鋼筋切斷機設(shè)計
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1、 機械原理設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目:鋼筋切斷機機構(gòu)設(shè)計 姓 名 XXXXX 班 級 XXXXXXX 學(xué) 號 XXXXXXX 授課:XXX 目錄 一、摘要 3 二、設(shè)計題目和要求 3 2.1 題目簡介 3 2.2設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù): 4 2.3設(shè)計任務(wù) 4 2.4設(shè)計創(chuàng)新 5 2.5設(shè)計思路 5 三、 機構(gòu)設(shè)計 5 3.1機構(gòu)驅(qū)動方案選擇 5 3.1.1液壓傳動驅(qū)動 5 3.1.2液壓傳動特點: 6 3.1.3 電機驅(qū)動 6 3.1.4驅(qū)動方式
2、的選擇 6 3.2 傳動裝置的選擇 7 3.2.1帶傳動 7 3.2.2 齒輪傳動 7 3.2.3組合傳動 7 3.2.4傳動機構(gòu)的選擇 8 3.3 執(zhí)行裝置的方案設(shè)計 8 3.3.1曲柄滑塊機構(gòu) 8 3.3.2凸輪機構(gòu) 9 3.4方案比較 9 四、參數(shù)綜合 10 4.1曲柄滑塊機構(gòu)綜合 10 4.2 齒輪機構(gòu)綜合 11 4.3電機相關(guān)參數(shù)選擇 12 五、機構(gòu)裝配及運動分析 13 5.1輸出件速度,加速度計算 13 5.2機構(gòu)裝配圖 14 5.3運動分析 15 5.3.1動刀位移分析,如圖 15 5.3.2動刀速度測試,如圖 15 授課:XXX 5
3、.3.3動刀加速度測試,如圖 16 5.4誤差分析 16 5.5設(shè)計改進 16 5.5.1齒輪的改進 16 5.5.2刀具的改進 17 六、參考文獻 18 授課:XXX 一、摘要 鋼筋在建筑上應(yīng)用非常廣泛,它可以用作預(yù)制構(gòu)件,鋼筋混凝土和箍筋等。為此,需要鋼筋切斷機按所要求的鋼筋的規(guī)格的長度將其切斷。鋼筋切斷機是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一,它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對鋼筋的定長切斷,一般都是用于剪切建筑用的I級鋼,剪切鋼筋直徑為6—40毫米。鋼筋切斷機有機械傳動和液壓傳動兩種。機械傳動構(gòu)造簡單,工作可靠,維修方便,液壓傳動無噪音,體積小,
4、重量輕,移動方便。但液壓傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一旦出現(xiàn)故障難以排除,故目前較多使用的仍然是機械傳動的鋼筋切斷機(如圖)。 目前國內(nèi)建筑工地使用的鋼筋切斷機雖能完成切斷動作,但其執(zhí)行機構(gòu)沒有考慮到對切刀運動規(guī)律和動力特性的要求,切刀工作過程中產(chǎn)生的沖擊很大,切斷效率較低。因此,有必要將現(xiàn)存的鋼筋切斷機加以改進,重新設(shè)計,以獲得動態(tài)性能較好的鋼筋切斷機,使其實現(xiàn)操作簡便、調(diào)節(jié)方便、落料簡單、生產(chǎn)效率高等特點。 二、設(shè)計題目和要求 2.1 題目簡介 鋼筋在建筑上應(yīng)用非常廣泛,它可以用作預(yù)制構(gòu)件,鋼筋混凝土和箍筋等。為此,需要鋼筋切斷機按所要求的鋼筋的規(guī)格的長度將其切斷。目前建筑工地使用的鋼筋切斷機雖
5、能完成切斷動作,但其執(zhí)行機構(gòu)沒有考慮到對切刀運動規(guī)律和動力特性的要求,切刀工作過程中產(chǎn)生的沖擊很大,切斷效率較低。因此,有必要將現(xiàn)存的鋼筋切斷機加以改進,重新設(shè)計,以獲得動態(tài)性能較好的鋼筋切斷機。 2.2設(shè)計要求和有關(guān)數(shù)據(jù): 1)設(shè)計要求 a.基本工作要求:用手工將不同規(guī)格的鋼筋按所需長度送至刀口,將其切斷;以后再次送入,作下次截斷。 b.運動要求: i) 在切斷過程中,要求切斷速度盡可能小,速度盡可能均勻,以保證切削質(zhì)量,減少沖擊 授課:XXX ; ii) 保證切刀行程H; iii) 切刀空行程中速度盡可能快,以提高效率; iv) 保證切刀的每分鐘切斷次數(shù)(生產(chǎn)率)。
6、 c.動力要求: 切刀能產(chǎn)生足夠的沖力克服工作阻力,要有較好的傳動性能。 2)有關(guān)數(shù)據(jù) 擬采用三相異步電機作動力源,初定電機轉(zhuǎn)速nd=rpm;所切鋼筋的最大直徑dmax=40mm,動刀通過的距離H=44mm,其生產(chǎn)率分型號依次為34次/ 分、38次/ 分、42次/ 分、刀在切斷過程中所受工作阻力P=400KN,其它行程無阻力。整個機器的尺寸范圍為:長×寬×高<1600×500×750 2.3設(shè)計任務(wù) 1. 至少提出兩種運動方案,然后進行方案分析評比,選出一種運動方案進行設(shè)計; 2. 設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 3. 對平面連桿機構(gòu)進行尺度綜合,并進
7、行運動分析;驗證輸出構(gòu)件的軌跡是否滿足設(shè)計要求;求出機構(gòu)中輸出件的速度、加速度;畫出機構(gòu)運動線圖。 4.用軟件(VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可)對執(zhí)行機構(gòu)進行運動仿真,并畫出輸出機構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。 5. 編寫設(shè)計計算說明書,其中應(yīng)包括設(shè)計思路、計算及運動模型建立過程以及效果分析等。 6. 在機械基礎(chǔ)實驗室應(yīng)用機構(gòu)綜合實驗裝置驗證設(shè)計方案的可行性。 2.4設(shè)計創(chuàng)新 1、在設(shè)計的過程中,應(yīng)盡量減少整體機構(gòu)的震動和噪聲。 2、對刀片的改進,在刀片的設(shè)計上,要注意當(dāng)鋼筋放在刀片上受力時,防止鋼筋突然彈出來。 授課:XXX 2.5設(shè)計思路
8、 鋼筋切斷機主要是由驅(qū)動裝置,傳動裝置和執(zhí)行機構(gòu)組成,因此,在設(shè)計中,首先提出各個部分的設(shè)計方案,然后經(jīng)過對比選擇合適的方案,當(dāng)方案確定之后,就要選擇各個零件的參數(shù),這個過程中,首先應(yīng)該確定執(zhí)行機構(gòu)的各個參數(shù),然后確定傳動機構(gòu)零件的參數(shù)和整個傳動比,最后才是驅(qū)動裝置的參數(shù)確定,當(dāng)各個參數(shù)確定之后,接下來就是裝配和運動分析,誤差分析,方案改進創(chuàng)新等。 三、 機構(gòu)設(shè)計 3.1機構(gòu)驅(qū)動方案選擇 3.1.1液壓傳動驅(qū)動 要實現(xiàn)液壓傳動了,則在整個機構(gòu)中,需要有齒輪泵和油缸, 齒輪泵是為了產(chǎn)生油缸運動的動力,齒輪泵能產(chǎn)生的動力的大小直接影響著油缸的工作能力,而油缸是直接作為執(zhí)行元件,將液壓油的壓
9、力轉(zhuǎn)化為機械能從而實現(xiàn)機構(gòu)的直線運動。在整個機構(gòu)的運行過程中,油缸的運動很安靜,但是齒輪泵則會產(chǎn)生較大的噪音。如圖所示 油缸簡圖 齒輪泵結(jié)構(gòu)簡圖 3.1.2液壓傳動特點: 液壓式鋼筋切斷機的出現(xiàn)雖然晚于機械式切斷機,但卻有著不可比擬的技術(shù)優(yōu)越性和高經(jīng)濟效益。其技術(shù)優(yōu)越性大致表現(xiàn)在如下方面: 1)具有較高的工作性能由于可以使用較高的液壓力,因而鋼筋切斷機能以很高的沖擊力進行剪切。 授課:XXX 2)具有較好的工作適應(yīng)能力可實現(xiàn)直徑在6mm~16mm之間的鋼筋加工。同時,還可一機多用,采用不同的工作頭即可進行多種工作,如彎管、穿孔等。具
10、有較高的工作可靠性省去各種離合裝置,不會由于離合裝置不可靠而產(chǎn)生連切,易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。同時,控制系統(tǒng)的引入,可以實現(xiàn)定尺剪切,并保證鋼筋切口的表面質(zhì)量。 3)攜帶方便,當(dāng)輸出力或者輸出力矩相同時,液壓工作頭的重量遠小于電動或氣動工具。此外,采用了超高壓小流量液壓技術(shù),所以其體積小、重量輕。 3.1.3 電機驅(qū)動 異步電機其特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠,低轉(zhuǎn)矩脈動,低噪聲,不需要位置傳感器,轉(zhuǎn)速極限高,并且能夠提供較大的功率。異步電機矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟,使得異步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢,電機驅(qū)動是較為常用和傳統(tǒng)的驅(qū)動方式,特別是三相交流異步電機應(yīng)用更為廣泛。
11、 三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡圖 3.1.4驅(qū)動方式的選擇 雖然液壓驅(qū)動具有體積小,攜帶方便,機構(gòu)設(shè)計簡單的特點,但是其成本較高,且維修復(fù)雜,而三相異步電機相對應(yīng)用廣泛,噪聲比液壓驅(qū)動更小,震動更小,調(diào)速更方便等特點。故綜上從成本和題目所給的性能要求來看,選擇三相異步電機作驅(qū)動裝置更合適。 授課:XXX 3.2 傳動裝置的選擇 3.2.1帶傳動 帶傳動是通過兩皮帶輪與皮帶之間的抱死來實現(xiàn)構(gòu)建之間的運動傳輸,其工作時主要靠皮帶與皮帶輪之間的摩擦來帶動運動的,也就是說這個過程中一部分機械能會轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,并且皮帶的壽命比較短,維修頻率較大,通常出現(xiàn)在機構(gòu)的第一級傳動中。 3.2.
12、2 齒輪傳動 在機械傳動中應(yīng)用最廣泛的傳動方式,其傳動準(zhǔn)確可靠,效率很高,噪聲小,可以滿足不同工況要求,但其加工成本比較高,可實現(xiàn)傳動比不是很大,需要多級傳動才能達到大傳動比的要求。 3.2.3組合傳動 由于機械運動形式、運動規(guī)律和機械性能等方面要求的多樣性和復(fù)雜性,而以上傳動機構(gòu)的局限性,因此常常需要將幾種機構(gòu)配合起來,形成組合傳動機構(gòu)。如圖所示: 授課:XXX 3.2.4傳動機構(gòu)的選擇 綜上,考慮到成本和傳動比的選擇,本題可以采用帶傳動和齒輪傳動構(gòu)成的組合傳動機構(gòu)。這樣,特可以解決齒輪傳動傳動比不是很高,帶傳動消耗的輸出功率太大的缺點,而可以充分發(fā)揮帶傳動傳動級數(shù)較
13、少,齒輪傳動噪聲小,傳動準(zhǔn)確可靠,效率很高的優(yōu)點。 3.3 執(zhí)行裝置的方案設(shè)計 在整個傳動過程中,執(zhí)行機構(gòu)是最重要的一部分,它不僅要實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的使用價值,還要將機械的其他運動轉(zhuǎn)化為本題我們需要的直線運動。實現(xiàn)這一過程的方式有很多,在這里,我們只討論常見的兩種方式,第一種是采用曲柄滑塊機構(gòu),第二種采用凸輪機構(gòu)。 3.3.1曲柄滑塊機構(gòu) 如圖所示,曲柄滑塊機構(gòu)具有設(shè)計簡單,成本較低,能的特點,但是其運動軌跡很難達到設(shè)計的要求, 曲柄滑塊機構(gòu)簡圖 授課:XXX 3.3.2凸輪機構(gòu) 如圖,凸輪機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)一樣,可以使機構(gòu)具有急回特性,其具有高精度的傳動特性,且能按照特定
14、的軌跡進行運動,但設(shè)計和制造相對復(fù)雜,若不需要考慮精度問題,則在制造的過程中凸輪輪廓的制造比較復(fù)雜,且加工量較大,若考慮精度問題,可以根據(jù)設(shè)計出的軌跡方程借助軟件求出凸輪輪廓線,然后再用數(shù)控機床進行加工,這樣的話就提高了其成本。 凸輪機構(gòu)簡圖 3.4方案比較 首先,曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪機構(gòu)都能實現(xiàn)急回特性。由于對心曲柄滑塊機構(gòu)沒有急回特性,所以在設(shè)計時,我們考慮采用偏置曲柄滑塊機構(gòu)的幾何模型。給定極位夾角為θ和滑塊的擺程為H。假設(shè)滑塊導(dǎo)路與X軸平行,如圖, 授課:XXX 四、參數(shù)綜合 4.1曲柄滑塊機構(gòu)綜合 由曲柄滑塊機構(gòu)簡圖知: 設(shè)機構(gòu)的行程速度系數(shù)K=1
15、.25,搖桿擺角ψ=30°
則由θ=180°×K-1K+1=20°
α=ψ-θ=10°
由xc1-xc02+yc1-yc02=R2
x0=H2=22mm y0=H2cotθ=60.44mm
R=H2sinθ=64.32mm
由y0-R 16、-42.32
60
30.61
-12.95
當(dāng)xC1=86.32,yC1=60,xB1=31.59,xB1=9.05時,有方案I:
LBC=xc1-xB12+yc1-yB12=74.77mm
所以
cosθ=AC12+AC22-H22AC1×AC2 其中AC1=LBC+LAB AC2=LBC-LAB解得
所以桿LAB=18.06mm
授課:XXX
當(dāng)xC1=-42.32,yC1=60,xB1=30.61,xB1=-12.95時,有方案II:
LBC=xc1-xB12+yc1-yB12=103.15mm
所以
cosθ=AC12+AC22-H22AC1×A 17、C2 其中AC1=LBC+LAB AC2=LBC-LAB解得
所以桿LAB=13.03mm
傳力角計算:
由函數(shù)關(guān)系可得γ=φ 所以 γ=cos-1AC12+H2-AC222H×AC1
方案I有γ1=26.08°
方案II有γ2=44.34°
為了保證機構(gòu)有良好的傳力性能,傳動角越大的機構(gòu)傳力性能越好,由γ1<γ2 知選擇方案II較好。即
xC1=-42.32,yC1=60,xB1=30.61,xB1=-12.95
LBC=103.15mm
LAB=13.03mm
4.2 齒輪機構(gòu)綜合
齒輪選擇
要使兩齒輪之間能夠正常齒合,則兩齒合齒輪之間的模數(shù)和壓力 18、角應(yīng)分別相等,所以
小帶輪 d7 =50mm
大帶輪 d6 =215mm
Z2=60 m=5 齒寬28 分度圓直徑d2=300mm
Z3=15 m=5 齒寬 60 分度圓直徑d3=75mm
Z4=75 m=5齒寬55 分度圓直徑d4=375mm
Z5=17 m=5齒寬80 分度圓直徑d5=85mm
曲柄軸 d1=13.03mm
效率計算
ηg--閉式圓柱齒輪傳遞效率,ηg=0.97
ηb--滾動軸承傳遞效率,ηb=0.99
授課:XXX
ηd--帶傳動傳遞效率,ηd=0.94
ηc--聯(lián)軸器傳遞效率,ηc=0 19、.99
η01=ηc=0.99
η34=ηb×ηg=0.9603
η45=ηb×ηg=0.9603
η67=ηd=0.94
η總=η01η34η45η67=0.858
齒輪的傳動比
γ=η總Z2Z4d6Z3Z5d7=66.04
4.3電機相關(guān)參數(shù)選擇
齒輪轉(zhuǎn)矩計算
F1=Fsinβ=400sin44.34°=572.32KN
由式可知,β越小,F(xiàn)越大
齒輪轉(zhuǎn)矩計算
T1=d1F1
T1=T2
T2=(1/2)d2F2
T3=(1/2)d3F2
T3=T4
T4=(1/2)d4F4
T5=(1/2)d5F4
授課:XXX
T5=T6
T6= 20、(1/2)d6F6
T7=(1/2)d7F6
綜上求的
F7=d3d5d7d2d4d6F1
F7=0.65KN
阻力扭矩T7=16.37N?m
電機轉(zhuǎn)速選擇
滑塊平均速度V0=2Hf
V2=38轉(zhuǎn)/min
T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,為各個齒輪上對應(yīng)的力矩。
F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3,F(xiàn)4,F(xiàn)5,F(xiàn)6,F(xiàn)7為對應(yīng)的各個齒輪或輪系上的切向力。
f—滑塊運動的頻率,單位:次/min;
V1—曲柄軸的線速度,m/min;
V2—曲柄軸的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)/min;
由傳動比可得電機轉(zhuǎn)子平均速度n0=γ×V2=2510轉(zhuǎn)/min
電動機功率P=TN9550
T—阻力矩,n? 21、m
N—電機轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)/min
授課:XXX
P—所需功率,kw
所以P=4.3kw
查相關(guān)本資料我們可以選擇Y112M-4型封閉式籠型三相異步電動機。
五、機構(gòu)裝配及運動分析
5.1輸出件速度,加速度計算
設(shè)動刀的運動頻率為f,曲柄與水平面的夾角為β,曲柄的速度為V,動刀的速度為V1,則
點B的位移為
yB=yA+LAB*sinξxB=xA+LAB*cosξ
點B速度方程為
yB=yA+LAB*ξ*cosξxB=xA-LAB*ξ*sinξ
點B的加速度為
yB=yA+LAB(ξcosξ-ξ2*sinξ)xB=xA-LAB(ξsinξ+ξ2*cosξ)
22、其中,C點的運動規(guī)律可以作為輸出件道具的運動規(guī)律,因此點C(刀具)的位移可以表示為
xc=xA+lAB*cosξ+lBC*cosψyC=M
其中M為常數(shù)。
點C的速度可以表示為
xC=xA+lAB*sinξ+lBC*sinψyC=0
點C的加速度為
xC=xA-lAB*cosφ-lBC*cosψyC=0 23、
授課:XXX
5.2機構(gòu)裝配圖
5.3運動分析
5.3.1動刀位移分析,如圖
上圖是動刀上的質(zhì)心的運動測試圖,近似的用來作為動刀的運動特性,測試的時間為3s,由圖形可知動刀的位移為H1=645.0-602.0=43mm,與題目所給的值H=44mm相近,滿足條件,要使行程誤差進一步減小,可以更改曲軸的偏心距,從而得到更加精確的行程范圍。
5.3.2動刀速度測試,如圖
同樣,動刀的速度與時間的關(guān)系可以用動刀的質(zhì)心的速度特性來表示,測試時間我們選擇為
授課:XXX
60s,由測試圖分析可知,動刀的切割頻率為37次/min,與題所 24、給38次/min相差不大,在誤差允許范圍內(nèi)滿足條件,從速度曲線來看,動刀的急回特性不是太明顯,。
5.3.3動刀加速度測試,如圖
由圖可以看出,動刀的加速度接近正弦函數(shù),所以在運動過程中,它的運動相對平穩(wěn)。
5.4誤差分析
在整個機構(gòu)中,導(dǎo)致誤差的原因是多方面的,其中最主要的有裝配誤差,設(shè)計誤差和運動傳遞誤差。
在裝配誤差中,由于整個轉(zhuǎn)配圖是在pro/e中完成的,齒輪之間的齒合以及執(zhí)行元件(曲柄,搖桿和刀具)的初始位置的選擇都會給整個裝配帶來誤差,避免這種誤差的方法是在零件建模的過程中,嚴(yán)格選擇建模的位置,在裝配時 選擇合適的裝配模式。
在設(shè)計誤差中,由于在設(shè)計的時候設(shè)計誤差與 25、實際誤差不相同,例如我們?nèi)绻谡麄€設(shè)計中考慮的誤差為5%,那么實際建模處的機構(gòu)可能會達到8%或者低于5%,且計算過程中精度的選擇在建模過程中有取舍,比如在計算中曲柄的偏心距為13.03mm,在建模的過程中也許建模軟件默認(rèn)為13mm,這樣的話就出現(xiàn)了設(shè)計誤差。要避免這些因素帶來的誤差,在設(shè)計過程中,盡量保證建模軟件的數(shù)值單位與設(shè)計計算的單位的精度一致,盡量選擇有信服力的經(jīng)驗值。
在傳遞誤差中,有時候會因為齒輪的傳動有打滑現(xiàn)象,帶輪與皮帶之間有相對摩擦現(xiàn)象,這些都會使系統(tǒng)出現(xiàn)傳遞誤差,控制這些誤差的最好辦法就是保證齒輪之間的正確,連續(xù)齒合,保證帶輪與皮帶之間的配合。
授課:XXX
5.5 26、設(shè)計改進
5.5.1齒輪的改進
1)由于小齒輪與大齒輪的模數(shù)和壓力角應(yīng)該相等,這樣就保證了齒輪之間的正常齒合,但是通過實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)小齒輪在保證和大齒輪有相同的模數(shù)和壓力角時,其齒數(shù)低于某一范圍后會發(fā)生根切現(xiàn)象,并且不再材料及各種制造工藝都相同時小齒輪的壽命比大齒輪要低得多 ,為了提高小齒輪的壽命,避免根切現(xiàn)象,可以對其進行額外熱處理,如表面硬化,滲氮處理等,還可以對小齒輪進行正變位修正,對大齒輪進行負(fù)變位修正;
2)在鋼筋切斷機運行的過程中,由于各種原因會產(chǎn)生機構(gòu)振動和噪音,在生產(chǎn)現(xiàn)代化和生活環(huán)境高要求的情況下,減少機械的振動和噪音是一項重要的工作,在這個機構(gòu)中,產(chǎn)生振動和噪音的原因 27、有很多,其中裝配間隙和曲柄,搖桿,齒輪等機構(gòu)的運動都會產(chǎn)生噪音和振動,所以在機構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中,可以考慮在不改變曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計的要求下,通過改變齒輪的設(shè)計來達到降噪減振的效果。在齒輪的齒形中,常見的有斜齒齒輪和直齒齒輪,因為他們之間在傳動齒合的過程中的受力原理不同,他們產(chǎn)生的機構(gòu)振動和噪音大小也有一定的區(qū)別,一對直齒輪相嚙合時, 其輪齒沿整個齒寬同時進入接觸或同時分離,容易引起沖擊、振動和噪音,傳動的重合度小,每對輪齒的負(fù)荷大,傳動不夠平穩(wěn),不適用于高速重載的傳動,而斜齒齒輪在傳動過程中,齒面上的接觸線為斜直線,重合度增大,兩輪輪齒逐漸進入嚙合,沖擊、振動及噪聲減小,傳動的平穩(wěn)性增強。(如圖) 28、
5.5.2刀具的改進
刀具在切割過程中,由于刀的切削刃是直線,這樣就容易使鋼筋在受力之后彈出,傷害旁人,為了解決這一問題,可以將刀具的切削刃改為內(nèi)凹曲面,防止鋼筋彈出傷人(如圖),單這種刀具需要更大的行程才能滿足設(shè)計要求。
授課:XXX
六、參考文獻
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