开始时有所下降，但也不能与轧件水平速度相差太远，为保证这一点，飞剪机的剪切角(剪刃开始剪切至剪刃剪断型钢时曲柄转过的相对角度)一般不宜过大，过大可能会使开始剪切和剪切接束后剪刃的水平速度差较大，不符合工艺的剪切要求。由于起停式飞剪对于电机及其过载系数要求相当严格，在规定的起动角、加速时间及剪切周期内，飞剪必须完成相应的动作。因而在对电机进行转角核算时，剪切角有明确的范围规定。

实际工程设计中，设计人员一般会大致估算一下系统的动能然后着手选择电机参数及型式，往往忽视了对剪刃剪切角及型钢断面的核算。因而可能会导致所选电机功率过大或是无法达到工艺对剪切过程的工艺和控制要求。另外，由于在核算过程中，往往只会按经验对其中某一规格进行核算，缺少系统的设计校验方法与设计手段，不便于产品的序列化设计。就目前的工程实际设计来看，往往会让电机远大于实际需要，无形中增加了项目运行的成本，不利于经济化设计。因此，使用一套合理的设计方法完成热轧飞剪剪切型钢断面高度序列设计十分必要，它可以很好地解决工程实际中技术人员的不经济设计失误造成的太多浪费。同时，也使技术人员增加了对热轧飞剪剪切工艺设计的理解，提高了自身的设计水平。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法，通过对剪刃空间轨迹的精确求解，根据热轧剪切工艺要求，利用循环迭代的数值方法设计剪切型钢断面高度序列，旨在给出一套热轧飞剪机剪切型钢断面高度序列的工艺设计方法，使热轧飞剪工艺设计更加完善和便捷。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、设飞剪机上剪刃组成的简化后的零件包括：曲柄OC、摇杆AB及连杆BCD；其中连杆BCD由连杆BC和连杆CD焊接而成，上剪刃通过刃座与连杆CD连为一体，D点为剪刃顶点，其运行轨迹可视为剪刃空间运动轨迹的代表；曲柄OC通过电机驱动绕其回转中心O作周期性的周转运动，并通过铰接副带动连杆BCD及上剪刃沿既定的轨迹运动；连杆BCD的一端B通过铰接副与摇杆AB连在一起，摇杆AB绕A点作一定范围的运动；以OA连线为横坐标轴建立坐标系mon，以水平方向为横坐标轴建立坐标系xoy，连杆BC和连杆CD的夹角为φ₃，OA连线与x轴的夹角为φ₅；

输入相关参数：O点与A点连线的长度，A点与C点连线的长度，摇杆AB的长度、连杆BC的长度、连杆CD的长度，曲柄OC的长度、夹角φ₃和φ₅；

步骤2、在坐标系mon中，设曲柄OC的转角为Φ，即曲柄OC从OA连线开始逆时针转动的角度，由三角公式和正弦定理、余弦定理通过推导得到如下计算公式：

再通过坐标转换，可以得到如下计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_D=m_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\\ y_D=-m_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\end{array}\right.---\left(2\right),$

上述计算公式(1)和(2)中：n_C是C点在坐标系mon中的纵坐标值；m_C是C点在坐标系mon中的横坐标值；n_B是B点在坐标系mon中的纵坐标值；m_B是B点在坐标系mon中的横坐标值；n_D是D点在坐标系mon中的纵坐标值；m_D是D点在坐标系mon中的横坐标值；x_D是D点在坐标系xoy中的纵坐标值；y_D是D点在坐标系xoy中的横坐标值；OA是O点与A点连线的长度；AC是A点与C点连线的长度；AB是摇杆AB的长度；BC是连杆BC的长度；CD是连杆CD的长度；OC是曲柄OC的长度；AC连线与摇杆AB的夹角为φ₁；OA连线与AC连线的夹角为φ₂；连杆BC与m轴的夹角为φ₄；

在坐标系mon中，从Φ为0°时开始计算，即从om方向开始，以角度增量Δθ作为循环迭代的步长，按照计算公式(1)则可以求出D点在坐标系mon中的m_D和n_D，即得到上剪刃在坐标系mon中的各角度节点对应的坐标值，将其组成一个2维矩阵；按计算公式(2)，利用矩阵乘法，可以得到上剪刃在坐标系xoy中的各角度节点对应的坐标值，将各点按角度从0°到360°排列，依次将各角度对应的坐标值用直线连接起来，即可得到上剪刃在坐标系xoy中的空间轨迹曲线；

步骤3、在坐标系xoy中，当剪刃开始剪切和结束剪切时，剪刃P1(即步骤1中的D点)的理论y坐标值可以分别通过计算公式(3)得到：

计算公式(3)中：y_P1是剪刃P1点在y正方向的理论值，H1是曲柄OC的长度，H2是剪刃P1最高位时与曲柄的距离，即是连杆CD的长度，s是剪刃设计重合度，H是型钢轧件断面高度，c是开始剪切时剪刃与型钢轧件的距离，可以取值为0，E是达到相对剪切深度的型材还余下未断的断面相对高度值，其值为1减去相对剪切深度值；

步骤4、剪切角计算：在坐标系xoy中，设剪刃开始剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₁，结束剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₂，将式(3)作为反求开始剪切角α₁的一个中间比较变量，将计算公式(4)作为反求开始剪切角α₁迭代计算的收敛条件：

$\left|\frac{y_D-y_{P1}}{y_{P1}}\right|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right),$

计算公式(4)中：y_D是P1点在坐标系xoy中通过步骤2的轨迹方程求解得到的横坐标值，ε是收敛允差；

设定坯料的速度方向沿左向右，飞剪机逆时针旋转，则当剪刃的x方向的位移在坐标原点的右方可以满足要求，即飞剪机剪切角求解的附加约束条件为：

x_P1＜0  (5)，

再次以以曲柄转角Φ为迭代对象，用计算公式(4)和计算公式(5)作为循环迭代的收敛条件，从而反求出飞剪开始剪切角α₁；

同理，反求出飞剪结束剪切角α₂；

步骤5、在根据步骤4计算得到开始剪切角α₁和结束剪切角α₂后，分别按计算公式(6)和计算公式(7)求解曲柄的转速：

$n_1=\frac{60V_x}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_1}---\left(6\right),$

$n_2=\frac{60V_0}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_2}---\left(7\right),$

计算公式(6)和计算公式(7)中：n₁是剪刃开始剪切转速，V_x是飞剪水平速度，约为1.03倍的轧件速度，α₁是开始剪切角，R是曲柄的回转半径，

H₀是开口度，n₂是剪刃结束剪切转速，V₀是轧件速度，α₂是结束剪切角；

将转速通过飞剪系统传动比折算成电机相应的输出转速，即计算公式(8)：

n′＝n×i    (8)，

计算公式(8)中：n′是各状态下电机相应的转速；i是传动系统总减速比；

根据热轧剪切工艺要求，以计算公式(9)作为系统验算中选择电机及转速的一个判断准则，即剪切前后电机输出转速的相对差值不应大于25％，不应小于10％，因系统减速比可以约去，则可表达为：

$10\%\≤\frac{\mathrm{\Δn}}{n_1}=\frac{n_1-n_2}{n_1}\≤25\%---\left(9\right),$

在规定的型钢断面高度的设计范围内，当达到电机转速的设计判断准则后，可得到认为此时设计的型钢断面高度满足设计要求，依次记录这些设计值，即可得到飞剪剪切型钢断面高度序列。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明可作为飞剪机曲柄连杆机构设计的一个有益的设计补充，能真实地反映飞剪机机构设计的原则，为飞剪的准确控制提供强有力的理论支持；

2)本发明完全摒弃了几何作图带来的种种不确定的局限性，更有利于更好地理解飞剪机的工作特性，具有良好通用性、适应性、速度快和计算精度高等，并可以就此形成相应的计算软件，方便和快捷，值得推广与延伸；

3)本发明可以延用于飞剪机各节点的运行轨迹、各方向速度及角速度的求解。

4)本发明可以较好地实现热轧飞剪剪切型钢断面高度序列化设计，具有良好的可操作性及程序化性。能提高工程人员的设计效率，增加了对热轧飞剪剪切工艺设计的理解；

5)本发明同样可以作为热轧飞剪电机选型及校核的强有力的工具，在已知断面规格的情况下反推出电机各项参数和剪切角等参数，具有良好的设计使用灵活性，也可以适用于飞剪设计的相关方面，如反推出的剪切角计算电机的一个剪切行程的转角等，都具有良好的参考性。

附图说明

图1是现有技术中飞剪上剪刃运动机械原理示意图。

图2是本发明中的飞剪剪切角设计求解示意图。

图3a是本发明提供的热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法的主程序流程图。

图3b是本发明提供的热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法的剪切角计算的子程序流程图。

图4是本发明中上剪刃的空间轨迹曲线图。

图5是本发明中飞剪剪切角设计计算得到的曲线图。

具体实施方式

1.飞剪机剪刃空间轨迹所需的参数逻辑表达

飞剪机上剪刃运动机械原图(下剪刃与之关于轧制中心线对称)，如图1所示。

它由连杆OC、杆AB及杆BCD组成：其中杆BCD由杆BC和杆CD焊接而成，上剪刃通过刃座与连杆CD连为一体。曲柄OC通过电机驱动绕其回转中心O作周期性的周转运动。它通过铰接副带动连杆BCD及上剪刃沿既定的轨迹运动。连杆BCD的一端B通过铰接副与摇杆AB连在一起，摇杆AB绕A点作一定范围的运动。开始剪切前，飞剪机的上剪刃会停留在某一个指定的位置，并与水平方向呈一定的夹角。当经过粗轧后的初坯型材进入剪切流程时，电动机驱动曲柄OC进而带动上剪刃开始沿剪刃既定的设计轨迹运动。经过一定的加速及均速运动后，飞剪机上剪刃达到设计的剪切水平速度(理论认为飞剪机剪刃运行水平分速度约为飞剪机剪刃运行水平分速度的＝1.03倍能满足同步剪切要求)。当剪切完成后，由于能量的损失，飞剪机上剪刃的水平速度会有所降低，飞剪机进入制动过程，直至飞剪机上剪刃停在初始停位角的位置，飞剪机一个剪切周期完成，进入下一个剪切周期，如此周而复始，进行启停式剪切。

剪刃的轨迹可以通过运动方程及几何关系进行求解，具体如下：

以OA为坐标系mon的横坐标轴，以水平方向为坐标系xoy的横坐标轴，依次如图1所示建立剪刃轨迹相关坐标系。

在坐标系mon中，由三角公式和正弦定理、余弦定理通过推论导可以得到如下中间计算公式：

通过坐标转换，可以得到如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_D=m_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\\ y_D=-m_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

上述各式中：n_C是C点在坐标系mon中的纵坐标值；m_C是C点在坐标系mon中的横坐标值；n_B是B点在坐标系mon中的纵坐标值；m_B是B点在坐标系mon中的横坐标值；n_D是D点在坐标系mon中的纵坐标值；m_D是D点在坐标系mon中的横坐标值；x_D是D点在坐标系xoy中的纵坐标值；y_D是D点在坐标系xoy中的横坐标值。

给定剪刃重叠度，通过数值描述的方法，通过编制相应的循环迭代程序，可以计算得到上剪刃D的空间运动轨迹曲线。

给定初选的曲柄旋转角度增量，以曲柄旋转一周为计算周期来进行上剪刃的空间轨迹求解。在mon坐标系中，从Φ为0°时开始计算，即从om方向开始，以角度增量Δθ作为循环迭代的步长，按照式(1)及其相关几何公式分别列出各角度节点的计算式，则可以求出D点在坐标系mon中的m_D和n_D，即得到上剪刃在坐标系mon中的各角度节点对应的坐标值，将其组成一个2维矩阵，按式(2)的坐标转换公式，利用矩阵乘法，可以得到上剪刃在坐标系xoy中的各角度节点对应的坐标值，将各点按角度从0°到360°排列，依次将各角度对应的坐标值用直线连接起来，即可得到上剪刃在坐标系xoy中的空间轨迹曲线。

2.飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法的实现

①剪刃开始剪切和完成剪切折算至电机的输出转速

(a)剪切角计算

飞剪剪切角示意图如图2所示。剪刃开始剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₁，结束剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₂。曲柄在电机的带动下沿逆时针方向转动。剪切过程中剪刃需要克服型钢抗剪切作用而要做功，曲柄的转速会有所变化，由角速度与转速的关系可以换算出曲柄实际的转速。

对于开始剪切角α₁可以通过以下方法求得：

根据式(2)求得的剪刃的xoy坐标系中的轨迹坐标，当剪刃开始剪切和结束剪切时，剪刃P1的y坐标值可以分别通过下式(3)得到：

式中：y_P1是P1点在y正方向的理论值；H1是曲柄的长度，即图1中OC的长度；H2是刀刃P1最高位时与曲柄的距离，即图中CD的长度；s是剪刃设计重合度；H是型钢轧件断面高度；c是开始剪切时剪刃与型钢轧件的距离，可以取值为0，E是达到相对剪切深度的型材还余下未断的断面相对高度值，其值为1减去相对剪切深度值。

将式(3)作为反求开始剪切角α₁的一个中间比较变量，以式(4)作为反求开始剪切角α₁迭代计算的收敛条件。

$\left|\frac{y_D-y_{P1}}{y_{P1}}\right|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

式中：y_D是P1点在坐标系xoy中通过轨迹方程求解得到的横坐标值；ε是收敛允差。

由于飞剪机剪刃的运行轨迹是一个封闭的椭圆弧形状，当剪刃P1达到收敛条件时，对应于这一收敛条件的剪刃相应角度有两个。从热轧剪切工艺要求来讲，当飞剪从初始停位处开始转动时，肯定是在第一次接触型钢轧件时就会产生开始剪切角，以此开始剪切角按式(3)和式(4)推导的下一个夹角即为结束剪切角。从这个条件可知得到飞剪开始剪切角和结束剪切角的附加约束条件。由图2，设定坯料的速度方向沿左向右，飞剪机逆时针旋转，则当剪刃的x方向的位移在坐标原点的右方可以满足要求。即飞剪机剪切角求解的附加约束条件为：

x_P1＜0      (5)

给定初始的各种参数，以曲柄转角为迭代对象，按式(1)和式(2)计算得到剪刃P1的轨迹后，再按式(3)计算开始剪切时剪刃所在的y正方向的理论坐标值，再次以以曲柄转角为迭代对象，用式(4)和式(5)作为循环迭代的收敛条件，从而反求出飞剪开始剪切角α₁。

同理，对结束剪切角α₂的反求过程与开始剪切角α₁的反求过程相同。

(b)电机的输出转速的折算

在计算得到开始剪切角α₁和结束剪切角α₂后，分别按式(6)和式(7)求解曲柄的转速。

$n_1=\frac{60V_x}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_1}---\left(6\right)$

$n_2=\frac{60V_0}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_2}---\left(7\right)$

式中：n₁是剪刃开始剪切转速；V_x是飞剪水平速度，约为1.03倍的轧件速度；α₁是开始剪切角；R是曲柄的回转半径，

H₀是开口度；n₂是剪刃结束剪切转速；V₀是轧件速度，α₂是结束剪切角。

将转速通过飞剪系统传动比折算成电机相应的输出转速，即式(8)：

n′＝n×i    (8)

式中：n′是各状态下电机相应的转速；i是传动系统总减速比。

②判断准则

根据热轧剪切工艺要求，剪切前后电机的输出转速不应变化过大，具体原因在本发明专利的背景技术做了较为详细的阐述。实际工程设计中，一般以式(9)作为系统验算中选择电机及转速的一个判断准则，即剪切前后电机输出转速的相对差值不应大于25％，不应小于10％，因系统减速比可以约去，则可表达为：

$10\%\≤\frac{\mathrm{\Δn}}{n_1}=\frac{n_1-n_2}{n_1}\≤25\%---\left(9\right)$

在规定的型钢断面高度的设计范围内，当达到电机转速的设计判断准则后，可得到认为此时设计的型钢断面高度满足设计要求，依次记录这些设计值，即可得到飞剪剪切型钢断面高度序列。

本发明提供的一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法，其设计计算如流程图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1：输入飞剪机上剪刃组成的各零件的相关参数：连杆OA的长度，连杆AB的长度、连杆BC及CD的长度，曲柄OC的长度、夹角φ₃和φ₅。这些具体输入参数均是通过对飞剪机实体零件按机械原理示意图图1简化后得到，具有实体针对性。

步骤2：以曲柄的转角为0°时作为计算的起点，以很小的角度增量(如果过大则在后续的求解中可能无法满足式(4)收敛条件)作为循环迭代的步长，按照前述的飞剪机剪刃空间轨迹的求解方程进行求解，并将结果加以保存。然后开始进行飞剪剪切型钢断面高度序列的设计求解。

步骤3：根据热轧H型钢飞剪机的工艺要求，给定飞剪机上下剪刃的开口度H0、上下剪刃在运行最低点处的剪刃重合度s，曲柄的长度、刀刃P1最高位时与曲柄的距离H2、型钢轧件断面高度H和开始剪切时剪刃与型钢轧件的距离c等参数值，按式(3)计算出P1点在y正方向的理论值y_P1。

步骤4：给定收敛允差ε、规定的型钢断面高度的设计范围、断面高度迭代步长(一般取整数)，给定计算求解型钢断面高度序列的循环变量及步长，开始进入至型钢断面序列设计计算的循环过程中。在此过程中，又分别嵌套有开始剪切角α₁和结束剪切角α₂两个循环反求程序。反求开始剪切角α₁的设计计算可以按如下过程展开：从Φ为0°时开始计算，以试探的角度增量Δθ作为循环迭代的步长，对步骤2中求解的P1点的坐标矩阵各元素按式(4)进行换算得到一个迭代收敛判断矩阵。依次遍历此迭代收敛判断矩阵各元素，如果某元素不满足式(4)，则增加一个角度步长，直至满足式(4)为止。再按式(5)对满足式(4)的迭代收敛判断矩阵中的这个元素进行判断。如果不满足，则增加一个角度步长，依次周而复始，直至式(4)和式(5)同时满足。即可得到飞剪开始剪切角α₁。同时，可反求出结束剪切角α₂。

步骤5：根据步骤4求得的开始剪切角α₁和结束剪切角α₂，按式(6)和式(7)分别求出剪刃开始剪切转速和剪刃结束剪切转速，再按式(8)和式(9)求出开始剪切时和结束剪切时电机输出转速的相对差值，以此差值作为步骤4中求解型钢断面高度序列的循环中得到符合设计要求的型钢断面高度的判断依据，将型钢断面高度的设计范围中的最大作为退出型钢断面高度序列设计求解的条件，即可完成型钢断面高度序列的设计计算。

下面结合某一具体工程实例参数对本发明作进一步地详细说明：

某一工程各相应参数，按图1及图2所示各字母来表示，如表1所示：

表1计算参数

按表1所列的计算参数，分别简化得到飞剪机上剪刃机械原理示意图中各连杆长度及相应的角度值。建立相应的坐标系mon和xoy。以曲柄的转角为0°时作为计算的起点，以0.01°的角度增量作为循环迭代的步长，按照前述的飞剪机剪刃空间轨迹的求解方程进行求解，并将结果加以保存。剪刃D点的空间轨迹曲线如图4所示。

根据步骤3，输入表1中相应的参数，按式(3)计算出P1点在y正方向的理论值y_P1。具体数值为：开始剪切时，y_P1为746.5mm；结束剪切时，y_P1为876mm。

给定型钢断面高度的增量1mm作为设计计算的迭代步长，以型钢断面高度的设计范围中的最小值50mm作为计算的起点，然后步骤4中相关的求解开始剪切角α₁和结束剪切角α₂的子循环嵌套开始进行设计计算，得到各个型钢断面高度条件下对应的开始剪切角α₁(i)和结束剪切角α₂(i)，即得到H(i)和α₁(i)、α₂(i)的矩阵对应关系，具体计算结果如图5所示。

将设计计算中得到的α₁(i)和α₂(i)作为已知条件，按式(6)和式(7)分别求出剪刃开始剪切转速和剪刃结束剪切转速，再按式(8)和式(9)求出开始剪切时和结束剪切时电机输出转速的相对差值。以此差值作为步骤4中求解型钢断面高度序列的循环中得到符合设计要求的型钢断面高度的判断依据，将型钢断面高度的设计范围中的最大作为退出型钢断面高度序列设计求解的条件，即可完成型钢断面高度序列的设计计算。

设计计算得到的满足热轧剪切工艺要求的型钢断面高度设计序列为：61mm，68mm，106mm，134mm，161mm，194mm，225mm，296mm。

当然，随着给定的型钢断面高度的增量的不同，这些设计序列的具体数值会有所轻微的不同，但都在上述给定的序列值的附近，不会偏离较远。因此，这种设计计算得到的型钢断面高度序列的值完合可以作为热轧飞剪剪切工艺对剪切断面提出的断面规格要求的重要参考，具有良好的可操作性及程序化性。它脱离了三维参数化软件操作环境，降低了工程设计人员的劳动强度，具有良好的应用前景及工程应用的实用性。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种热轧飞剪剪切型钢断面高度序列的设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、设飞剪机上剪刃组成的简化后的零件包括：曲柄OC、摇杆AB及连杆BCD；其中连杆BCD由连杆BC和连杆CD焊接而成，上剪刃通过刃座与连杆CD连为一体，D点为剪刃顶点，其运行轨迹可视为剪刃空间运动轨迹的代表；曲柄OC通过电机驱动绕其回转中心O作周期性的周转运动，并通过铰接副带动连杆BCD及上剪刃沿既定的轨迹运动；连杆BCD的一端B通过铰接副与摇杆AB连在一起，摇杆AB绕A点作一定范围的运动；以OA连线为横坐标轴建立坐标系mon，以水平方向为横坐标轴建立坐标系xoy，连杆BC和连杆CD的夹角为φ₃，OA连线与x轴的夹角为φ₅；

输入相关参数：O点与A点连线的长度，A点与C点连线的长度，摇杆AB的长度、连杆BC的长度、连杆CD的长度，曲柄OC的长度、夹角φ₃和φ₅；

步骤2、在坐标系mon中，设曲柄OC的转角为Φ，即曲柄OC从OA连线开始逆时针转动的角度，由三角公式和正弦定理、余弦定理通过推导得到如下计算公式：

再通过坐标转换，可以得到如下计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_D=m_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\\ y_D=-m_D\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_5\right)+n_D\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_5\right)\end{array}\right.---\left(2\right),$

上述计算公式(1)和(2)中：n_C是C点在坐标系mon中的纵坐标值；m_C是C点在坐标系mon中的横坐标值；n_B是B点在坐标系mon中的纵坐标值；m_B是B点在坐标系mon中的横坐标值；n_D是D点在坐标系mon中的纵坐标值；m_D是D点在坐标系mon中的横坐标值；x_D是D点在坐标系xoy中的纵坐标值；y_D是D点在坐标系xoy中的横坐标值；OA是O点与A点连线的长度；AC是A点与C点连线的长度；AB是摇杆AB的长度；BC是连杆BC的长度；CD是连杆CD的长度；OC是曲柄OC的长度；AC连线与摇杆AB的夹角为φ₁；OA连线与AC连线的夹角为φ₂；连杆BC与m轴的夹角为φ₄；

在坐标系mon中，从Φ为0°时开始计算，即从om方向开始，以角度增量Δθ作为循环迭代的步长，按照计算公式(1)则可以求出D点在坐标系mon中的m_D和n_D，即得到上剪刃在坐标系mon中的各角度节点对应的坐标值，将其组成一个2维矩阵；按计算公式(2)，利用矩阵乘法，可以得到上剪刃在坐标系xoy中的各角度节点对应的坐标值，将各点按角度从0°到360°排列，依次将各角度对应的坐标值用直线连接起来，即可得到上剪刃在坐标系xoy中的空间轨迹曲线；

步骤3、在坐标系xoy中，当剪刃开始剪切和结束剪切时，剪刃P1(即步骤1中的D点)的理论y坐标值可以分别通过计算公式(3)得到：

计算公式(3)中：y_P1是剪刃P1点在y正方向的理论值，H1是曲柄OC的长度，H2是剪刃P1最高位时与曲柄的距离，即是连杆CD的长度，s是剪刃设计重合度，H是型钢轧件断面高度，c是开始剪切时剪刃与型钢轧件的距离，可以取值为0，E是达到相对剪切深度的型材还余下未断的断面相对高度值，其值为1减去相对剪切深度值；

步骤4、剪切角计算：在坐标系xoy中，设剪刃开始剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₁，结束剪切时曲柄与y轴正向的夹角为α₂，将式(3)作为反求开始剪切角α₁的一个中间比较变量，将计算公式(4)作为反求开始剪切角α₁迭代计算的收敛条件：

$\left|\frac{y_D-y_{P1}}{y_{P1}}\right|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right),$

计算公式(4)中：y_D是P1点在坐标系xoy中通过步骤2的轨迹方程求解得到的横坐标值，ε是收敛允差；

设定坯料的速度方向沿左向右，飞剪机逆时针旋转，则当剪刃的x方向的位移在坐标原点的右方可以满足要求，即飞剪机剪切角求解的附加约束条件为：

x_P1＜0    (5)，

再次以曲柄转角Φ为迭代对象，用计算公式(4)和计算公式(5)作为循环迭代的收敛条件，从而反求出飞剪开始剪切角α₁；

同理，反求出飞剪结束剪切角α₂；

步骤5、在根据步骤4计算得到开始剪切角α₁和结束剪切角α₂后，分别按计算公式(6)和计算公式(7)求解曲柄的转速：

$n_1=\frac{60V_x}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_1}---\left(6\right),$

$n_2=\frac{60V_0}{2\mathrm{\π}R\cos {\mathrm{\α}}_2}---\left(7\right),$

计算公式(6)和计算公式(7)中：n₁是剪刃开始剪切转速，V_x是飞剪水平速度，约为1.03倍的轧件速度，α₁是开始剪切角，R是曲柄的回转半径，

H₀是开口度，n₂是剪刃结束剪切转速，V₀是轧件速度，α₂是结束剪切角；

将转速通过飞剪系统传动比折算成电机相应的输出转速，即计算公式(8)：

n′＝n×i    (8)，

计算公式(8)中：n′是各状态下电机相应的转速；i是传动系统总减速比；

根据热轧剪切工艺要求，以计算公式(9)作为系统验算中选择电机及转速的一个判断准则，即剪切前后电机输出转速的相对差值不应大于25％，不应小于10％，因系统减速比可以约去，则可表达为：

$10\%\≤\frac{\mathrm{\Δn}}{n_1}=\frac{n_1-n_2}{n_1}\≤25\%---\left(9\right),$

在规定的型钢断面高度的设计范围内，当达到电机转速的设计判断准则后，可得到认为此时设计的型钢断面高度满足设计要求，依次记录这些设计值，即可得到飞剪剪切型钢断面高度序列。

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