（机械电子工程专业论文）高速钢筋切断机液压系统改进设计与实验研究.pdf

摘要 摘要 本文对国内外钢筋切断机发展的历史和现状进行了介绍，研究工作在 已有的钢筋切断机液压系统方案基础上，对其进行了优化设计。改进后的 系统，不仅结构简单、响应迅速，且减小了系统的功率损耗、噪声以及对 剪切液压缸缸底的冲击，提高了元件使用寿命，达到了设计要求。 文中首先分析了液压剪切系统的原理、钢筋切断过程中剪切力的变化 以及液压缸缓冲的结构和作用原理。对选择液压系统的参数做了研究，为 设计实验样机做了充分的准备。 本文建立了高速钢筋切断机液压系统的数学模型，充分考虑了液压动 力元件、蓄能器及液压软管等元件的影响，着重分析了液压缸缓冲结构的 动态特性。基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台，建立了剪切系统的液压缸冲 程、回程剪切的仿真模型，并进行仿真。仿真结果表明，系统性能达到了 设计要求，为实验研究奠定了基础。 利用d s p a c e 软硬件集成系统对实验系统实现实时在线控制和数据采 集，得到了不同系统工作压力下的剪切液压缸位移变化曲线。实验结果表 明，高速钢筋切断机的运动规律与仿真所获得的规律一致，证明了系统数 学模型的正确性及样机投入生产的可行性。 关键词高速钢筋切断机；液压系统；缓冲；液压软管；动态特征 燕山大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t e e lb a rc u t t e r ss t a t e - o f - t h e a r tb o t hd o m e s t i c a n da b r o a d ，t h er e s e a r c hw o r kw a sb a s e do nt h ep r o g r a m eo ft h ev e s t e d h y d r a u l i cs y s t e mo ft h es t e e lb a rc u r e r , a n dt h e np r o c e e d e dt h eo p t i m u md e s i g n f o ri t t h ei m p r o v e ds y s t e mn o to n l yh a ss i m p l es t r u c t u r e ，p r o m p tr e s p o n s e ，a l s o h a sr e d u c e dt h ep o w e rl o s sa n dn o i s eo ft h es y s t e m ，t h ea t t a c kt ot h eh y d r a u l i c s h e a rc y l i n d e rb o t t o mw a sr e d u c e d ，a n dt h eo p e r a t i n gl i f ew a si n c r e a s e d i th a s r e a c h e dt h ea i m sf o rt h ed e s i g n t h ep r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cs h e a rs y s t e m ，t h ec h a n g eo ft h es h e a rf o r c e i nt h es t e e lb a rc u t t i n g o f fp r o c e s s ，a n dt h es t r u c t u r ea n da c t i o np r i n c i p l eo ft h e b u f f e ro ft h ec y l i n d e rw e r ea n a l y z e da tf i r s ti nt h ep a p e r t h e n ，i tr e s e a r c h e df o r s e l e c t i n gt h eh y d r a u l i cs y s t e m sp a r a m e t e r s ，t h e s ew e r es u f f i c i e n t l yp r e p a r e df o r t h ed e s i g no f t h et e s tp r o t o t y p ef o re x p e r i m e n t t l l i sp a p e rh a sc r e a t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h es t e e lb a rc u t t e r , c o n s i d e r e dt h eh y d r a u l i cp o w e ru n i t ，a c c u m u l a t o ra n d h y d r a u l i cp i p e ，s p e c i a l l yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r b u f f e rs t r u c t u r e b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a t l a b s i m u t i n k ，t h e s i m u l a t i o nm o d e l so f t h ec y l i n d e r ss t r o k ea n dr e t u mr a n g ei ns h e a rs y s t e mw e r e e s t a b l i s h e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n si n d i c a t e d ，t h es y s t e mh a sr e a c h e dt h e a i m so fd e s i g n a n dt h e s ea l s os u p p l i e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n t r e s e a r c h u s e dd s p a c es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e g r a t i o ns y s t e mt oc o n t r o lr e a l t i m ea n do n l i n ea n dc o l l e c td a t a ，t h er e s p o n s ec u r v e so ft h ep o s i t i o no fs h e a r c y l i n d e ri nd i f f e r e n ts y s t e mw o r kp r e s s u r ew e r eg e t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t e d ，t h er e s u l t so ft h ep o s i t i o no ft h ec y l i n d e ri nt h eh i g h - s p e e ds t e e lb a r c u r e ra n dt h er e s u l t s g e tb ys i m u l a t i o nw e r es a l t l e ，t h a ta p p r o v e d t h e i l a b s t t a c t m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sc o r r e c ta n dt h em o d e lm a c h i n ec o u l dp u ti n t o o p e r a t i o n k e y w o r d sh i 曲一s p e e ds t e e lb a rc u t t e r ；h y d r a u l i cs y s t e m ；b u f f e r ；h y d r a u l i c p i p e ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s n l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高速钢筋切断机液压系 统改进设计与实验研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签字奎晓乏、日期：如呵年占月i o n 燕山大学硕士学位论文使用授权书 高速钢筋切断机液压系统改进设计与实验研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：套他日期：1 年了月，。f i 导师签名日期：7 年歹月，o 只 第1 章绪沦 第1 章绪论 1 1 钢筋调直切断机的发展现状 随着我国经济建设的飞速发展，建筑工程也同时得到了快速地发展。 而钢筋作为建筑工程中的重要材料，其需求量更是极大地增长，这有力地 拉动了钢筋调直切断机的市场需求。而近几年来，新i 级钢筋以其强度高、 延性好的优良性能，迅速在全国建筑工程中得到广泛地使用。这也对建筑 用钢筋调直切断机提出了更高的要求。为此，许多企业纷纷投入大量资金， 争相开发、研制适合新i 级钢筋要求的高速、大直径钢筋调直切断机【l 】。 我国于1 9 5 8 年引进了苏联的卧式钢筋切断机图纸，开始生产了全国第 一台钢筋切断机，现生产的g q 4 0 a 型钢筋切断机就是其改进型。4 0 a 型切 断机属于全开式结构，所有的传动齿轮全部外露。因此，其防尘性能差、 易磨损，冲切次数为2 8 次分，并且没有离合器控制，操作不安全，质量 体积均较大。全国2 0 多个切断机生产厂家，从1 9 6 6 年到1 9 8 5 年一直以该 机型为主导产品。1 9 8 2 年太原重型机械学院机器厂设计出g q 4 0 bi i 型钢筋 切断机，在曲轴大齿轮处装上刚性转键离合器，用脚踏操纵机构控制切断， 同时装上挡料和送料装置。该机型操作安全、下料长度准确、减轻了劳动 强度。目前市场上的g b 5 0 b 系列钢筋切断机具有全封闭、系统润滑、双飞 轮、哈夫式箱体结构，因而操作、维修方便，使用安全可靠，效率高，重 量轻，节能耗。其它型号的钢筋切断机，如g t 系列钢筋调直切断机主要用 于调直、定尺切断建筑用冷轧带肋钢筋、热车l i i ! 级钢筋和冷轧光圆钢筋。 该系列机型自动化程度高，设备使用故障率低，为连续工作制方式。耗能 低、不损肋、无连切、噪音小、震动轻、并设有安全装置，自动计数停车 装置，有高效适用运行可靠等特点【2 】。此外，市场上还存在多种液压式的钢 筋调直切断机，如d y j 3 2 型和y q j 3 2 型液压式钢筋切断机等，这两种切 断机都采用了柱塞泵带动主切刀的结构，操作方便，但足加工困难，精度 燕山大学工学硕士学位论文 不易保证，不能实现快速回程，效率低【3 l 。 与国际上先进产品相比，我国钢筋调直切断机的总体水平还是比较落 后的。主要表现在：企业的生产规模小，产品的技术含量低，生产效率低 下，自动化水平不高以及外观质量粗糙等。并且大部分产品调直速度较低， 钢筋的直线度不高，表面划伤较重l i 。 面对竞争日益激烈的我国建筑机械市场，加大科技投入，重视新技术、 新产品的研究开发，提高产品质量，使企业的产品不断地满足广大用户的 需求，尽快缩短与国外先进企业的差距，使我国的钢筋调直切断机达到国 际先进水平，无疑是我国广大钢筋调直切断机生产企业生存与发展的必由 之路【1 】、【4 】。 1 2 钢筋调直切断机简介 1 2 1 钢筋调直切断机的种类和特点 目前，市场上生产和销售的钢筋调直切断机种类很多，根据设备组成 和各工作机构的特点，可以按以下6 种方式进行分类：按定尺方式、按落料 方式、按控制方式、按上料方式、按调直方式和按切断方式。下面分别就 这几种方式进行介绍i l j 。 1 2 1 1 定尺方式钢筋切断机的定尺方式一般存在两种方式：机械式和机 电式。 ( 1 ) 机械式定尺误差小，易控制，但噪声较大，寿命短。适用于对定 尺误差要求较高，速度要求不高的场合。 ( 2 ) 机电式定尺误差稍大，噪声较小，寿命长。适用于对定尺误差要 求较低，调直速度要求较高的场合。 定尺剪切讯号的发出大体有三种形式：机械信号，行程开关( 接触或非 接触式) 发出的电信号，光电码盘发出的电讯号。 一般地说，定尺的精度主要取决丁二从发出讯号到切刀响应的时间误差。 机械讯号的精度最高，误差可在士l m m ，这足因为它与刀具直联，响应时间 第1 章绪论 短，时间误差小。其他形式的定尺误差在士5 3 0 r a m 之间。 1 2 1 2 落料方式落料方式主要有支撑柱式、翻板式、撤板式和敞口式四 种。 ( 1 ) 支撑柱式结构简单，工作噪声小。适用于小直径光圆钢筋，且钢 筋调直度较高的场合。 ( 2 ) 翻板式结构较复杂，工作噪声较大。适用大、中直径钢筋。 ( 3 ) 撤板式结构较复杂，工作噪声较大。适用大、中直径钢筋。 ( 4 ) 敞v i 式结构简单，工作噪声较小。适用大、中直径钢筋，且钢筋 调直度较高的场合。 1 2 1 3 控制方式控制方式分普通电气控制和p l c 控制。 ( 1 ) 普通电气控制线路复杂，对维护人员要求较高。控制精度低，易 于发生故障，初期调试麻烦。 ( 2 ) p l c 控制线路简单，对维护人员要求不高。控制精度较高，运行 比较稳定，初期调试简单。 1 2 1 4 上料方式上料方式分开卷式和非开卷式。 ( 1 ) 开卷式设备复杂，放线速度快、钢筋不扭转，特别适合于高速工 作状态。 ( 2 ) 非开卷式设备单一，适于调直速度不太高的工作场合。放线时钢 筋自然扭转。 1 2 1 5 调直方式钢筋调直切断机的调直方式主要有调直模式、曲线辊 式、对辊式和调直模式+ 对辊复合式。 ( 1 ) 调直模式钢筋调直效果好，比较容易控制。但调直速度低，被加 工钢筋表面有划伤，工作噪声较大。该模式适合各种光圆钢筋。 ( 2 ) 曲线辊式调直速度较快，钢筋调直效果好，且易控制。但被加工 钢筋表面划伤较重，工作噪声也较大。适合各种光圆钢筋和对钢筋表面划 伤要求不高的场合。 ( 3 ) 对辊式调直速度快，被n t 钢筋表面有轻微划伤，工作噪声小。 钢筋调直效果一般，控制要求较高。适合各种钢筋，特别适合冷、热轧带 肋钢筋。 燕山大学| e 学硕士学位论文 ( 4 ) 调直模式+ 对辊复合式调直效果比较好，比较容易控制。调直速度 高于曲线辊式，低于对辊式。被加工钢筋表面有划伤，工作噪声比较小。 适合各种钢筋。 1 2 1 6 切断方式切断方式的不同，在很大程度上影响着切断机的性能， 下面将对各种不同的切断方式进行详细地介绍，分析其工作原理及特点。 切断方式按切刀的移动方式不同可分为：旋转式剪切、上下移动式剪 切和下移式剪切三种，其工作原理如图l - 1 所示p j 。 ( a ) 旋转式剪切 ( b ) 上下移动式剪切 ( c ) 下移式剪切 图1 - 1 剪切工作原理图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h e a r i n gw o r k 工作时，绕在旋转架上的钢筋，在连续旋转着的牵引轮和调直架内的 调直辊共同作用下，从切刀中间通过，进入承料架。当调直钢筋端头触动 4 第1 章绪沧 定长装置的信号发生器时，发生器发出信号，操动切断刀具动作，切断钢 筋后刀具返回到下一次的启动位置。 旋转式剪切系统主要由承料架，定长开关，电磁铁，牙嵌离合器，主 动齿轮，切断齿轮，制动器等组成。当钢筋通过两个切断齿轮中间的缝隙 进入承料架并触动定长开关后，通过电磁铁带动牙嵌离合器使飞轮轴与主 动齿轮轴连接，主动齿轮旋转一周带动切断齿轮旋转三分之一周，同时切 断钢筋。切断齿轮上均布三对刀齿并轮流工作，以延长刀具寿命。 上下移动式剪切系统主要由承料架，定长开关，电磁铁，转键离合器， 曲柄连杆，平移式下切刀台，摆动式上切刀片，制动器等组成。当钢筋通 过平移式下切刀进入承料架并触动定长开关后，电磁铁带动转键离合器使 飞轮轴与曲柄轴联接，曲柄上的连杆推动平移式下切刀台在四连杆机构的 作用下前进。摆动式上切刀片的一端固定在机架上，另一端刃口紧贴在平 移式下切刀台的刀刃处，当平移式切刀台沿圆弧轨迹运动时，两刀片刃口 相对运动，切断钢筋，曲柄使刀台复位，等待下一次剪切。 下移式剪切系统的形式比较多，按刀具的驱动形式可分为：摆动式、 锤击式、液压式。 摆动式切断方式：这种设备的剪切机构类似一把铡刀，当钢筋通过固 定的机架上的定刀孔进入承料架并触动定长开关后，摩擦片式离合器动作， 带有凸轮的转轴旋转一周，凸轮使带有切刀的摆臂摆动，从而完成一个切 断动作。目前国外进口的调直切断机的剪切机构大都采用这种方式。 锤击式切断方式：国内大多数带肋钢筋加工厂和预制构件厂使用的调 直切断机均采用这种机构。这种设备是由电机带动一个曲轴转动，一个锤 头在曲轴的作用下高速不停地上下运动，在锤头的后面位置上有一个滑动 刀台，刀台上有切断钢筋用的切刀。当钢筋前进到预定长度时，钢筋端头 触动与滑动刀台相连的定尺板，定尺板带动刀台前移。当刀台移到高速上 下运动的锤头下时，锤头打击刀台上的刀架，刀架上的上切刀将钢筋切断， 切断的钢筋落入承料架内，同时压缩弹簧将滑动刀台迅速推回原位置，以 免被锤头第二次打击。锤击式切断机构，长期以来一直存在连切的问题， 被行业称之为老大难问题。随着专利技术“锤击式冲压及切断设备的零连 燕山大学丁学硕上学位论文 切装置”的开发与应用，不仅彻底解决了锤击式切断机构的连切问题，而 且调直度好，长度误差小。 液压式切断方式：钢筋通过下切刀口进入承料架，触动定尺信号，该 信号可控制液压缸的动作，液压缸活塞杆的端部装有上切刀，活塞杆下行 即可切断钢筋。这种切断方式根据定尺机构的不同，定尺精度也不同。 液压式钢筋切断机的出现虽然晚于机械式切断机，但却有着不可比拟 的技术优越性和高经济效益。其技术优越性大致表现在如下方面： ( 1 ) 具有较高的工作性能由于可以使用较高的液压力，因而钢筋切断 机能以很高的冲击力进行剪切。 ( 2 ) 具有较低的工作噪音摆脱了齿轮等机械传动，直接由油缸实现直 线传动，因而结构简单，噪音小。 ( 3 ) 具有较好的工作适应能力可实现直径在6 m m 1 6 m m 之间的钢筋 加工。同时，还可一机多用，采用不同的工作头即可进行多种工作，如弯 管、穿孔等。 “) 具有较高的工作可靠性省去各种离合装置，不会由于离合装置不 可靠而产生连切，易于实现自动化生产。同时，控制系统的引入，可以实 现定尺剪切，并保证钢筋切口的表面质量。 ( 5 ) 携带方便当输出力或者输出力矩相同时，液压工作头的重量远小 于电动或气动工具。此外，采用了超高压小流量液压技术，所以其体积小、 重量轻。 1 2 2 钢筋切断机的发展前景 从目前的国内的使用情况来看，锤击式、机械定尺结构的钢筋调直切 断机占主导地位。这主要足因为采用机械定尺的定尺精度高，适用于预应 力混凝土钢筋的生产，这种结构的钢筋调直切断机其钢筋前进速度一般为 o 5 o 8 m s t 5 1 1 引。 对钢筋的定尺精度要求不高的用户，可靠性要求是主要的，故障率应 尽可能地低，产量应尽可能的高。为此，利用液压式切断机机构简单、可 靠的性能，缩短其剪切时间，提高生产效率是未束钢筋调直切断机械的发 6 第1 章绪论 展方向p j 。 但目前液压式钢筋切断机的剪切速度都比较慢。如果液压式切断机需 要0 5 s 完成一次剪切，而钢筋的前进速度为0 5 m s ，则剪切过程中液压剪需 要随钢筋前进0 2 5 m ，这样就需要液压切断机的滑道比较长，如钢筋的前进 速度大于0 5 m s ，其滑道将随前进速度的增大而加长。由此看出，钢筋调直 切断机调直速度较低的关键因素就在于剪切周期太长，这极大地限制了切 断机效率的提高。 国内的调直切断机剪切时间一般都在8 0 1 2 0 m s ，这导致调直速度只能 在5 0 7 0 m m i n 之间徘徊。而国外调直机的调直速度之所以一般都能够达到 1 2 0 m m i n ，其主要原因就是剪切时间能够减至2 0 m s 以内。所以，如何缩短 钢筋切断机的剪切时问，是改进钢筋切断机的重要任务之一。 钢筋切断机不但要求实现定长剪切的高精度控制，同时要求其具有相 对高的生产效率。所以，如何利用液压式钢筋切断机的特点，使钢筋切断 机实现机电液高度集成，充分发挥各自优势，将是今后研究的主要方向。 1 3 课题的研究背景 1 3 1 课题来源 本课题来源于河北省博士基金项目“高速调直切断系统伺服随动机 构”。 1 3 2 课题研究背景 燕山大学机械厂生产的钢筋调直切断机一直在国内处于领先水平，并 多次被评为省级优秀产品。特别是近年开发的新产品，普通型热轧螺纹钢 筋调直切断机( l g t 系列) 与数控热轧带肋钢筋调直切断机( l g t k r 系列) 填 补了国内热轧带肋钢筋调直切断机的空白，并深受用户的好评。此外，还 有液压式的g t 3 8 a 型钢筋调直切断机等设备，都在切断机市场上有很大的 竞争力。 7 燕山大学下学硕士学位论文 本课题以燕大机械厂为依托，在机械厂已有的切断机设备上对其剪切 部分进行改进，其目的足缩短剪切时间，提高剪切效率。去年，本课题组 研制出的新型高速剪切机构，经实验验证，其剪切时间能够控制在o 0 2 4 s 以内，剪切效率大大提高。但是，通过对实验结果的分析得出：该机构虽 然满足了系统的快速性要求，但冲击大，噪声大，并且设计机构为实验样 机原型，不能配套安装于现有剪切机设备，与实际使用生产脱节。本课题 将在已有的工作基础上，对这套新型高速剪切机构进行优化设计，满足系 统快速性和低冲击的要求，并使这一新型剪切机构能够应用于实际生产。 1 3 3 课题的研究意义 1 3 3 1理论意义本课题研究的理论意义有以下几个方面： ( 1 ) 本文对钢筋调直切断的发展现状进行了介绍，对目前国内钢筋切断 机与国外同类产品的差距进行了分析，并且对切断机各组成部分做了详细 地介绍。这些均为本研究领域及相关领域的研究人员认识钢筋切断机提供 了条件。 ( 2 ) 本文中采用的剪切回路剪切速度快，结构简单，解决了传统钢筋切 断机速度与结构间的矛盾，值得相关领域的研究人员在设计其它建筑机械 时进行参考。 ( 3 ) 对钢筋切断机的钢筋切断过程、剪切力变化做较为详细的分析，通 过确定切断时的最大剪切力，降低切断机的能耗系数与材耗系数，提高切 断机的切断能力。这为以后的设计计算提供了理论依据。 ( 4 ) 在建立了基本的非恒压、非恒流的液压系统数学模型并对其仿真的 前提下，对系统的仿真模型进行合理的优化，使仿真结果更具有科学性和 指导性。这将为今后相关研究工作提供一定的理论基础。 1 3 3 2 实际意义钢筋作为建筑业中不可或缺的材料，在钢筋的需求量日 益增大的同时，拥有先进高效的钢筋加工机械就成为建筑工业中至关重要 的环节。根据前面对钢筋切断机的发展现状和前景的介绍，可以看出，钢 筋切断机存在着急需改进的地方。如果能够使这些问题得到解决，设计出 能够排除团扰着钢筋切断机发展的问题的新型设备，对促进我国建筑业， 第1 章绪论 乃至工业的发展都有重要的作用。因此，本课题的研究具有推广应用前景 和较大的经济及社会效益。 1 4 课题研究的主要内容 针对钢筋调直切断机的发展现状，以解决目前钢筋调直切断机普遍存 在的缺陷和不足为目的，研制一种具有较高性能的调直切断机具有重要的 意义。在进行大量理论和实际研究的基础上，采用高速剪切机构，解决当 前调直机存在的切口质量差、剪切效率低，剪切误差大，表面损伤等实际 问题。 本课题研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对目前钢筋切断机发展及现状、基本的结构和类型等做全面的了解。 同时，对该项目已经设计的液压剪切系统进行详细地分析，理解其设计思 路，掌握其设计方法，总结其设计经验。 ( 2 ) 通过分析现有的新型高速钢筋切断机的实验结果，得出结论，即该 系统输出的剪切力远远大于实际切断钢筋的需要，这也是目前钢筋切断机 中普遍存在的问题。本课题将对被剪钢筋的切断过程、剪切力变化进行分 析。简化系统结构，从而降低系统能耗，提高系统工作效率。另外，为了 缓解剪切的高速动作所引起的冲击，改善系统性能，为剪切液压缸设计缓 冲结构。 ( 3 ) 建立剪切系统的数学模型，分析包括液压缸、蓄能器和液压软管在 内的所有元部件的动态特性。 ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 对系统进行仿真研究，从仿真结果中分析系 统的性能，为实验研究做准备。 ( 5 ) 研制出实验样机，在现场做剪切实验对系统总体性能进行检验。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 2 1 钢筋切断机液压剪切系统原理 在对目前国内外液压式钢筋切断机做了详细了解的基础上，吸收各种 钢筋切断机方案的优点，再结合建筑机械的发展趋势，采用了一种新型高 速钢筋切断机方案。为解决现有钢筋切断机普遍存在的“闷车”现象，该 套系统采用液压缸直接驱动动刀头剪切，通过增大瞬间流入液压缸的工作 流量来提高活塞的运动速度，缩短剪切时间i l 。 液压剪切系统原理图如图2 1 所示。 1 油箱2 吸油滤油器3 电机4 联轴器5 液压象6 先导型卸衙阀7 截止阕8 总蓄能器 9 先导型溢流阀1 0 墒堆蓄能器l l 压力传感器1 2 剪切液压缸1 3 插装阀1 4 电磁换向阀 1 5 回油蒂能器1 6 f n j 油滤油器 图2 1液压剪切系统原理图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh y d r a u l i cs h e a r i n gs y s t e m 1 0 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 钢筋运行到给定位移处，触发承料槽上的行程开关，发出电信号，电 磁换向阀1 4 1 电磁铁1 d t 得电，插装阀1 3 1 的阀口迅速开启，泵5 的供油液、 蓄能器8 、1 0 瞬时排出的油液和液压缸1 2 有杆腔排出的油液一同进入液压缸 1 2 的无杆腔，形成差动回路，使活塞杆实现高速冲程剪切。钢筋切断后， 电磁换向阀1 4 1 电磁铁1 d t 失电，插装阀1 3 1 阀口关闭，活塞杆处于静止状 态，泵向蓄能器8 、l o 补充油液。当钢筋再次运行到给定位移后，行程开关 再次发出电信号，电磁换向阀1 4 2 电磁铁2 d t 得电，插装阀1 3 2 马上开启， 蓄能器1 0 油液与泵5 供油液合流进入液压缸1 2 有杆腔，推动活塞杆实现快速 回程剪切，同时无杆腔的油液经开启的插装阀1 3 2 流入回油蓄能器1 5 和油 箱。钢筋切断后，电磁换向阀1 4 2 电磁铁2 d t 失电，插装阀1 3 2 的阀口关闭， 然后进入下一个工作循环。 该系统与其它的液压钢筋切断机系统相比较有以下几个优点： ( 1 ) 插装阀控制回路结构简单，流量大，响应速度快； ( 2 ) 应用高压蓄能器为工作中的系统进行补油，非工作期间存储油液， 不仅节能，也满足系统的大流量需求，提高剪切速度； ( 3 ) 加入回油蓄能器回收能量，减小冲击，增大瞬时容积； ( 4 ) 采用差动回路，优化设计液压缸，实现了冲回程同速高速剪切。 对现有系统的优化设计方案主要包括以下几点： ( 1 ) 分析钢筋切断过程中剪切力的变化情况； ( 2 ) 设计液压系统的缓冲结构，以缓解液压缸缸底的冲击问题； ( 3 ) 为改进系统结构，采用液压软管实现蓄能器与剪切机构间的连接， 设计液压缸外部连接方式，使其符合现有剪切机设备的连接结构。 2 2 钢筋切断机切断过程分析 2 2 1 钢筋切断机理分析 钢筋切断机主要用于建筑钢筋的剪切及工业下料等，在提高钢筋切断 机剪切效率的同时，还要考虑被剪切钢筋的截面质量。为提高剪切截面质 燕山大学t 学硕士学位论文 量( 即消除马蹄形截面) ，需对钢筋的剪切机理进行分析【1 1 l 。 从宏观上分析钢筋剪切的过程，当“动刀”切入钢筋的同时，“定刀” 从对面挤压钢筋，使其产生弯曲变形，直至撕断。其剪切截面( 马蹄形截面) 如图2 - 2 所示。 c 图2 - 2 剪切钢筋截面图 f i g 2 - 2 t h es e c t i o n a ld r a w i n go f t h es h e a r i n g - o f f s t e e lb a r 剪切过程的实质足钢筋的塑性变形，整个过程可视为由压入变形与剪 切滑移两个阶段组成。 2 2 1 1 压入变形阶段从“动刀”与钢筋接触开始，随刀刃前移，逐渐切 入钢筋，此时“定刀”同时从对面挤压钢筋。当剪切力小于钢筋抗剪力时， 钢筋产生塑性变形，此阶段为压入变形。 当“动刀”切入到一定深度，剪切力增加到最大值时，钢筋的局部压 入变形阻力与剪切力达到平衡时，剪切过程处于由压入变形向剪切滑移阶 段过渡临界状态。 影响压入深度的因素有： ( 1 ) 材料强度的影响不同材质，在剪切过程中，压入变形深度不同， 其规律是：材料愈硬，压入深度与被剪钢筋直径之比值愈小。 ( 2 ) 刀刃角度影响刀片后角愈大，压入深度与其直径比值愈大，反之 亦然。 r 3 ) ；r j n 形状的影响刀刃包容面愈大，压入深度与其直径比值愈小。 2 2 1 2 剪切滑移阶段当剪切力大于钢筋本身的剪切抗力时，剪切面开始 产生滑移，该阶段由于剪切面不断减小，剪切力也逐渐减小，直至钢筋整 个截面被剪断为止。被剪钢筋的材质愈硬、刀片后角愈小、刀刃包容面愈 大，则下料断口“马蹄形”愈小。 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 2 2 2 剪切力分析 通过对钢筋切断的机理进行分析可以看出，钢筋切断各阶段的剪切力 都是在一直变化的。因此，要计算切断钢筋时所需的剪切力，就需要对各 阶段的剪切力进行计算，找到切断过程中的剪切力的变化规律以及最大剪 切力。 图2 3 是钢筋剪切过程中钢筋的受力分析图“1 。 图2 - 3 剪切过程受力分析 f i g 2 3 s t r e s sa n a l y z eo f t h es h e a f i n gp r o c e s s 从图2 3 可看出：“动刀”与钢筋接触后，两7 3 ( 动刀与定7 3 ) 压力形成 力偶q 。此力偶促使钢筋转动，与此同时，刀刃侧面又给钢筋施加推力， 形成力偶r ( 此力偶将阻挡钢筋转动) ，随着刀片继续压入钢筋，y 角不断变 化。当两个力偶达到平衡时( 即q = d 钢筋停止转动。 2 2 2 1 压入变形阶段作用力分析在该阶段，钢筋作用在刀刃上的力，可 以用下式计算【1 1 】： p = p f - 4 0 5 ( 2 - 1 ) 式中p - 钢筋作用于刀刃上的力( r 单位面积上的压力( p a ) p 钢筋截面积( m 2 ) 燕山大学t 学硕士学位论文 p 一相对切入深度，e = z 妒 z 刀刃压入深度( m ) 妒被剪切钢筋直径( m ) 由式( 2 1 ) 可看出：在压入阶段，若认为单位压力p 为常数，则总压力p 随压入深度z 值增加而增大。直到钢筋整个剪切面产生滑移时，剪切力达 到最大值( 即。) 为止。同时还可以看出，压入阶段总压力随被剪钢筋截面 增加而增加( 材料愈硬，户值愈大) 。 2 2 2 2剪切滑移阶段作用力分析当压入深度达到一定值，进入剪切滑移 阶段，该阶段的剪切力p 可按下式计算】： h p = f 6 ( 二一一z ) ( 2 - 2 ) c o s y 式中r 一被剪件单位面积上的剪切抗力( p a ) 沪一切片断面宽度( m ) 卜被剪断面高度( m ) 广被剪件转动角度( 。) 在实际剪切过程中r 并非常数，而是随着刀刃切入深度z 的增加而减 小，其原因足由于钢筋内部存在缺陷及位错增大所致。 以上为截切矩形截面剪切力的计算公式，圆形截面截切力公式比较复 杂。苏联曾采用下面的公式进行计算【l l 】： p = a f ( 2 3 ) 但采用式( 2 3 ) 计算结果与实际差距较大，因为圆钢剪切过程不是纯剪 切，而含挤压、弯曲撕掉。 另一种计算公式为： p = k 1 k 2 - f ( 2 - 4 ) 式中蜀刀刃磨钝后，由于刀刃间隙增大，切断力增大系数，一般取 1 3 左右 恐抗剪极限强度与抗拉强度之比，一般取眨= 0 6 左右 卜钢筋最大截面积( m 2 ) 错一抗拉强度( p a ) 4 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 由于系数选择不同，其误差很大，再有式( 2 4 ) 计算出的剪切力应为最 大值。但实际切断瞬时的截面不是最大值( 根据实测，刀片切入钢筋直径三 分之一时开始断裂) 。因此，将f 值( 即钢筋最大截面) 代入式( 2 4 ) 求出的p ( 最 大剪切力) 与实际不符。 目前，一般采用测试数据为依据。但由于测试方法复杂，传感器：j u t 精度不高，加之位置不当等因素，则所测数据值差异也较大。 2 2 2 3 剪切全过程剪切力分析在剪切全过程中，其剪切力变化如图2 4 所示。剪切变化规律如下：从“动刀”接触钢筋开始，随刀刃压入深度的 增加，剪切力随之增大；当压入深度达到一定值时( 此值与被剪钢筋抗拉强 度等有关) 。剪切力达到最大值p m 。，见图2 - 4 中b 点。钢筋变形转为滑移 阶段，其剪切力变小，见图2 4 曲线b c 。该曲线倾斜率，随被剪钢筋材质 不同而变化。钢筋材料的抗拉强度愈大，曲线b c 愈陡直，反之亦然i l ”。 户 d 图2 - 4 剪切力变化图 f i g 2 - 4 t h ec h a n g ed r a w i n go f t h es h e a r i n gf o r c e 图中，s 为液压缸位移；d 点为刀片运动的起始点；蜀为动刀片开始切 入时的行程；s 。为最大剪切力出现时的行程；& 为切断时的行程；以为切 断后刀片运动的空行程。 通过对实测剪切力曲线的分析，发现由于材料不同，钢筋直径不同， 最大剪切力出现的位置也不同，可以定义最大载荷出现的系数a 来确定p 。 的位置，即【1 2 l s m = s i 却d( 2 5 ) 燕山大学1 二学硕士学位论文 式中毋一被剪切钢筋的直径( m ) ，广最大载荷出现的系数，一般取= 0 4 0 0 4 4 钢筋被切断的位最( 图2 _ 4 中发生的位置) ，在液压缸行程终点( 图2 _ 4 中的d 点) 之前。刀具开始接触钢筋到切断钢筋时的行程a s = s 2 一s l ，引入 钢筋切断时相对切入量系庐，则砂= 彳跗，通过实测分析，刀的切入深度对 棒料的剪切过程影响很大。经过大量试验，欲使钢筋被正常切断，驴的取 值范围为o 5 4 o 6 4 ，被切材料为q 2 3 5 及4 5 号钢时，取较大值，材料为 2 5 m n 等合金钢时，取较小值。 2 2 - 3 钢筋切断机的最大冲切力 以上通过对钢筋切断的整个过程中剪切力的变化情况进行分析，确定 了设计钢筋切断机时需要考虑的输出力大小要求。下面从切断机的角度出 发，对整个切断过程的输出力情况做一下分析。 当钢筋行走到定尺长度，触发行程开关，液压缸活塞杆带动刀头等运 动部件开始运动，在动刀接触到钢筋前，运动部件一直都在储存能量。当 动刀接触到钢筋时，液压缸输出力开始对钢筋做功，在液压缸输出力大于 钢筋抗剪切力时，运动部件的能量也是在随活塞位移逐步增加的。随着切 入深度的增加，钢筋的抗剪切力逐渐增大，直至液压缸输出力小于钢筋抗 剪切力，此时运动部件所储存的能量将会释放，转化为冲切力对钢筋做功， 补充液压缸输出力的不足。当液压缸输出力再次大于钢筋抗剪切力，完全 靠液压缸输出力即可完成切断，此后的阶段中，运动部件的动能再次增加， 直至剪切结束。 综上分析，从接触到钢筋开始到钢筋切断的整个过程中，除了液压缸 输出力对钢筋做功外，还有活塞等运动部件储存的能量所释放的冲切力对 钢筋做功，两者之和便足钢筋切断机剪切钢筋时的剪切力。所以，确定钢 筋切断机的最大冲切力对于合理设计钢筋切断机是十分必要的l ”j 1 4 1 。 钢筋切断机的瞬时冲切力的大小，主要由剪切运动部件的质量、速度 和受到的外界阻力决定，当液压缸输出力小于钢筋抗剪切力时，运动部件 的速度下降，其减加速度的大小与运动部件质量之积，即运动部件的惯性 6 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 力就是其冲切力的值【1 5 i 1 6 1 。 2 3 剪切液压缸缓冲结构设计 当液压缸驱动一定质量的工作部件快速运动时，具有较大的动量，在 行程终点活塞和端盖发生机械撞击，产生振动和噪声，影响定位精度，甚 至损坏液压缸。一般对高速运动( v o 1 m s ) 的活塞必须采用缓冲措施，其原 理是在活塞运动接近终点时，增大液压缸的排油阻力，使活塞降速制动， 实现缓冲1 1 7 1 。 本课题所研究的液压系统中活塞的预计速志可铁到m s 其罕更高。 从已做过的实验可以看出，未加缓冲环节时，整个行程的速度很快，能够 达到设计要求，但是在行程终点存在较大的冲击，导致了巨大的噪声，同 时这种冲击对液压缸有很大破坏性。因此，为其设计缓冲环节对于改善系 统性能、提高系统寿命足十分必要的。 2 3 1 液压缸缓冲形式分类 目前液压缸活塞的缓冲的方法基本上有两种：种是液压缸外部控制， 也就是在控制液压缸的回路上装上节流阀或其他形式的流量控制装置进行 缓冲，一般结构较复杂；另一种是液压缸内部控制，是在液压缸内部设计 一定的缓冲装置来实现缓冲，而不需要另加元件，结构简单，加工和使用 方便，因而得到广泛的应用。 下面主要就缸内缓冲方法进行详细的介绍。缸内缓冲装置一般利用与 活塞相连的缓冲柱塞，和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙，油流过时产生 阻力，达到缓冲目的，称为节流缓冲，在工作中，利用了节流阻尼的作用， 当缓冲塞插入排油孔口中后，使活塞与油缸端盖之间形成封闭空间，封闭 空间中油只能从节流小孔或柱塞和排油孔之间的节流环隙中流出，从而在 封闭空间造成高压，迫使活塞减速制动而实现缓冲。常见的形式如图2 5 所示1 1 7 】。 图2 - 5 ( a 1 为可调“固定”节流缓冲装置的原理图，缓冲活塞未进入端盖 燕山大学t 学硕士学位论文 内孔时，液压缸中的油经回油管回油箱，当缓冲活塞进入端盖内孔时，液 压缸的回油必须经过可调节流器才能回油箱，由于节流器的阻尼作用，液 压缸的回油腔压力升高。一般液压缸是通用件，采用标准形式，其节流针 阀可以调节，以适应各种驱动部件质量和速度要求。在节流阀调定后，其 节流孔面积则固定。图2 - 5 ( b ) 为间隙缓冲装置，当液压缸活塞进入端盖内孔 时，液压缸的回油油液经过缓冲柱塞与端盖内孔间的间隙流回油箱，虽然 间隙的节流面积不变，但是节流长度随缓冲行程而增加，实际上是属于可 变节流缓冲装置的。图2 - 5 ( c 1 f ) 为几种典型的可变节流缓冲装置。图2 - 5 ( c ) 的缓冲柱塞上开有多个面积不等的径向小孔，随柱塞向前行进时，节流小 孔面积由大变小；图2 - 5 ( d ) 缓冲柱塞是锥形；图2 - 5 ( e ) 缓冲拄塞开有三角形 节流槽；图2 - 5 ( 0 缓冲柱塞为矩形变断面节流槽。 ( f ) 可变节流缓冲 图2 5 液压缸的缓冲装置 f i g 2 - 5 1 1 1 eb u f f e ru n i to f t h eh y d r a u l i cc y l i n d e r 1 8 9 芩 图一圆一目一舟 【 【 第2 章钢筋切断机液压系统方案研究 一般希望缓冲压力不应有过大的波动和出现峰值，最好保持恒值，这 样在整个缓冲过程中，缓冲平稳，在全行程中均起缓冲作用。固定节流缓 冲装置，开始缓冲时冲击压力很大，以后缓冲效果又很快衰减，所以不足 很理想的缓冲装置，适用于活塞速度较低和负载质量较小的场合。可变节 流缓冲装置，在缓冲行程中虽不能使缓冲压力为恒值，但压力变化较小， 缓冲性能优于固定节流缓冲装置。 2 3 2 液压缸缓冲结构设计 从本课题所采用液压系统的特点和实际情况出发，液压缸的缓冲结构 的设计需要能够满足下列几点要求： ( 1 ) 设计的缓冲结构必须能够有效地缓解缸底冲击、减小系统噪声，真 正起到缓冲的作用； ( 2 ) 在不影响缓冲效果的同时，尽量降低缓冲过程对整个行程时间的影 响。要求缓冲行程不包括在切断钢筋的行程以内，以达到设计所要求的剪 切时间； ( 3 ) 在启动阶段，能够快速地达到剪切钢筋所需的剪切力和具有一定的 运动加速度。当开始剪切钢筋时，不能存在影响系统压力和流量上升要求 的因素存在。 考虑到液压缸结构以及运动时系统瞬时流量与剪切时间的限制，采用 液压缸内缓冲装置较为合理。同时，液压缸结构设计小巧，而瞬时流量较 大，即使在缸内部设置单向阀，也无法达到流量供应的要求。这样，缓冲 装置不但在行程末端起到了缓冲的作用，在行程起始段，同样起了节流作 用。系统动作要求在开始进入剪切时，液压缸内所设置的缓冲装置对液压 缸的流量起不到节流的作用，这是在设计缓冲时必须考虑的。 经过以上分析得出：液压缸缓冲装置的缓冲行程不宜过长，缓冲柱塞 直径不宜过小，缓冲柱塞的锥度选择可适当