钢筋切断机设计计算说明书姓名：学号：20060885班级：06机械2班指导老师：何朝明2009年6月第1章问题的提出3第2章设计要求与设计数据42.1 设计要求42.2 性能数据42.3 关键问题及创新点52.4 预期成果5第3章机构选型设计63.1 驱动装置方案选择63.2 传动方案选择73.3 执行机构方案选择93.4 系统控制方案选择10第4章机构尺度综合104.1 电机功率理论计算1.1.4.2 齿轮系参数设计124.3 执行机构参数设计12第5章机构运动分析135.1 各机构运动方程135.2 运动仿真分析145.2.1 电机运动145.2.2 飞轮运动155.2.3 曲柄运动155.2.4 滑块运动165.2.5 动刀运动17第6章机构动力分析186.1 电机受力分析196.2 第一级齿轮分析196.3 曲柄受力分析206.4 动刀受力分析21第7章飞轮设计227.1 飞轮惯量计算分析227.2 飞轮惯量计算227.3 飞轮设计237.4 飞轮启动时间分析设计23第8章结论24第9章收获与体会25第10章致谢25参考文献26附录1建模过程27附录2文献综述30附录3机构运动简图34第1章问题的提出目前国内建筑工地使用的钢筋切断机虽能完成切断动作，但其执行机构没有考虑到对切刀运动规律和动力特性的要求，切刀工作过程中产生的冲击很大，切断效率较低。因此，有必要将现存的钢筋切断机加以改进，重新设计，以获得动态性能较好的钢筋切断机，使其实现操作简便、调节方便、落料简单、生产效率高等特点。和国外钢筋切断机对比同样可以发现国内钢筋切断机的问题所在。国内外切断机的对比：由于切断机技术含量低、易仿造、利润不高等原因，所以厂家几十年来基本维持现状，发展不快，与国外同行相比具体有以下几方面差距。1) 国外切断机偏心轴的偏心距较大，如日本立式切断机偏心距24mm而国内一般为17mm看似省料、齿轮结构偏小些，但给用户带来麻烦，不易管理因为在由切大料到切小料时，不是换刀垫就是换刀片，有时还需要转换角度。2) 国内切断机刀片设计不合理，单螺栓固定，刀片厚度够薄，40型和50型刀片厚度均为17mm而国外都是双螺栓固定，2527mnB,因此国外刀片在受力及寿命等综合性能方面都较国内优良。3)国内切断机每分钟切断次数少.国内一般为2831次，国外要高出1520次，最高高出30次，工作效率较高。4)国外机型一般采用半开式结构，齿轮、轴承用油脂润滑，曲轴轴径、连杆瓦、冲切刀座、转体处用手工加稀油润滑国内机型结构有全开、全闭、半开半闭3种，润滑方式有集中稀油润滑和飞溅润滑2种。以往的机械传动式钢筋切断机，工作时大都采用电动机经一级二角带传动和一级齿轮传动减速后，带动曲轴旋转，曲轴推动连杆使滑块和动刀片在机座的滑道中作往复直线运动，使活动刀片和固定刀片相错而切断钢筋。这种形式的钢筋切断机卞要有GJS-40和QJ40-1型两种类型，除传动机件有所不同外，其他构造基本上一致，都可以切断直径40mmz下的钢筋，每分钟切断12次。这类钢筋切断机由于采用了一级带传动及一级齿轮传动，运动和动力传到曲柄滑块机构时，有一个效率降低的过程，另外，结构不紧读，重量大，安装、调试复杂，目由于要求齿轮传动具有一定的精度，制造成本也较高。所以有必要对钢筋切断机进行重新设计，以提高其性能。第2章设计要求与设计数据2.1设计要求1）基本工作要求：用手工将不同规格的钢筋按所需长度送至刀口，将其切断；以后再次送入，作下次截断。2）运动要求（参照图1-1）:i）在切断过程中，要求切断速度尽可能小，速度尽可能均匀，以保证切削质量，减少冲击；ii）保证切刀行程H;iii）切刀空行程中速度尽可能快，以提高效率；iv）保证切刀的每分钟切断次数（生产率）。3）动力要求:切刀能产生足够的冲力克服工作阻力，要有较好的传动性能。2.2 性能数据拟采用三相异步电机作动力源，初定电机转速nd=2880rpm；所切钢筋的最大直径dma440mm动刀通过的距离H=44mm其生产率分型号为38次/分刀在切断过程中所受工作阻力P=400kN其它行程无阻力。整个机器的尺寸范围为：长X宽X高01600X500X750mm图1-1图1-1电机功率可以根据产品设计要求自选，但功率不能大于7kW此产品将在灰尘浓度大，工况环境恶劣的工地工作，所以尽量不选用液压驱动。2.3 关键问题及创新点1 .在保证机器尺寸范围的基础上，要达到切断钢筋的最大直径为40mm要求是个不小的挑战；2 .本设计要实现较高的切削动态性能，以减少冲击，即对执行机构的函数发生线设计要求较高；3 .需要实现多种生产效率，即要求实现动刀在切削不同型号钢材是可选择相应的生产效率；4 .改进传动方案并采用回归式传动方案。这种回归式传动方式较展开式传动方式结构更为紧凑。改变后的曲轴为空心偏心曲轴，而空心轴具有承受较高弯扭载荷的能力和重量轻的特点。因而，采用回归式传动方式使传动方案更趋合理。改进传动结构，采用角变位齿轮。取小齿轮变位且不发生根切时的最少齿数进行设计。与之相啮合的大齿轮可以不变位，因为一般大齿轮较小齿轮的强度高。采用变位齿轮传动减小了齿轮传动中心距，同时两级齿轮中心距要求相等时，可以更好地凑中心即，也减轻了齿轮的磨损，齿轮弯曲强度和接触强度都相对地有所提高。2.4 预期成果图1-2和图1-3,为最初的执行机构设想。其中图1-2采用了比较常用的对心曲柄连杆机构，设计简单，工作可靠，但效率相对也较低。图1-3采用两级连杆机构，可得到较为理想的运动曲线，相应的效率会有所提高，设计参数增加。可以看出此机构在牛头刨床中采用的比较多，切断力大，但加工制造会增加，体积也会增大。第3章机构选型设计3.1 驱动装置方案选择3.1.1 液压驱动(1)液压驱动有作用通过几乎不可压缩的油液的压强来实现，而压力的大小又取决于负载的大小；液压传动可以很容易地实现无级变速；液压输入功率等于油液压强与油液流量的乘积。主要有齿轮泵，叶片泵，柱塞泵。前两种输出为旋转运动，后者输出为直线运动。皿 -IS (-1-1- E! by Fi.rn/IEmH-EiuriHin (凡牛；加i -Kb MT rilfa-FV ( I a Ml 2-H.llb-1 1 卬= 11.I 隶 i1 | 轴或 I(2)基于钢筋切断机的工作状态，环境及成本，最宜选择齿轮泵。齿轮泵有结构简单、体积小、重量轻、工作可靠、自吸性能好、抗油污能力强，但效率低，噪音大，流量脉动大，不能用做变量泵等特点。构图如右图。采用液压系统配合液压控制装置，可很容易实现机械系统的控制。其简易控制液压回路图如图3-1L充油阀2.顺序阀3.电磁阀4.副物刀5,主切刀6小液压缸7*大液压缸图3-13.1.2 手动驱动当设计要求为便携式钢筋切断机时可考虑此方案。使用手动驱动一般会用到液压和压力倍增机构，设计相对复杂，要求较高。在这里暂不予以考虑。3.1.3 电机驱动电机驱动是较为常用和传统的驱动方式，特别是三相交流异步电机应用更为广泛。三相异步电机的输出功率比较大，完全可以满足本设计的驱动要求。综合考虑本设计的使用功能性能要求以及工况设计成本，本设计采用三相异步电机作为驱动原机。3.2 传动装置方案选择3.2.1 液压传动方式若采用液压泵作为驱动装置，则应选择液压的传动方式，本设计已经不予以考虑。3.2.2 带传动方式带传动为挠性传动，具有防抱死工况的发生，所以在以内燃机或工况较恶劣工作下的电机为原机时常被采用，特别常在第一级传动中出现；但由于是靠摩擦来传递动力，导致部分能量转化为热，效率下降。尽管如此该传动方式符合本设计要求，予以考虑。3.2.3 齿轮传动在机械传动中应用最广泛的传动方式，其传动准确可靠，效率很高，噪声小，可以满足不同工况要求，但其加工成本比较高，可实现传动比不是很大，需要多级传动才能达到大传动比的要求。3.2.4 组合传动由于机械运动形式、运动规律和机械性能等方面要求的多样性和复杂性，而以上传动机构的局限性，因此常常需要将几种机构配合起来，形成组合传动机构。综合以上基本传动方式，可有以下几种传动方案：（1）日前使用的小型钢筋切断机的传动方式，多采用展开式，如图3-2所示，其三根传动轴轴线呈三角形空间平行分布。图$2展开式传动系统运动匐图L定刀2动刀3滑道4滑块5廉二夔大齿轮6第二级齿轮轴工飞轮也三猜皮带* 皮带轮10电动机11第一皴齿轮轴12第一额F 大齿轮13.曲轴14.连杆=图3-3回心式传动系统送动蔺图1定刀2动刀3一滑道4.滑块5飞轮6.第一短大齿轮了三角皮带”卜皮带轮釉9 .电1 动机10.第三级齿轮鼬11.第一级大齿轮12.空， 心脩心曲轴1工第一级齿轮轴14速杆(2)从传动方式上进行改进，采用回归式传动方案，如图3-3所示。其三根传动轴轴线呈平面分布，其中有两条轴线重合。这种回归式传动方式较展开式传动方式结构更为紧凑。改变后的曲轴为空心偏心曲轴，而空心轴具有承受较高弯扭载荷的能力和重量轻的特点。因而，采用回归式传动方式使传动方案更趋合理。(3)将传动式传动增加一级齿轮传动，适当增大传动比，改善受力情况。上述(2)传动方案对多级传动结构改善并不明显，所以依旧采用传统式。运动简图，如图3-3所示。i-电机,2-小带轮.3大带粒工4-I轴连轴齿轮,5-1轴大齿轮】6-皿轴连轴雷轮.7-游动大的轮r8-离合器9一固定刀片.1Q-活动刀片】一活动刀座112一连杆113-曲柄(轴)14一皿轴，15in轴大齿轮+16-口轴17-II轴隹轴齿轮18轴I19-机体图3-3传统三级传动运动结构简图3.3执行装置方案选择执行机构选择的关键是将旋转运动转化为直线运动，同时保证好的运动和动力特性。有以下三种方案：(1)采用曲柄滑块机构，如图3-4所示，优点是结构简单，制造成本低，缺点是运动轨迹设计很难达到设计要求，从而导致动力特性不是很好。图3-4曲柄滑块机构(2)采用齿轮齿条机构，如图3-5所示，优点传动比精确，但在本方案中，亦没有这方面的要求，且动刀运动需要较好的急回特性，明显该机构不满足，故舍弃。图3-5齿轮齿条机构(3)采用凸轮机构，如图3-6所示，该方案优点是设计灵活，可以达到高精度的运动曲线和运动特性要求，但设计也相对复杂。(i一图3-5凸轮机构本设计采用方案1,性能可以达到设计要求。3.4系统控制方案选择如图3-3所示，开启制动通过操纵杆离合器控制，在这里不做详细介绍，有意者可以查阅相关书籍资料。第4章机构尺度综合4.1 匹配电机功率理论计算按切断机一次剪切平均能量确定电机功率公式为：式(4-1)N上A1000t1000*60/(n*Cn)一式中N平均功率，kWA一次剪切所需之总功，Jn滑块行程次数，1/minCn行程利用系数(手动取0.5,流水线作业时取1)考虑电机运转安全系数K及效率，则电机功率为:式(4-2)n-A-1000坨nCnN实际电机功率，kWK安全系数(1.11.3)整机效率，%总功A值的理论计算分析:Ai剪切功，JAAiA2A3式（4-3）