（机械电子工程专业论文）高速钢筋切断机液压剪切系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 本文在分析国内外钢筋切断机技术发展现状的基础上，结合已有的钢 筋切断机液压系统方案，基于液阻理论为指导，设计出一种新型的机电液 一体化高速钢筋切断机液压系统回路。该系统具有回路简单、响应迅速、 瞬间通流量大、控制可靠、功率损耗小等特点。 分析了高速钢筋切断机的运动参数、结构参数与有效系统工作压力、 流量及外负载的关系。研究了进回油蓄能器的参数选择方法及插装阀的压 力一流量特性，阐述了影响系统速度刚度、功率特性等系统静态特性指标 的因素，为实验样机的设计提供了参考。 基于蓄能器、插装阀及动力元件等三个关键元件的动力学特性分析， 根据冲、回程剪切运动特性的不同，分别建立了冲程、回程剪切系统数学 模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了相应的仿真模型。根据仿真结果，分析 了蓄自g 器充气压力、有效系统工作压力对高速钢筋切断机动念特性的影响 作用，特别是对时间响应指标的影响，为实验研究的可行性提供了依据。 在实验样机上进行了大量实验，利用d s p a c e 软硬件集成系统对实验 系统实时在线控制、参数调整和数据采集。得到蓄能器不同充气压力下， 系统工作压力不同时，插装阀前的压力响应曲线和工作缸位移响应曲线。 实验结果表明高速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，实验达到了预期效果。 关键词高速钢筋切断机；液压系统；液阻理论；系统建模与仿真：静态 特性；动态特性 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so f l h es t a t u sq u oo f b o t hd o m e s t i ca n da b r o a ds t e e lb a rc u i n g m a c h i n e , s y n t h e s i z e dt h es c h e m e so f e x i s 堍h y d r a u l i cs y s t e m s ，g u i d e db yt h eh y d r a u l i c r e s i s t m a c et h e o r y , t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n san e wk i n do fe l e e t r o m e c h a n i c a lh i g h - s p e e d s t e e lb a rc u t t e r t h i ss y s t e mh a sas e r i e so fm e r i t sl i k es i m p l e rl o o p , l o w e rp o w e rl o s s ， b i g g e r i n s t a n t a n e o u s d e l i v e r y , f a s t e r r e s p o n s e s , m o r e r e l i a b l e c o n l r 0 1 m o r eo v e r , t h ea r t i c l ea n a l y s e st h er e l a t i o n s h i po f t h ep a r a m e t e ro f m o t i o n , s t r u c a t r a l p a r a m e t e r , e f f e c t i v es y s t e mw o d 豳_ gp 销s 珊e ，f l u xa n dl o a d , t h em e t h o do fp a r a m e t e r s e l e c t i o no fe n t e ra n do u to no fa c c u m u l a t o r , a n dc 洲d g ev a l v e sp r e s s u r e - f l o w c h a r a c t e r i s t i c b e s i d e s ，t h ep a p e r w o r k so v e rt h ei r d t u e n c i n gf a c t o ro i ls t a t i cc h a r a c t e r i s t i c i n d e x e ss u c ha sv e l o c i t yr i g i d i t y , p o w e rc h a r a c t e r i s t i c a l lo f t h e s eg i v er e f e r e n c e st ot h e d e s i g n o f t h e m o d e l m a c h i n e f o u n d i n go nt h ee s t a b l i s h m e n to f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h r e ek e yc o m p o n e n t s a c o m a u l a t o r , c a 商d g e v a l v e a n d p o w e r e l e m e n t , t h e a t t t h o r s e t s u ps t r o k e a n d r e t t n ns h o m s y s t e m s m a t h e n m t i cm o d e lw i t ht h ed i f f e r e n t t r a i t so fr u s ha n di e t t n na c t i o n s i m u l l z n e o u s l yb yu s l n gm a t l a b s i m u l i n ka n a l y s i s & s i m u l a t i o ns o , w a r e c o j 篮血u 如 c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e la n dg e tt h er e g u l a r i t y 如mt h ec u t t e rm o t i o r lf i n a l l y a c c o r d i n gt ot h ee m u l a t i o nr e s u l t , t h ep a p e ra n a l y s e sh o w t h ep r e s s u r ei na i rc h a m b e ro f a c c u m u l a t o r sa n de f f e c t i v es y s t e mw o r k 崦p r e s s u r e ，e s p e c i a d l yt h er e s p o n d i n gt i m e ， i l l 】p a c tt h ed y n a m i cc h a m e 商s t i c so f t h eh i g h - s p e e ds t e e lb a rc u t t e r t h e s eo f f e rr e l i a b l e b a s i s 缅。币口i 1 1 删s t u d y r e l i e so nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，ap r o t o t y p eh a sb e e nm a d e t h e nal o to f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e a n du s et h ed s p a c es o f th a r d v c d l - ei n t e g r a t e ds y s t e mt o r e a l i z eo n - l i n er e a l - l i m ec o n t r o lp a r a m e t e ra d j t t s l m e n t , a n dd a t aa c q u i s i t i o n t h et l ：s p o n s e c u r v e so fu n d e rd i f f e r e n tg a sc h a m b e r sp r e s s u r e ，d i f f e r e n te f f e c t i v es y s t e mw o r k i n g p r e s s u r e ，t h ep r e s sr e s p o n s eo f t h ec h a m b e rw h i c hl i e sf l a e a do f t h ec a m i d g ev a l v em dt h e n a b s t m c t d i s p l a c e m e n t r e s p o n s e o f p i s t o na r eg o t t h er e s u l t so f t h et f i e o r ya n ds i m u l a l i o na r e t e s t e d a n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ls t u d y a c c o r d i n gt ot h eo u t c o m ec o l l e c t e df i o mt h e e x p e r i m e n t , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e te x p e r i m e n t a lo n e s s ot h ev a l i d i t yo fs y s t e m m o d e la n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em a n u f a c t u r e dp r o t o t y p ea l eo r o v e d , t h ee x p e c t e dp u r p o s e o f t h ep r o t o t y p e e x p e r i m e n ta r ea c h i e v e d k e y w o r d sh i g h - 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 ；h y d r a u l i cr e s i s t a n c et h e o r y ； m o d e la n de m u l a t i o n ；s t a t i cc h a r a c _ b e a i s t i c ；d y n a m i cc h 卸 a d e r i s 血 u 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剪 切系统的设计与研究，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。 储签字藤鼬哆 日g q - j 州彳年4 月帅 燕山大学硕士学位论文使用授权书 高速钢筋切断机液压剪切系统的设计与研究系本人在燕山大学攻 读硕士学位期问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 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：禽豳琦 i ：；= | 期：a - 4 年4 月，弓同 导师签名：缈 日期捌弩影日 甲 第1 章绪论 第1 章绪论 钢筋切断机是建筑机械的一种，主要用于钢筋加工。与其他切断机类 设备相比，具有重量轻、耗能少、工作可靠、效率高等特点，因此近年来 逐步被建筑工地和小型轧钢厂等单位广泛采用，在国民经济建设中发挥了 重要的作用l lj 。实现钢筋切断机的自动化控制对确保工程质量、提高施工效 率、加快工程进度，降低工人劳动强度等具有重要意义。本课题主要研究 设计了一种新型的液压式钢筋切断机，同时建立了该切断机的液压系统仿 真模型，并分析了主要的静、动态特性指标。 1 1 钢筋切断机的历史及现状 目前，国内混凝土结构建筑工程广泛采用各种型号的钢筋切断机对钢 筋进行定尺切断。根据钢筋切断机传动方式的不同将其分为机械式和液压 式两种，其中机械式钢筋切断机是以电机带动机械装置产生驱动力，驱动 凸轮往复运动从而剪切钢筋；而液压式钢筋切断机是由液压系统提供动力， 带动车刀往复运动从丽剪切钢筋【。 新中国成立初期，建筑工程中钢筋加工技术非常落后，主要依靠手工 或简单工具，劳动强度大、生产效率低、工程质量很难保证。太原重型机 械学院机器厂是国内最早生产钢筋切断机的厂家之一。他们于1 9 5 8 年首先 引进苏联的卧式钢筋切断机图纸，生产了国内第一台钢筋切断机。随后又 于约1 9 8 5 年引进了日本立式切断机和德国卧式切断机，并在此基础上研制 开发了g q 4 0 、g q 5 0 、g q 6 5 等一系列开式、封闭式及半封闭式切断机。该 系列的钢筋切断机均是采用机械轮剪进行切断的【”。此外沈阳建筑工程学院 工厂、陕西渭南农业科技股份有限公司、黑虎建筑机械公司等企业也生产 过不同类型的机械式钢筋切断机。 目前国内的钢筋加工多以机械轮剪式切断为主。其工作过程基本为： 电动机输出动力经带传动和二级齿轮传动减速后，带动曲轴旋转，曲轴推动 燕山大学工学硕+ 学位论文 连杆使滑块和动刀片在机座的滑道中作往复直线运动，使动刀片和定刀片 相错而切断钢筋【2 。 但是由于这种钢筋切断机采用带传动、齿轮传动、曲柄滑块机构，传 动过程复杂，因此其剪切速率较低、功率损失较大。同时导致钢筋行走速 度很低，一般在4 0 r e r a i n ；每分钟切断次数也很少，一般为2 8 3 1 次，生 产率比较低【l # 】。此外由于刀具不随钢筋前进，因此在剪切时存在瞬时停顿， 即“闷车”现象。它不仅会导致牵引轮与钢筋之间产生打滑，损伤钢筋约 l o m m 长的表面，而且对钢筋切头表面质量的影响也很大，剪切误差大多为 l o m m 2 0 m m 。 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： f 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 1 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对直径在6 m m 1 6 r a m 之间的钢筋进 行加工。同时，还可一机多用，采用不同的工作头即可实现多种用途，如 弯管、穿孔等。 ( 4 1 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。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，采用超高压小流量液压技术，可以保证其体积 小、重量轻。 而液压传动的缺点是成本高，传动效率低。不过液压元件大规模生产 降低了元件的价格，会使其具有一定的竞争力。虽然液压传动的的效率比 机械传动低，但它与电子控制系统有最佳配合特性，使其有很大的发展空 间【3 】。 近年来，我国在钢筋加工技术装备方面有了长足的进步，但产品的技 2 第1 章绪论 术水平与国外先进水平相比，尚有以下几个方面的差距l l ，4 j 。 n ) 切断频率低国内钢筋切断机每分钟切断次数一般2 8 3 1 次，而国 外的钢筋切断机每分钟切断次数为4 3 5 1 次，最高切断次数甚至可以达到 每分钟6 1 次。 圆设计合理性较差国内钢筋切断机的刀片采用单螺栓固定，且厚度 较薄，而国外切断机刀片采用双螺栓固定，由此导致刀片的受力和寿命等 综合性能都较国外有一定差距。国外的钢筋切断机在细节上设计更为合理。 例如日本立式切断机的偏心距较国内的大，但是更利于用户更换刀片，调 整剪切角度。 ( 3 ) 自动化水平不高国内钢筋切断机的控制精度较低，不适合工厂化 加工作业。而国外钢筋切断机的操作控制技术和计算机、电子技术的应用 都处于较高水平，机电液一体化程度较高，可以工厂化生产建筑用各种形 式的钢筋。如奥地利的e v g 公司的产品通过触摸显示屏可以直接编辑数据， 由程序控制所需箍筋的形状和数量，能满足建设工程用各种形式钢筋。 ( 4 ) 外观质量粗糙国内钢筋切断机的观感较差、整机性能不尽如人意。 而国外切断机的外罩采用一次性冲压成型，油漆经烤漆处理，色泽搭配美 观大方。 从钢筋切断机械的发展趋势看，随着建筑设计与建筑施工技术的国际 化，建筑工程设计与应用钢筋必将进入商品化供应时代，即根据建筑配筋 表采购钢筋，钢筋加工由现场加工转成工厂化生产，商品化供应钢筋。而 钢筋的工厂化生产就要求钢筋切断机必须实现自动控制一一钢筋自动送 料，定尺后自动切断、落料。 同时国外的产品充分融合液压技术、机械技术、电子技术等，形成以 机械为筋骨、液压为肌肉、电气为神经的机电液一体化综合控制技术，充 分发挥各自的优势，体现综合最优驱动及控制能力。因此，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，如何使钢簸切断机的机电液系统有机地高度集成，充分发挥各自优 势，将是今后研究的主要方向。 燕山大学工学硕士学 = 7 ：论文 1 2 钢筋切断机结构及基本工作原理 1 2 1 基本结构 虽然钢筋切断机的类型较多，但其目的都是为了满足各种功能、性能、 效率、寿命的要求，所以在结构上都有一些基本的共同点。具体的表现如 下【1 , 5 , 6 】。 ( 1 ) 机体钢筋切断机的机体多采用钢板焊接结构。制造工艺简单、成 本较低。也有采用箱式球铸结构的，如g q 6 0 a 封闭式钢筋切断机，与钢板 焊接结构相比，机体变形小，整机密封性能好。 ( 2 ) 剪切机构钢筋切断机多采用动刀片和定刀片进行剪切，由剪切机 构对动刀片进行控制来实现其往复冲击运动的。根据剪切形式的不同，可 分为旋转式剪切机构、上下移动式剪切机构、下移式剪切机构。其中，下 移式剪切机构又可以分为摆动式、锤击式和液压式。目前国内多使用锤击 式剪切机构。 ( 3 ) 定尺部分定尺剪切讯号的发出有三种形式：机械信号，行程开关 ( 接或非接触式) 发出的电信号，光电码盘发出的电讯号。一般地说，定尺的 精度主要取决于从发出讯号到切刀响应的时间误差。因为机械信号与刀具 直联，响应时间很短，时间误差很小，所以目前机械定尺占主导地位。 ( 4 1 承料机构在钢筋矫直切断过程中，最后一道工序是承料和落料， 它在加工工艺过程中也是很重要的一道工序。矫直后的钢筋在切断前要在 承料架中向前运动，必须避免矫直的钢筋受划伤、变弯，同时还要保证切 断后能及时落料。所以承料机构设计也是必须予以重视的。承料机构主要 由不等边的大角钢、小角钢、支承柱和定长装置组成的。 1 2 2 基本工作原理 考虑到钢筋切断机主要是对钢筋进行剪切的，而且各种要求也是针对 其剪切性能提出的。所以，本节对现有不同形式钢筋切断机的剪切原理进 行较为详细研究。 4 第1 章绪论 如前所述，按钢筋切断机的剪切方式大体可将其分为三种：旋转式剪切， 上下移动式剪切，下移式剪切【5 1 。下面分别对其工作原理一一进行阐述分析。 卜犟引轮2 剪刨装置3 一承料架 图l l 旋转式剪切原理图 f i g 1 1s k e t c h m a p o f r e v o l v i n g c u t p r i n c i p l e 图1 - 1 是采用旋转式剪切的钢筋切断机工作原理简图。一般情况下，该 剪切系统主要由牵引轮、定长开关、电磁铁、牙嵌离合器、主动齿轮、切 断齿轮、制动器、剪切装置和承料架等组成。当钢筋通过两切断齿轮中间 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 轴与主动齿轮轴联接，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，三者轮流工作，以延长刀具寿 命。 这类钢筋切断机采用牙嵌离合器进行联接，受到工作原理的限制其联 接速度不可过大，转差一般不超过1 0 0 1 5 0 r p m ，因此导致了钢筋前进速度 不能过大。同时又由于切断齿轮的转动惯量比较大，启动和停止时的惯性 力也比较大，故而容易造成连切。 燕山大学工学硕士学位论文 卜平引轮2 一曲柄连杆机构3 下刀台 4 一摆动式上切川5 一平行四连杆机构 图1 - 2 上下移动式剪切原理图 f i g 1 2s k e t c hm a po f f l u c t u a t i n gc u tp r i n c i p l e 图1 2 是采用上下移动式剪切的钢筋切断机工作原理简图。该系统主要 由牵引轮、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、制动器和承料架等组成。当钢筋通过平移式下切刀台进 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，益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刃 口处，当平移式下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。 这类钢筋切断机通过四连杆机构可使下切刀台自身平行地绕摆杆做摆 动，是一种飞剪。剪切机构的运动质量与上一类机构相比小了许多，速度 应当可以达到l r r d s 以上。但由于上切刀在剪切时刃口存在转动力矩，与下 切刀刃口的磨损较严重。同时它在剪切过程中钢筋被向上抬起，牵引轮与 剪切机构之间的距离不可过近，否则钢筋头部容易弯曲变形。还由于该设 6 第1 章绪论 计采用了转键离台器，使其剪切速度受到限制。 卜犟引轮2 一身切装置3 一锑头4 承料柴 图1 - 3 下切式剪切原理图 f i g 1 - 3s k e t c hm a po f d o w n w a r d sc u tp r i n c i p l e 下切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、 锤击式及液压式。国内大多数带肋钢筋加工厂和预制构件厂使用的钢筋切 断机均为锤击式，其工作原理简图如图1 - 3 。电机带动曲轴转动，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扳，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，锤头击打刀台上的刀架，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 锤头第二次击打。 这种钢筋切断机的剪切机构与定尺装置直接联接，没有中间环节，因 此定尺的精确度极高，误差在l m m 以内。同时，由于该剪切机构不存在离 合器装置，因此钢筋的前进速度较高，一般在3 0 5 0 m s 之间。同时在剪切 时，锤头可随刀台前进2 0 3 0 m m ，因此切断的钢筋表面质量和断面质量较 高。但该设备在使用过程中如果调整的不合适，刀台在锤头两次下行的间 隔时间内不能及时返回，将造成钢筋的连切现象。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 课题的选取及研究的主要内容 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 及水体石油污染光纤荧光实时检测”，基金号为：0 4 5 4 7 0 0 4 d 一2 。本文拟从 理论和实际两个方面对液压式钢筋切断机的切断系统进行研究，以保证钢 筋的定尺剪切精度和切头断面的表面粗糙度。 1 3 ，2 课题研究的意义 1 3 2 1 理论意义 ( 1 ) 钢筋切断机简介对钢筋切断机的种类、结构、剪切机理以及功用 进行较为详细的介绍，阐述目前国内钢筋切断机与国外同类产品的差距。 这些工作将为本研究领域或相关领域的研究人员认识钢筋切断机提供条 件。 ( 2 ) 液压剪切系统设计合理利用插装阀结构简单、响应快、过流量大、 抗污染能力强等特点，结合液阻理论设计适用于恶劣工况下高速、大流量 的液压系统回路。该回路不仅剪切速度快，而且结构简单，能解决传统钢 筋切断机速度与结构问的矛盾，值得设计其它建筑机械时参考。 ( 3 ) 蓄能器研究建立较为准确完善的蓄能器模型，结合现有的蓄能器 理论，经反复试验合理选择蓄能器参数，分析蓄能器在高速液压钢筋切断 机系统中的作用。这些研究将为蓄能器在液压系统中的功用研究提供理论 和实验上的补充。 ( 4 ) 建立仿真模型液压系统的数学模型是对其进行研究分析的基础， 由于液压系统运动时间极短且瞬间流量极大，因此必须考虑阀口进油处压 力变化及油液的压缩性对系统的影响。而常用的液压系统建模都是建立在 进油压力恒定、忽略油液压缩性的前提下。所以本课题对高速钢筋切断机 液压系统数学模型的建立进行尝试性地探讨，将为今后相关研究提供理论 基础。 8 第l 章绪论 1 3 2 2 现实意义随着建筑业及建筑技术的迅猛发展，许多工地对钢筋的 要求也愈来愈严格，除材料及其直径要求外，为使预制构件受力均匀、美 观整齐，还需对钢筋实施调直及其定尺切断( 定尺误差应达到5 m m 以内) 。 若调直钢筋超过一定长度，其切断误差将超过标准，并且钢筋直径越小， 其超差越严重，必须实施二次切断，使劳动生产率降低。有些钢筋由于存 在较大的定尺误差，而使结构内部受力不均匀，给工程带来巨大的危险。 所以控制超差对切断机而言有着重要的现实意义 7 ，8 】。 1 3 2 3 经济意义据不完全统计，我国的基本建设每年钢筋用量约为5 0 0 0 万吨，其中大部分需要切断加工。这就要求设计结构新颖、性能先进的切 断机来提高剪切速度、改善切口质量、保证钢筋表面质量。以5 0 的钢筋 需要切断加工来计算，约近2 5 0 0 万吨，每吨切断需要费用8 0 元，那么就 是2 0 亿元。随着建筑设计与建筑施工技术的国际化，建筑工程设计与应用 钢筋必将进入商品化供应时代。因此，本课题研究具有广阔的推广应用前 景和巨大的经济与社会效益。 1 3 3 课题研究的主要内容 ( 1 ) 现有钢筋切断机的分析查阅、整理国内外钢筋切断机产品的技术 资料及相关论文。详细介绍钢筋切断机的类型、结构及功用，并对各类钢 筋切断机的剪切原理进行说明，分析各自的优缺点、应用场合和存在问题。 ( 2 ) 新型钢筋切断机的工作原理和特点 吸取钢筋切断机各种方案的优 点，借鉴其他冲击机械( 主要是打桩机械、凿岩机械) 的动力系统实现方案， 并结合建筑机械的发展趋势，提出一种新型高速液压钢筋切断机的设计方 案。介绍该方案的工作原理并分析其特点。 ( 3 ) 新型钢筋切断机的液压传动系统设计通过动力学设计，确定活塞 结构参数。根据蓄能器理论分别进行高压蓄能器和低压蓄能器的参数选择。 以插装阀的静态特性为标准，根据负载所需压力和流量选择插装阀。完成 新型高速液压钢筋切断枫的初步设计。同时给出其静态特性指标。 ( 4 ) 新型钢筋切断机的动态分析根据牛顿第二定理、热力学定理、流 体力学的连续方程、伯努利方程和阀口流量公式建立描述高速钢筋切断机 9 燕山大学工学硕士学位论文 液压剪切系统的数学模型，运用s i m u l i n k 软件包对其进行数字仿真。 ( 5 ) 新型钢筋切断机的实验分析根据理论研究及仿真试验设计出新型 高速液压钢筋切断机的样机。在样机上进行实验，采集活塞位移和系统压 力数据。对实验结果进行分析，验证数学模型的正确性。 1 0 第2 章高速钢筋切断机总体方案研究 第2 章高速钢筋切断机总体方案研究 2 1 钢筋切断机设计要点 本课题的设计思路是采用液压缸驱动动刀头直接剪切，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。因此，在 满足冲击功要求的前提下，尽可能提高系统流量，可实现提高钢筋剪切效 率的目的，同时满足对钢筋的表面及其断口表面质量的要求。 由于需要的剪切速度很高( 2 2 r i g s ) ，导致剪切时系统的进油流量峰值相 当大，而剪切时间极短( o 0 2 s ) ，导致系统在一个周期内所需的平均流量却很 低。为了解决这个矛盾，在结构上必须采取措施，以保证峰值流量的供给， 同时最大可能地降低系统功率损耗。这是本课题研究要点之一。 一般的液压系统都是在一个稳定的工况下进行工作的，因此阀进油口 压力一定，系统中的压力波动较小。但是在本课题中，由于剪切时间极短， 系统所需瞬间流量极大，导致进油口压力波动较大，如何吸收系统中的压 力波动、改善系统的性能、延长系统使用寿命是本课题研究的要点之二。 通过对实际系统进行抽象，将其特性用数学关系加以描述而得到系统 的数学模型。通过进行数字仿真，模拟系统的运动情况、分析各种动态特 性指标，为实际系统的设计提供参考。因此，如何准确地建立数学模型、 进行反映实际的数学仿真是本课题研究的要点之三。 上述三个研究要点突出了高速钢筋切断机系统研究的主要矛盾，对于 研究新型钢筋切断机有指导意义。此外，密封、摩擦阻力、机械结构以及 制造工艺等许多问题，也是研究钢筋切断机时必须考虑的问题。 2 。2 高速钢筋切断机原理、设计原则及方案比较 2 2 1 液压钢筋切断机原理及设计原则 目前国内外有多家企业设计制造液压式钢筋切断机，虽然工作原理不 燕山大学工学硕士学位论文 尽相同，但目的是共同的，都是解决如何使车刀定尺剪切、自动快速回程 等问题。换句话说，就是如何有效的控制高压流体的压力、流量、流向。 现有的液压式钢筋切断机中，主要是利用控制阀切换油路来实现对活 塞的冲程和回程的控制，利用行程开关实现控制阀的切换。具体的原理图 如图2 2 所示。 图2 - 2 钢筋切断机液压系统原理图 f i g 2 2t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l eg r a p ho f s t e e lb a rc u t t e r 动作丌始时，压力油进入油缸的无杆腔，活塞杆作高速推进运动。此 时，剪切钢筋的压力是无杆腔面积与系统压力的乘积，达到大力剪切的目 的。钢筋切断后，行程开关2 s t 控制电磁阀，使液压缸有杆腔侧进油，无 杆腔侧回油，从而使活塞杆带动主切刀往回运动。在回程过程中，压力油 进入面积较小的有杆腔，故能实现快速回程。主切刀回到初始位置后，由 另一行程开关1 s t 控制电磁阀，使主切刀停止，等待下一次剪切。 也有的液压式钢筋切断机如d y j 一3 2 型和y q j 一3 2 型是采用了柱塞泵带 动主切刀的结构，但不能实现快速回程，效率低，& 口不能有效地控制流体 的压力、流量、流向 9 。 所以本课题仍然采用控制阀切换油路来实现对高压流体流向进行控制 的思想。 2 2 2 高速液压钢筋切断机方案 考虑到对性能，尤其是时间的要求，以及对经济效益的追求，在确定 1 2 第2 章高速钢筋切断机总体方案研究 高速液压切断机方案时对不同的方案进行了比较。值得注意的是，在不同 的方案中，有一个共同的特点，即采用了机电液联合控制。这是因为在剪 切过程中，我们设定剪切信号来自于行程开关受行走钢筋的挤压产生的压 力，如果将压力信号转换为电信号，不仅大大地方便控制部件的设计，同 时控制的精度也大大地提高。但是，目前的设计都是针对液压传动系统进 行的，只能实现开环控制。在高速液压钢筋切断机设计过程中，如何有效 地实现伺服闭环控制，大幅度提高控制的精度，仍是今后进行深入研究工 作的重点。 方案一： 燕山大学机械厂生产的g t 3 8 a 型钢筋切断机就是采用图2 3 所示方案 进行设计、研制的 15 1 。调直钢筋在承料槽中行走，运行到给定位移后，触 发承料槽上的行程开关，发出电信号。换向阀的电磁铁2 d t 得电后，处于 右位状态，油液经单向阀流入液压缸无杆腔，推动活塞杆右行切断钢筋， 液压缸有杆腔油液经节流阀回油箱。钢筋切断后，行程开关控制电磁铁5 d t 得电，同时2 d t 失电，使三位四通换向阀处于左位状态，油液经单向阀流 入液压缸有杆腔，推动活塞杆快速左移，液压缸无杆腔油液经节流阀回油 箱。当动车刀回到初始位置后，由行程开关控制电磁铁5 d t 失电，三位四 通换向阀处于中位，动车刀停止，等待下次剪切。 考虑到系统是典型的间歇式大流量液压系统，即剪切时需要的瞬间流 量峰值很大，但一个工作周期的平均流量却很小，所以采取蓄能器节能回 路来解决这个矛盾。蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置。当需要供 油量大时，即活塞带动车刀进行剪切运动时，蓄能器与液压泵一起供油； 当要求供油量小时，即活塞停止运动时，泵输出的压力油就直接被蓄能器 吸收储存起来。这样不仅可以解决瞬间流量的问题，还可以节约能源、吸 收脉动、冲击，保护系统中的管路和工作元件。 此方案的特点是结构简单，成本少，电气控制组成也不复杂，控制方 法简单方便。同时为了保证钢筋切头质量，另设计了滑动装置，即剪切时 刀片不是固定不动的，而是随着钢筋行走而行走。这样即可避免“闷车” 现象，又可减少钢筋断面的划伤、弯曲等问题，能够使钢筋的切口误差达 燕山大学工学硕士学位论文 到2 m m 。 幽2 - 3g t 3 ，8 a 型钢筋切断机系统原理图 f i g 2 - 3t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l eg r a p ho f g t 3 8 a 但是此方案调直钢筋行走速度不高，在7 0 8 0 r r d m i n ；液压缸动作一个 循环( 切断并回位) 为o ，3 秒，剪切时间较长。所以此方案适用于控制精度要 求不高、成本要求较低的情况。 方案二： 系统原理图如图2 - 4 所示。与方案一相比，方案二用四个二通插装阀联 合控制代替了三位四通换向阀对油路的控制。二通插装阀是近年来发展起 来的一种新型液压元件，它具有通流量大、响应快、密封性好、集成度高 1 4 第2 章高速钢筋切断机总体方案研究 及抗污染能力强等优点。采用先导控制信号独立地对四个阻力进行控制， 可以有效地避免被滑阀强制而同步操纵出现的缺点。如方案一中采用换向 阀工作时，为了实现进、回油活塞速度不同，仅使回油流经调速阀，就必 须再设置单向阀，保证进油时油液经单向阀旁路。而在方案二中，只要在 插装阀1 、4 后分别加调速阀即可。 图2 - 4 方案二的液压原理图 f i g 2 - 4t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l eg r a p ho f s c h e m et w o 冲程剪切时，钢筋触发行程开关，控制电磁铁2 d t 、3 d t 同时得电。 此时插装阀芯2 、4 抬起。油液经插装阀2 进入液压缸有杆腔，推动活塞杆 向右移动，剪切钢筋：同时液压缸无杆腔油液经插装阀4 。流回油箱。钢筋 燕山大学工学硕士学倚论文 切断后，行程开关控制电磁铁2 d t 失电、同时3 d t 得电，此时插装阀1 、 3 抬起。油液经插装阀3 进入液压缸无杆腔，推动活塞杆左移，实现快速回 程；同时液压缸有杆腔油液经插装阀l ，流回油箱。当动车刀回到初始位置 后，出行程开关控制电磁铁3 d t 失电，所有插装阀处于关闭状态，动车刀 停止，等待f 次剪切。 较之方案一，阀的响应时间减小了；阀口通径相同的情况下，阀的过 流量也加大了，即系统的瞬时流量峰值增加了。所以，方案二需要的剪切 时间可以更短，但是仍有不足之处，表现为以下几个方面： ( 1 ) 集成块较大考虑到系统所需的瞬时流量峰值相当大，所以采用5 0 通径的插装阀体，而一个5 0 通径的插装阀体所占空间是1 4 0 x1 4 0 1 2 0 m m 、重3 8 k g 。此外还要考虑先导阀、控制盖板以及各个控制油路的布 置，因此，集成块较大，费用较高。 ( 2 ) 对插装阀的控制比较复杂，容易出现路路通现象由于插装阀回路 是由一个个独立的控制液阻组合起来的，因此它们动作的一致性不能像滑 阀系统那样可靠。如果先导电磁阀动作不协调或因换向冲击等原因，很可 能造成进回油阀瞬时全通的情况。这样不仅将使车刀操纵失灵造成不良后 果，而且还将使剪切过程中蓄能器储存的压力油流失。 方案三： 本文设计的新型高速钢筋切断机液压系统原理图如图2 5 所示。 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。先 导阀电磁铁2 d t 得电，先导阀1 处于左位，插装阀l 的阀口开启，油液进 入液压缸无杆腔，推动活塞杆冲程剪切。同时有杆腔的油液经管道与蓄能 器油液、泵供油液合流经插装阀1 进入无杆腔。钢筋切断后，先导阀电磁 铁2 d t 失电，先导阀1 处于右位，插装阀l 的阀口关闭。泵向系统输出油 液全部进入蓄能器中储存。当钢筋再次运行到给定位移后，行程丌关再次 发出电信号，控制先导阀电磁铁3 d t 得电，插装阀2 的阀口丌启，蓄能器 油液与泵供油液合流进入液压缸有杆腔，推动活塞杆回程剪切。同时无杆 腔的油液经开启的插装阀2 流回油箱。钢筋切断后，先导阀电磁铁3 d t 失 电，先导阀2 回复，插装阀2 的阀1 ：3 关闭。泵向系统供油全部储存到蓄能 第2 章高速钢筋切断机总体方案研究 器中，等待下次剪切。 图2 - 5 新型高速钢筋切断机液压系统原理图 f i g 2 5t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l eg r a p ho f n e wk i n do f h i g h - s p e e ds t e e lb a rc u r e r 与方案一、二相比，本方案具有以下几个方面的优势： ( 1 ) 采用“单个控制液阻回路”不同于方案一的“单个元件组合回路”， 方案三回路结构的基本单元是作为“单个控制液阻”的二通插装阀。因此， 具有座阀控制的一系列优点，即可以实现无泄漏、响应快，静、动态特性 好，不存在正开口控制所带来的缺陷，并且性能易受调整、工艺简单、便 于大量生产和采用【1 9 , 2 0 1 。 ( 2 ) 符合“最小液阻原则”所谓“最小液阻原则”是指，在采用通过 调整液流阻力进行流量控制的“控制液压传动”中，全部可控执行器的“受 控腔”控制回路都可以通过最少或较少的液阻来加以组成( 2 1 。很明显，三 种方案中，方案三采用的功率级液阻最少。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 保证峰值流量供给如何解决系统一个周期的平均流量小，而剪切 时进油峰值流量大的矛盾是本课题的研究要点之一。笔者在设计时采用两 种措施。首先在进油路上采用高压蓄能器，储备非剪切时间系统供油，以 便剪切时刻补油。其次在冲程时采用差动回路，减小因为无杆腔面积较有 杆腔面积大导致的流量差，缓解蓄能器的补油压力，进一步降低系统的周 期平均流量。 【4 ) 解决了“路路通”问题由于系统回路是“单个控制液阻回路”，因 此插装阀动作的一致性不可能象滑阀系统那样可靠，很可能造成进回油路 瞬间全通的情况 3 7 1 。设计时采用一个先导阀控制一个插装阀，保证控制的 可靠性。此外，在剪切过程中保证一个插装阀开启、关闭的同时，另一个 插装阀不动作，避免了因为先导电磁阀延迟可能出现的进回油阀瞬间全通 的情况 ( 5 ) 采取回油蓄能器吸收因管道影响而无法迅速泄掉的油液。同时在 回油路上产生背压，减缓活塞冲击缸尾的速度，延缓液压缸使用寿命。 方案三以液阻理论为指导，在原有液压系统方案的基础上进行大胆创 新，很大程度上减小了剪切时间，提高了生产效率，对今后切断类的设计 及研究有借鉴作用。所以本文主要就该方案进行讨论。 2 3 本章小结 本章首先根据钢筋切断机的性能要求研究了高速钢筋切断机的设计要 点，确定系统设计及后续研究的方向。其次介绍了现有钢筋切断机液压系 统的工作原理，讨论了系统的优缺点，并在现有方案的基础上提出了一种 新型的基于液阻理论的高速钢笳切断机液压系统。通过与原有方案的比较， 分析了此方案的理论优势和结构优势。 1 8 第3 章高速切断机传动系统设计 第3 章高速切断机液压剪切系统设计 3 1 传动系统线性分析 现实世界中的一切实际系统严格地说都属于非线性系统。线性系统只 是实际系统在忽略次要非线性因素后所导出的理想化模型。但是，在对系 统进行一定的简化后，完全可以把相当多的实际系统按照线性系统对待和 处理，同时所得的结果可在足够的精度下吻合于系统实际运动状态1 3 。 为了能够深入研究、分析新型钢筋切断机的运动规律及性能，建立和 揭示系统结构、参数、动作和性能间的定性的和定量的关系，有必要对其 进行线性化研究。然后，在研究结果的基础上，进一步分析实际系统的运 动状态。 3 1 1 假设条件 进行系统线性化研究时，必须对液压切断机的运动作一些必要的简化 和假设。虽然对系统的简化和假设不十分精确，但就线性数学模型来说已 能很好的满足要求。 ( 1 ) 油液是不可压缩的； ( 2 ) 活塞作等加( 减) 速运动，忽略冲击缸尾( 头) 后的短暂停顿和反弹速 度； ( 3 ) 供油压力无波动； ( 4 ) 插装阀、先导阀均是瞬时启闭的，忽略先导阀换向时所需油量； ( 5 ) 回油背压为零。 考虑到活塞可能经历加速、匀速、减速过程。在以上假设条件下，可 认为在各个运动阶段内，活塞运动的加速度分别保持不变，速度图呈直线 状。 1 9 燕山大学工学硕士论文 3 1 2 相关参数及符号 钢筋切断机的各种参数分为三大类，其相应的符号如下 ( 1 ) 性能参数直接反映剪切机构性能指标的有关参数。主要包括：剪 切时间( d 、速度刚度( 妫、总效率(