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鋼筋切斷機(jī)仿真設(shè)計(jì)
摘 要：鋼筋切斷機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑等行業(yè)中的重要工具，隨著科技的進(jìn)步和加工要求的不斷提高，現(xiàn)有的鋼筋切斷機(jī)己逐漸不能適應(yīng)用戶的新需求，目前鋼筋切斷機(jī)還有待于進(jìn)一步全面深入的研究。降低成本、增加新功能、提高自動(dòng)化水平等將成為鋼筋切斷機(jī)今后發(fā)展的方向。
針對(duì)鋼筋切斷機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的現(xiàn)狀，進(jìn)行了生產(chǎn)加工狀況、常見故障及關(guān)鍵問題的
調(diào)查，然后使用有限元及虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)鋼筋切斷機(jī)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)而提出改進(jìn)方案。
借助先進(jìn)的Pro/E, ANSYS和ADAMS軟件聯(lián)合仿真，建立了鋼筋切斷機(jī)模型，并實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)動(dòng)仿真，通過對(duì)箱體模烈做有限元分析，提出了改進(jìn)方案并證明了改進(jìn)方案的可行。利用LS-DYNA仿真鋼筋切斷機(jī)剪切鋼筋的動(dòng)態(tài)過程.
關(guān)鍵詞：鋼筋切斷機(jī) 建筑 齒輪
type steel cutting machines’designing
Abstract：The Reinforcing Steel Cutter is an important instrument used widely in the machinery manufactures and construction industries. With technologies being improved and more requires asked, users aren't content with the existing Reinforcing Steel Cutter. It needs further and deeply researching now Its directions will be reducing cost, adding new features and improving the automation level.
Aim at the design and production status of the Reinforcing Steel Cutter, Study the common faults and key issues. Next, propose improvement scheme by analyzing static structure and dynamics of three-dimensional model of the Reinforcing Steel Cutter with the FEM technology and VP technology.
Co-simulation by virtue of the advanced softwares Pro/E, ANSYS and ADAMS, establish a model of the steel cutting machine and achieve its motion simulation. Present improvement schemes and prove their feasibility through doing finite element analysis on the case model.
Keywords ： Reinforcing Steel Cutter architectural gear
目 錄
1. 引言.....................................................................................................................................1
1.1 概述....................................................................................................................................1
1.2 題目的選取........................................................................................................................1
1.3 鋼筋切斷機(jī)的原理............................................................................................................1
2. 電機(jī)選擇............................................................................................................................2
2.1 切斷鋼筋需用力計(jì)算........................................................................................................2
2.2 功率計(jì)算............................................................................................................................3
3. 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)..................................................................................................................5
3.1 基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算............................................................................................................5
3.1.1分配傳動(dòng)比......................................................................................................................5
3.1.2 計(jì)算機(jī)構(gòu)各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù) ......................................................................... 5
3.2 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)........................................................................................................................6
3.2.1帶型的確定......................................................................................................................6
3.2.2帶輪基準(zhǔn)直徑..................................................................................................................6
3.2.3帶速的確定......................................................................................................................6
3.2.4中心距、帶長(zhǎng)及包角的確定..........................................................................................6
3.2.5確定帶的根數(shù)..................................................................................................................7
3.2.6張緊力............................................................................................................................. 7
3.2.7作用在軸上的載荷..........................................................................................................7
3.2.8帶輪結(jié)構(gòu)與尺寸見零件圖..............................................................................................7
3.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)....................................................................................................................8
3.3.1第一級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)......................................................................................................8
3.3.2第二級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì).....................................................................................................12
3.4 軸的校核...........................................................................................................................15
3.4.1一軸的校核.....................................................................................................................15
3.4.2三軸的校核.....................................................................................................................19
3.5 平鍵的校核.......................................................................................................................22
3.6 軸承的校核..........................................................................................................................23
3.6.1初選軸承型號(hào).................................................................................................................23
3.6.2壽命計(jì)算.........................................................................................................................24
4.模型的建立及其運(yùn)動(dòng)仿真...........................................................................................27
4.1 Pro/E簡(jiǎn)介........................................................................................................................27
4.1.1基于特征.....................................................................................................................27
4.1.2參數(shù)化設(shè)計(jì).................................................................................................................27
4.2基本結(jié)構(gòu)............................................................................................................................27
4.3鋼筋切斷機(jī)模型的建立....................................................................................................28
4.3.1箱體模型的建立...........................................................................................................28
4.3.2齒輪及齒輪軸模型的建立............................................................................................28
4.3.3其他零部件模型的建立................................................................................................30
4.4虛擬裝配..............................................................................................................................36
4.4.1模塊化的虛擬裝配........................................................................................................36
4.4.2裝配過程中出現(xiàn)的常見問題及解決方法...................................................................36
4.5運(yùn)動(dòng)仿真..............................................................................................................................37
4.5.1建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真的一般步驟.......................................................................................38
4.5.2鋼筋切斷機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)................................................................................................38
4.5.3保存結(jié)果............................................................................................................................40
4.6本章小結(jié)................................................................................................................................41
5. 總結(jié)................................................................................................................................42
參考文獻(xiàn)..................................................................................................................................43
致謝............................................................................................................................................44
1. 引言
1．1 概述
鋼筋切斷機(jī)是一種建筑機(jī)械，是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用于房建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。相對(duì)而言其本身具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此，近年來逐步被建筑工地和小型軋鋼廠等單位廣泛采用，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。
改革開放三十年，我國的國計(jì)民生得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，建筑業(yè)和制造業(yè)規(guī)模都不斷地?cái)U(kuò)大，但在個(gè)別方面我們和西方發(fā)達(dá)國家依然有不小的差距。制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)，也是高新技術(shù)發(fā)展的支撐，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷推進(jìn)、機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，新的技術(shù)變革悄然興起。近年來，一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方法受到了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式僅依靠二維圖紙先生產(chǎn)出樣品，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn)，然后才‘投入批量生產(chǎn)的方法逐漸被現(xiàn)代設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式取代。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)己經(jīng)滲透到機(jī)械發(fā)展的各個(gè)行業(yè)中，該項(xiàng)技術(shù)的介入，也大大加快了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，而且計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)在行業(yè)中共同發(fā)揮著很大的作用。
近年來，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、訓(xùn)一算機(jī)輔助制造等技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了深入的展，但由于鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)廠家規(guī)模不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)含量低等原因，三維建模、虛擬樣機(jī)技術(shù)、有限元分析等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)很少用到鋼筋切斷機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中。本文充分利用成熟的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)鋼筋切斷機(jī)的箱體、剪切機(jī)構(gòu)及減速機(jī)構(gòu)計(jì)算分析，將使鋼筋切斷機(jī)的質(zhì)量、壽命得到提高，并降低成本及提高其可靠性。
1．2 題目的選取
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是臥式鋼筋切斷機(jī)的設(shè)計(jì)。其主要參數(shù)為：
切斷鋼筋直徑(mm)： 60
鋼筋抗拉強(qiáng)度(MPa)： 450
兩刀刃的最大開口距(mm)： 65; 最小開口距(mm)： 13
剪切次數(shù)(次／分)： 27／58; 總速比： 50.6／l07
曲軸偏心距(mm)： 26; 連桿長(zhǎng)度 (mm)： 300
電機(jī)功率(kW)／電壓(v)／轉(zhuǎn)速(r／min)： 7.5／380／2900
外形尺寸： 1500*660* 915
整機(jī)重量(kg) <900
在設(shè)計(jì)中通過計(jì)算和考慮實(shí)際情況選則合適的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)盡可能的降低成本，這也是一個(gè)綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的過程。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)四年大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一個(gè)總結(jié)，也是走上工作崗位前的一次模擬訓(xùn)練。
1．3 鋼筋切斷機(jī)的工作原理
工作原理：采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)三角帶傳動(dòng)和二級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后,帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使活動(dòng)刀片和固定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。
2. 電機(jī)選擇
傳動(dòng)方案簡(jiǎn)述：選擇三級(jí)減速，先是一級(jí)帶減速，再兩級(jí)齒輪減速。首先采用一級(jí)帶傳動(dòng)，因?yàn)樗哂芯彌_、吸振、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、和過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并安裝張緊輪。然后采用兩級(jí)齒輪減速，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)可用來傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并具有功率范圍大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，使用壽命長(zhǎng)，工作安全可靠等特點(diǎn)。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)輸出,通過減速系統(tǒng)傳動(dòng),把動(dòng)力輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于傳動(dòng)系統(tǒng)作的是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而鋼筋切斷機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,可以采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu),盤行凸輪移動(dòng)滾子從動(dòng)件機(jī)構(gòu),齒輪齒條機(jī)構(gòu)?？紤]現(xiàn)實(shí)條件，我決定采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為本機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
2.1切斷鋼筋需用力計(jì)算
為了保證鋼筋的剪斷，剪應(yīng)力應(yīng)超過材料的許應(yīng)剪應(yīng)力。即切斷鋼筋的條件為：
查資料可知鋼筋的許用剪應(yīng)力最大值為450MPa。由于本切斷機(jī)切斷的最大剛筋粗度為：d=60mm。
則本機(jī)器的最小切斷力為：
取切斷機(jī)的切斷力Q=56000N。
2.2 功率計(jì)算
刀的速度小于曲軸處的線速度。則切斷處的功率P：W
查表可知在傳動(dòng)過程中，帶傳動(dòng)的效率為η= 0.94~0.97； 二級(jí)齒輪減速器的效率為η= 0.96~0.99； 滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率為η= 0.94~0.98； 連桿傳動(dòng)的效率為η= 0.81~0.88；滑動(dòng)軸承的效率為
由以上可知總的傳動(dòng)效率為:
η= 0.94×0.96×0.98×0.81=0.72
由此可知所選電機(jī)功率最小應(yīng)為 kw
查手冊(cè)并根據(jù)電機(jī)的工作環(huán)境和性質(zhì)選取電機(jī)為：Y系列封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)，代號(hào)為Y112M-6，輸出功率為7.5kw，輸出速度為2900r/min。
3. 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算
3.1.1 分配傳動(dòng)比
電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y，滿載轉(zhuǎn)速為2900 r/min。
(1) 方案一：總傳動(dòng)比 i=50.6 方案二：總傳動(dòng)比 i=107
(2) 分配傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比
上式中i0、i1分別為帶傳動(dòng)與減速器（兩級(jí)齒輪減速）的傳動(dòng)比，為使V帶傳動(dòng)的外廓尺寸不致過大，同時(shí)使減速器的傳動(dòng)比圓整以便的獲得圓整的齒數(shù)。初步取i0 =2，則減速器的傳動(dòng)比為:方案一： = =25.3 方案二： ==53.5
(3) 分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比
按展開式布置，查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，取 i11=6.3，則i22=4，=9 =5。
兩種方案的比較結(jié)果：
方案二速比太大，大小齒輪的分度圓直徑相差太大，潤滑，安裝不方便，不匹配。
為了降低強(qiáng)度，減小體積，減小噪聲，盡量取小模數(shù)齒輪！減小空間，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，所以選擇方案一！
（注以下用i1代替i11，i2代替i22）
3.1.2 計(jì)算機(jī)構(gòu)各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)
⑴ 各軸的轉(zhuǎn)速ⅠⅡⅢ
Ⅰ 軸 ==2900/2=2450r/min
Ⅱ 軸 = =2450/6.3=389r/min
Ⅲ 軸 ==389/4=98r/min
⑵ 各軸的輸入功率
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
⑶ 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩
電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
3.2 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.2.1 帶型的確定
由設(shè)計(jì)可知：V帶傳動(dòng)的功率為2.2kw，小帶輪的轉(zhuǎn)速為960r/min，大帶輪的轉(zhuǎn)速為480r/min。
查表可知 工況系數(shù)取 KA=1.5 ，Pc=1.5×2.2=3.3kw。根據(jù)以上數(shù)值及小帶輪的轉(zhuǎn)速查相應(yīng)得圖表選取A型V帶。
3.2.2 帶輪基準(zhǔn)直徑
查閱相關(guān)手冊(cè)選取小帶輪基準(zhǔn)直徑為d1=100mm，則大帶輪基準(zhǔn)直徑為d2=2×100=200mm
3.2.3 帶速的確定
3.2.4 中心矩、帶長(zhǎng)及包角的確定
由式
0.7(d1+d2)
=1
Dia=0.38*M
ENDIF
D22 =36012
R3二Z一1
Dn=360/(2*Z)
設(shè)置齒輪尺寸關(guān)系后，Pro/E草繪環(huán)境中所畫的四個(gè)基本參照?qǐng)A將分別代表齒輪的齒頂圓、分度圓、基圓和齒根圓。
(3)為笛卡爾坐標(biāo)系輸入?yún)?shù)方程生成漸開線，然后建立輔助的基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)面，鏡像漸開線，經(jīng)過拉伸等操作最終生成齒輪模型的第一個(gè)齒。輸入的參數(shù)
方程為匯‘’〕:
r=DB/2
theta=t*45
x=r* cos(theta)+r* sin(theta)*theta* pi/ 180
Y=r* sin(theta)一r* cos(theta)*theta* pi/ 180
z=0
就建成了把生成的齒經(jīng)過陣列，添加軸孔、倒角等特征后，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的齒輪模型。如圖所示:
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪模型建成以后，其他齒輪模型就可以通過改變齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等參數(shù)的方式直接生成。
4.3.3其他零部件模型的建立
其他零部件，例如曲柄滑塊、刀具、刀座、飛輪及軸承等的模型，利用Pro/E中的一些基本功能就可以輕松建成，在此不再詳述。
4.4虛擬裝配
在工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎所有的產(chǎn)品都不是單一零件獨(dú)立形成的，都是由多個(gè)零件通過一定的裝配關(guān)系組合生成的。Pro/E在虛擬裝配方面的表現(xiàn)非常優(yōu)秀，充分體現(xiàn)了作為大型設(shè)計(jì)軟件所擁有的強(qiáng)大功能。
鋼筋切斷機(jī)的虛擬裝配就是在前面建模的基礎(chǔ)上，按照模塊化的思想、自頂向下的原則，根據(jù)鋼筋切斷機(jī)的總裝圖，把所建立的箱體、齒輪系等模型按照Pro/E中裝配模塊提供的匹配、對(duì)齊、插入、坐標(biāo)系等約束類型和剛性、銷釘?shù)冗B接類型完成鋼筋切斷機(jī)的虛擬裝配。
4.4.1模塊化的虛擬裝配
鋼筋切斷機(jī)的虛擬裝配過程中，如果像砌墻一樣逐個(gè)地添加零件，上層零部件的參照關(guān)系就會(huì)疊加起來依賴于下層零部件，一旦中間某個(gè)零件出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)前功盡棄的現(xiàn)象，并且安裝過程中，容易漏裝、錯(cuò)裝零件。因此，按照模塊化的思想，將鋼筋切斷機(jī)工作工程中相對(duì)靜止的零件組合成多個(gè)小的模塊，然后將這些小模塊組合成一個(gè)整體，這種方法更科學(xué)、更合理。本文中把鋼筋切斷機(jī)先分為箱體模塊、主動(dòng)軸系模塊、從動(dòng)軸系模塊和曲柄滑塊模塊等多個(gè)模塊，然后再將各模塊裝配起來。
(1)鋼筋切斷機(jī)的減速齒輪系及齒輪軸都是安裝在箱體模型內(nèi)部的，如果直接將建立的齒輪模型及齒輪軸模型往上箱體裝配，不但虛擬裝配過程中因視角問題給裝配帶來困難，而且由于齒輪等零部件模型都在箱體內(nèi)部，