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單位代碼 02
學 號 080105007
分 類 號 TH
密 級
畢業(yè)設計說明書
GQ50型鋼筋切斷機的結(jié)構(gòu)設計與運動仿真
院系名稱
工學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
劉文超
指導教師
王良文
2012年 5 月 10 日
黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 49 頁
GQ50型鋼筋切斷機的結(jié)構(gòu)設計與運動仿真
摘要
本產(chǎn)品的設計是根據(jù)黃河科技學院工學院機械系2012屆畢業(yè)設計的要求，在參觀調(diào)研的基礎上，對大學四年已學知識的總結(jié)、實踐與提高。按照指導老師的要求，我首先查閱了大量關于此產(chǎn)品設計的資料，做好初期準備。然后到河南省長葛市黃河旋風股份有限公司參觀，深入了解鋼筋切斷機的工作原理及使用要求，在此基礎上，形成自己初步的設計思路。
本產(chǎn)品設計給定的原始參數(shù)是：切斷能力為（φ6-φ50）mm的圓鋼；電機功率為4kw；沖切次數(shù)為28次/min；切斷行程為40mm。此次設計的主要研究內(nèi)容和技術關鍵是：根據(jù)鋼筋切斷機的使用要求，確定其工作原理，在此基礎上進行鋼筋切斷機的結(jié)構(gòu)設計，確定主要結(jié)構(gòu)尺寸。主要包括以下幾點：1、電動機的選擇；2、傳動裝置的設計和計算；3、軸承的選擇；4、曲軸連桿機構(gòu)的設計；5、機體的設計；6、刀片的設計選擇。然后根據(jù)這些設計數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品的建模及運動仿真。
本次產(chǎn)品建模使用的是美國Autodesk公司的三維設計軟件Inventor 2011。首先是根據(jù)設計數(shù)據(jù)建立各個零件的草圖，在草圖的基礎上運用零件特征生成三維實體；然后在Inventor 2011軟件的虛擬環(huán)境中進行虛擬裝配，建立數(shù)字樣機；最后進行應力分析、運動干涉分析及運動仿真。
本設計可以大幅降低鋼筋切斷機的研發(fā)周期及成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力和企業(yè)的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：鋼筋切斷機，結(jié)構(gòu)設計，Inventor 2011，虛擬裝配，運動仿真
Disc Centrifuge Spindle Box Design
Author：Wenchao Liu
Tutor：Liangwen Wang
Abstract
This product is designed according to the college of engineering science and technology of 2012 member of graduation design requirements, during a visit to a research, on the basis of the university for four years have already learn knowledge summary, practice and improve. According to the requirements of the guiding teacher, I first looked a lot about this product design information, do well to the early. And then to the Yellow River in henan province ChangGe city whirlwind visit to a joint stock limited company, understand reinforced cutting machine and working principle of the use requirement, and based on this, the preliminary design to form their own ideas.
This product design parameters are given of the original: cutting ability for (phi 6-phi 50) mm round steel; The motor power for 4 kw; For punching number 28 times/min; Cut off the trip to 40 mm. The design of the main research contents, technology and the key is: according to the use requirement reinforced cutting machine, determine its working principle, and based on the structure of the steel cutting machine design, confirming the main structure size. Mainly include the following: 1, the choice of the motor; 2, the design and calculation of transmission device; 3, bearing choice; 4, crankshaft connecting rod design of organization; 5, the body's design; 6, the blade design choices. Then according to the design data modeling of products and movement simulation.
This product modeling is using the company's 3 d design Autodesk Inventor 2011 software. First of all is according to the design data to set up the various parts of the sketch, in the sketch of the use part features based on 3 d entity; And then in the Inventor 2011 software virtual environment in virtual assembly, to build digital prototype; Finally in stress analysis, motion interference analysis and simulation movement.
This design can dramatically reduce the reinforced cutting machine development cycle and cost, so as to improve the market competitiveness of products and the economic efficiency of enterprises.
Keywords: steel cutting machine, the structure design, Inventor 2011, virtual assembling, movement simulation
目 錄
1 緒論 1
2 設計前的準備 3
2.1計劃任務書 3
2.1.1 產(chǎn)品設計的依據(jù) 3
2.1.2 計劃任務書 3
2.2 設計前的準備 3
3鋼筋切斷機的總體設計 4
3.1鋼筋切斷機的工作原理 4
3.2鋼筋切斷機的基本結(jié)構(gòu) 4
4傳動方案的設計 5
4.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算 5
4.1.1分配傳動比 5
4.1.2計算各州的運動及動力參數(shù) 5
4.2 帶傳動的設計 6
4.2.1帶型的選擇 6
4.2.2帶輪基準直徑的確定 6
4.2.2帶速的確定 6
4.2.3中心距、帶長及包角的確定。 6
4.2.4 確定帶的根數(shù) 7
4.2.5 帶輪結(jié)構(gòu)與尺寸 7
4.3 齒輪傳動的設計 7
4.3.1選材料、確定初步參數(shù) 7
4.3.2齒面疲勞強度計算 8
4.3.3齒根抗彎疲勞強度驗算 10
5 Autodesk Inventor 2011 12
5.1 Inventor 2011的組成 12
5.2三維繪圖軟件Inventor 2011的優(yōu)點 12
5.2.1 二維工程圖處理能力比較好 12
5.2.2 具有良好的設計項目管理功能 13
5.2.3 參數(shù)化技術和變量化技術 13
5.2.4 簡便的操作風格 13
5.2.5 精彩的顯示功能 13
6 主要零件的設計及建模 14
6.1機體的設計流程 14
6.2其他主要零件的建模效果展示 23
7鋼筋切斷機的裝配 29
7.1裝配流程 29
7.2大側(cè)蓋的裝配步驟 29
7.2.1新建文件 30
7.2.2裝入所有零件 30
7.2.3向機體安裝大側(cè)蓋 30
7.3裝配效果圖展示 33
8應用Inventor軟件進行干涉檢查 34
8.1檢查零部件之間的干涉 34
8.2 連桿及連桿銅瓦的干涉檢查 34
9繪制各主要零件的工程圖 37
10 傳動結(jié)構(gòu)的運動仿真 41
10.1建立一個簡單的裝配 41
10.2運動仿真步驟 41
致謝 45
參考文獻 46
附 錄 48
1 緒論
鋼筋切斷機是建筑機械的一種。它是鋼筋加工必不可少的設備之一，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。鋼筋切斷機與其他切斷設備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點，因此近年來逐步被建筑工地和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國民經(jīng)濟建設的各個領域發(fā)揮了重要的作用。
新中國成立初期，建筑工程中鋼筋加工技術非常落后，主要依靠手工或者簡單工具，勞動強度大、生產(chǎn)效率低、工程質(zhì)量很難保證。太原重型機械學院是國內(nèi)最早生產(chǎn)鋼筋切斷機的單位之一。他們于1958年首次引進蘇聯(lián)的臥式鋼筋切斷機圖紙，生產(chǎn)了國內(nèi)第一臺鋼筋切斷機。隨后又于1985年引進了日本立式鋼筋切斷機和德國臥式鋼筋切斷機，并在此基礎上研發(fā)了GQ40、GQ50、GQ65等一系列開式、封閉式及半封閉式切斷機。該系列的鋼筋切斷機均是采用機械輪剪切進行切斷的。此外，沈陽建筑工程學院工廠、陜西渭南農(nóng)業(yè)科技股份有限公司、黑虎建筑機械公司等企業(yè)也生產(chǎn)過不同類型的機械式鋼筋切斷機。
目前，國內(nèi)的鋼筋切斷機多以機械輪剪式切斷為主。其工作過程基本為：電動機輸出動力經(jīng)過帶傳動和三級齒輪傳動減速后，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動連桿使滑塊和動刀片在機座的滑道中做往復直線運動，使動刀片和定刀片相錯而切斷鋼筋。
近年來，我國在鋼筋切斷機技術裝備方面有了長足的進步，但產(chǎn)品的技術水平與國外先進水平相比，尚有以下幾個方面的差距：
1)國外切斷機偏心軸的偏心距較大。如日本立式切斷機偏心距24mm，而國內(nèi)一般為17mm。看似省料、齒輪結(jié)構(gòu)偏小些，但給用戶帶來麻煩，不易管理。因為在由切大料到切小料時，不是換刀墊就是換刀片，有時還需要轉(zhuǎn)換角度。
2)國外切斷機的機架都是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，零部件加工精度、粗糙度尤其熱處理工藝過硬，使切斷機在承受過載荷、疲勞失效、磨損等方面都超過國產(chǎn)機器。
3)國內(nèi)切斷機刀片設計不合理。單螺栓固定，刀片厚度夠薄，40型和50型刀片厚度均為17mm；而國外都是雙螺栓固定，25～27mm厚，因此國外刀片在受力及壽命等綜合性能方面都較國內(nèi)優(yōu)良。
4)國內(nèi)切斷機每分鐘切斷次數(shù)少。國內(nèi)一般為28～31次，國外要高出15～20次，最高高出30次，工作效率較高。
5)國外機型一般采用半開式結(jié)構(gòu)。齒輪、軸承用油脂潤滑，曲軸軸徑、連桿瓦、沖切刀座、轉(zhuǎn)體處用手工加稀油潤滑。國內(nèi)機型結(jié)構(gòu)有全開、全閉、半開半閉3種，潤滑方式有集中稀油潤滑和飛濺潤滑2種。
6)國內(nèi)切斷機外觀質(zhì)量、整機性能不盡人意。國外廠家一般都是規(guī)模生產(chǎn)，在技術設備上舍得投入，自動化生產(chǎn)水平較高，形成一套完整的質(zhì)量保證加工體系。尤其對外觀質(zhì)量更是精益求精，外罩一次性沖壓成型，油漆經(jīng)烤漆噴涂處理，色澤搭配科學合理，外觀看不到哪兒有焊縫、毛刺、尖角，整機光潔美觀。而國內(nèi)一些廠家雖然生產(chǎn)歷史較長，但沒有一家形成規(guī)模，加之設備老化，加工過程拼體力、經(jīng)驗，生產(chǎn)工藝幾十年一貫制，所以外觀質(zhì)量粗糙、觀感較差。
從鋼筋切斷機的發(fā)展趨勢看，隨著建筑設計與建筑施工技術的國際化，建筑工程設計與應用鋼筋必將進入商品化供應時代，即根據(jù)建筑配筋表采購鋼筋，鋼筋使用現(xiàn)場轉(zhuǎn)化成可用鋼筋，商品化供應鋼筋。而鋼筋的一體化生產(chǎn)就要求鋼筋切斷機必須實現(xiàn)自動控制——鋼筋自動送料，定尺寸后自動切斷、落料。
另一方面，國外的產(chǎn)品充分融合了液壓技術、機械技術、電子技術等，形成了以機械為筋骨、液壓為肌肉、電氣為神經(jīng)的機電液一體化綜合控制技術，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，體現(xiàn)綜合最優(yōu)驅(qū)動及控制能力。因此，鋼筋切斷機不但要求實現(xiàn)定長剪切的高精度控制，同時要求其具有相對高的生產(chǎn)效率。所以，如何使鋼筋切斷機的機電液系統(tǒng)有機地高度集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，將是今后研究的主要方向。
2 設計前的準備
2.1計劃任務書
2.1.1 產(chǎn)品設計的依據(jù)
本設計是在對河南省長葛市黃河旋風股份有限公司進行生產(chǎn)參觀后，對鋼筋切斷機形成初步認識后，深刻理解其工作原理與結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)自己大學四年所學的機械方面的各種知識，對鋼筋切斷機做一個機構(gòu)設計，并建立數(shù)字樣機進行運動仿真。本設計力求高效、快速的完成產(chǎn)品研發(fā)與校驗，并使產(chǎn)品具備完善可靠的性能，滿足市場需求，增強企業(yè)競爭力。
2.1.2 計劃任務書
根據(jù)建筑市場的使用需求，GQ50型鋼筋切斷機的規(guī)格參數(shù)設定，見表2-1。
表2-1 鋼筋切斷機的參數(shù)
電動機額定功率
4KW
切斷能力
φ6-φ50mm的圓鋼
沖切次數(shù)
28次/min
沖切行程
40mm
2.2 設計前的準備
接到任務書初期，先查閱了大量有關鋼筋切斷機的的論文、資料。其后，為了在產(chǎn)品設計前能對鋼筋切斷機有一個整體、大概的認識，我在王良文教授的幫助指導下，對河南省長葛市黃河旋風股份有限公司進行了為期一天的參觀、調(diào)研，認真觀察了鋼筋切斷機的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)過程，在其間遇到的各種問題，仔細聽取了黃河旋風股份有限公司建筑機械部張工程師的講解。
回到學校后，收集、整理鋼筋切斷機的相關資料，通過分析其性能和技術指標，并結(jié)合自己所學的理論知識進行設計。
3鋼筋切斷機的總體設計
3.1鋼筋切斷機的工作原理
工作原理：采用電動機經(jīng)過一級帶傳動和三級齒輪傳動減速后，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動連桿，使滑塊和動刀片在機座的滑道中做往復直線運動，這樣，活動刀片和固定刀片就能相錯而切斷鋼筋。
3.2鋼筋切斷機的基本結(jié)構(gòu)
傳動方案簡述：首先是一級帶傳動，然后是三級齒輪減速。
首先采用一級帶傳動，因為它具有緩沖、吸震、運行平穩(wěn)、噪聲小、過載保護等優(yōu)點。然后采用三級齒輪減速，因為齒輪傳動可以用來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比準確，使用壽命長，工作安全可靠等優(yōu)點。
動力是由電動機輸出，通過減速系統(tǒng)傳動，把動力輸入到執(zhí)行機構(gòu)。由于傳動系統(tǒng)做的是回轉(zhuǎn)運動，而鋼筋切斷機的執(zhí)行機構(gòu)需要的是直線往復運動。為了實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，可以采用曲柄滑塊機構(gòu)或者齒輪齒條機構(gòu)?？紤]到現(xiàn)實使用條件，決定采用曲柄滑塊機構(gòu)作為本機械的執(zhí)行機構(gòu)。
考慮到工地上的機械需要經(jīng)常變幻地方，且考慮到經(jīng)濟性，應盡量使產(chǎn)品的尺寸減小、結(jié)構(gòu)緊湊，所以本設計中的小齒輪都采用齒輪軸的形式。為了節(jié)能、儲能和減震，本設計運用了飛輪的優(yōu)點。為了使飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸不至于過大，本產(chǎn)品把飛輪與大帶輪作為一個整體來設計，安裝在第一根軸上。
本設計基本結(jié)構(gòu)如圖3.2
1.電機 2.小帶輪
3.大帶輪 4.一軸
5.二軸連軸齒輪 6.三軸
7.曲軸大齒輪
8.機體 9.二軸
10.三軸連軸齒輪
11.曲軸 12.連桿
13.活動刀座 14.活動刀片
15.固定刀片
4傳動方案的設計
4.1 基本傳動數(shù)據(jù)計算
4.1.1分配傳動比
電動機功率為4kw，選擇型號為Y112M-2，其滿載轉(zhuǎn)速為2890r/min。
1）總傳動比
2）分配傳動裝置的傳動比
上式中分別為帶傳動與減速器（三級齒輪減速）的傳動比，為使V帶傳動的外廓尺寸不致過大，同時使減速器的傳動比圓整以便更方便的獲得圓整地齒數(shù)。初步取=1.6，則減速器的傳動比為
3）分配減速器的各級傳動比
查閱機械設計手冊，取=4，=4，則=4。
4.1.2計算各州的運動及動力參數(shù)
1）各軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
2）各軸的輸入功率
查《機械設計課程設計手冊》表1-7，取帶傳動的傳動效率=0.96 ，取齒輪傳動的傳動效率為0.97。則
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
3）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩
電動機的輸出轉(zhuǎn)矩
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
曲軸
4.2 帶傳動的設計
4.2.1帶型的選擇
由設計數(shù)據(jù)可知，V帶的傳動功率為4kw，小帶輪的轉(zhuǎn)速為2890r/min，大帶輪的轉(zhuǎn)速為1806r/min。
查《機械設計》可知，工況系數(shù)取 KA=1.5 ，Pc=1.5×4=6kw。根據(jù)以上數(shù)值及小帶輪的轉(zhuǎn)速查相應得圖表選取B型V帶。
4.2.2帶輪基準直徑的確定
查《機械設計》表8-4a ，取小帶輪的基準直徑為200mm，則大帶輪的基準直徑為320mm。
4.2.2帶速的確定
4.2.3中心距、帶長及包角的確定。
由《機械設計》式8-20知，帶的中心距為
0.7(d1+d2)
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