1 绪论
1.1 课题研究背景
进入 21 世纪尤其是 2012 年以后，保护资源、改善环境、绿色可持续发展、人与自然和谐相处、绿水青山就是金山银山等一系列绿色发展的理念越来越受到重视，在国家大力提倡清洁生产，积极倡导循环经济的战略下，废钢的回收利用和报废汽车的绿色拆解成为我国经济持续增长和绿色发展的重要环节。废钢的回收利用和报废汽车的拆解，不仅改善环境，减少污染，而且可以大量减少对铁矿石的开采、节约冶炼的成本，大大减少了能源的浪费[1]。随着社会废钢量的增加及废钢结构的变化，废钢在钢铁生产原材料中占据的比重越来越大，因此，废旧金属的回收加工将会越来越引起政府部门的重视。本世纪钢铁企业出现了高速发展局面，随着发展中国家工业化和城市化加深，亚洲逐渐成为新的世界钢铁生产中心，中国更是成为了钢铁生产的主要基地。世界钢铁产量在 2000 年至 2013 年之间平均增速约为 52%，中国同比高达 14.2％，同时，在世界粗钢总产量中，中国粗钢产量的占比也在逐年增长，2016 年达到了 49.6％，是名副其实的世界第一钢铁生产大国，2008 年全球生产粗钢 13.297 亿吨，中国全年产粗钢 5.02 亿吨（占世界总量的 37.8%），2009 年中国粗钢产量约为 5.7 亿吨[2]。2010 年中国粗钢产量约为 6.4 亿吨，同比增长 11.4%。中国从在 2007 年的粗钢产量为 4.89 亿吨到 2014 年增至 8.23 亿吨，达到了 68.3％的增幅。2017 年全球粗钢产量为 16.91亿吨，中国粗钢产量为 8.32 亿吨，占全球的 49.2%，中国粗钢产量几乎占据了钢铁世界的半壁江山，是名副其实的钢铁生产大国。
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1.2 课题研究的目的及意义
节约资源、保护环境、资源的循环回收利用、绿色发展已经成为二十一世纪以来我国经济绿色可持续发展的旗子。2003 年以后随着钢材消费速度的减缓，折旧废钢回收量增加，预计到 2019 年我国折旧废钢回收量将会超过加工废钢回收量[9]，2022 年以后折旧废钢的回收量将会大大高于加工废钢的回收量成为社会废钢回收的主体。所以，在以后的钢铁回收利用中折旧废钢的处理将成为迫切需要解决的问题，如何快速、高效的解决折旧废钢是将来的一大难题。随着社会折旧废钢数量的增加，未来废钢加工行业将向加工专业化、规模化和生产高效化方向发展，而加工设备向大型化、多元化、系列化和标准化方向发展。在废钢的回收利用中，大型龙门剪的出现正是为了满足时代的要求，大型龙门剪切机的应用，不仅可以直接减少铁矿石冶炼所带来的环境污染，而且可以在很大程度上节约资源、改善环境，具有很大的综合意义。
未来经济的绿色健康发展过程中，废钢的回收循环利用具有改善环境、减少污染、节约资源等优点，所以如何提高当前废钢回收设备的性能以满足社会对日益增长的折旧废钢快速处理的需要是当前需要研究的方向。本课题的研究目的是：通过对大型龙门剪液压系统的设计，提高龙门剪切机对废钢的剪切频率，以满足社会对快速回收废钢的需要。本课题的研究意义在于：通过对大型龙门剪液压系统的优化设计，可以大幅提高现有龙门剪切机对废钢的剪切效率，对于缓解乃至解决社会上即将出现的大量废钢的问题具有十分重要的意义，而且本课题的研究还会促进我国大型废钢处理设备的发展，对于废钢回收企业的发展和中国经济的健康、绿色发展都具有一定意义[8]，且为以后的大型龙门剪乃至大型工程机械在液压大流量驱动上提供了一定的思路。
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2 空隙率对废钢剪切过程影响的仿真分析
2.1 剪切机分类及剪切原理
废钢龙门剪切机主要是处理折旧废钢和加工废钢，这些废钢在经过龙门剪切机剪切成适合进行冶炼的炉料之前需要进行压缩、打包、剪切等一系列处理，如图 2-1 所示，在压缩、打包之后才能进行剪切，在压缩、打包的过程当中由于压缩和打包压力以及废钢材质的因素，压缩、打包之后的废钢中间会存在一定的空隙，空隙大小和比率会对剪切过程有一定的影响。本章的目的在于通过分析不同空隙率的废钢在剪切过程中的应力、应变以及对剪切刀头反作用力的变化来指导液压系统剪切速度以及控制策略的设计。
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2.2 废钢剪切有限元理论基础
废钢剪切是废钢回收利用的一个重要环节，通过剪切机把较大的废钢剪切成适合冶炼的炉料，其剪切过程是一个比较复杂的变形过程，主要涉及弹塑性力学、断裂力学、摩擦力学等领域，其剪切过程和金属切削很相似，但又不尽相同，比如：废钢剪切时刀头不是连续工作，所以不用考虑热力学的因素。
有限元方法的基础是变分原理，有限元的理念是把无限的连续的集合（求解对象）离散为有限个离散的集合，然后根据相关力学的知识分别对每个集合进行求解，其求解方法就是根据变分原理建立有限元方程，把无限连续集合的自由度问题转化为有限离散的自由度问题[31]，用离散集合的求解结果近似代替无限连续集合的真实结果。
2.2.1 塑性力学的基本假设
由于废钢剪切过程是一个非常复杂的过程，为了能进行理论计算，通常需要对材料的某些特性作一定的假设，而且为了能更好的解决实际中的问题，通常会忽略一些在材料变形时影响较小的因素[32]，所以，在弹塑性力学的计算中常作的假设有：连续性假设，即物体内部是连续的不存在空隙；均匀性假设，即物体内部各个部分具有相同的物理特性；各向同性假设，即物体在不同的方向上物理特性相同且不随位置的改变而改变；弹性阶段弹性不变假设，即在弹性阶段完全符合胡克定律，其弹性模量保持不变；小变形假设，即物体在受到外力以后其变形的变形量远远小于物体的原有尺寸；初始应力为零假设，即不考虑物体自重所带来的应力。
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3.1 龙门剪切机液压系统设计思路 ................................. 22
3.2 龙门剪切机液压系统设计 ......................................... 23
3.3 液压缸剪切过程的运动学和动力学分析 ........................... 28
4 龙门剪切机模糊控制系统研究 ................................ 41
4.1 模糊控制简介 ......................................... 41
4.2 模糊控制器结构设计 .......................................... 43
4.3 龙门剪切机模糊控制器的设计 .................................. 48
5 剪切回路液压系统及插装阀仿真分析 ........................................ 57
5.1 插装阀特性仿真分析 ................................................. 57
5.2 剪切回路液压系统仿真分析 .............................. 62
5.3 现场测试 ......................................................... 68
5 剪切回路液压系统及插装阀仿真分析
5.1 插装阀特性仿真分析
由于龙门剪切机液压系统工作时的流量比较大，所以本系统在很多关键部位均采用能允许大流量通过的插装阀，为了了解本系统所采用的通径为 80mm 方向型插装阀的特性，采用 AMESim 软件对插装阀的动态特性进行仿真分析[88-89]。
5.1.1 插装阀仿真模型的建立
本系统所采用的插装阀的阀芯结构图和插装阀的简化图如下图 5-1、5-2 所示
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6 结论与展望
6.1 结论
本文主要是针对现有大型龙门剪切机剪切频率低的问题，从如何提高剪切机剪切频率入手，设计出高压大流量的液压系统并用 AMESim 对液压系统的相关元件及关键回路进行仿真分析；同时用 ABAQUS 对废钢空隙率在废钢剪切过程的对剪切性能的影响进行了仿真分析；并在模糊控制和 PID 控制器的基础上设计出了模糊 PID 控制器且 MATLAB 对控制器的控制性能做了仿真分析。
（1）通过空隙率对废钢剪切影响的仿真分析得知：废钢剪切时不同空隙率的废钢对剪切机刀头的最大反作用力是不同的，随着废钢空隙率的增加，废钢对刀头的最大反作用力逐渐下降如图且大致呈现线性变化；不论空隙率是多少，刀头所受的反作用力的变化曲线大致都呈现 U 型变化；压缩后的废钢在剪切时，刀头在运行大约 1/3 仿真设置时间时，废钢即被剪切完成。
（2）通过对模糊 PID 控制系统、模糊控制系统和 PID 控制系统的仿真分析可知：PID 控制系统的响应上升时间较小，但其响应结果具有较高的超调，且过渡时间较长；模糊控制系统几乎没有超调，但其响应时间较长；模糊自适应 PID控制系统相比 PID 控制系统相比具有超调小、过渡时间短的优点，与模糊控制系统相比具有响应时间快的优点。通过对仿真结果进行比较可以得出模糊 PID 控制系统具有传统 PID 控制系统响应速度快、调节精度高的优点，又具备模糊控制系统稳定性较好的优点。
参考文献（略）