PC钢棒凸轮摆杆剪切机定尺精度设计分析

机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g n Ma n u f a c t ur e 第 3期 2 0 1 4年 3月 P C钢棒凸轮摆杆剪切机定尺精度设计分析 金贺荣 刘康 韩雪艳 卢秀春 燕山大学 机械工程学院 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要 为满足P C钢棒生产线剪切精度高 效率高 连续生产故障率低的技术要求 基于机电液集成技术 提 出电液控制 P C铜棒凸轮摆杆定尺剪切系统设计方案 对关键部件的设计方法进行了研究与性能分析 阐释了凸轮摆杆剪切系统的 技术构成 分析了剪切系统的工作原理 对光电定MS 作原理进行 了研究 分析了剪切机构工作过程 并对影响定尺精度 关键时间参数进行了理论计算 推导出了切断误差方程 计算出其理论值并分析了对其影响的因素 分析结果表明 提出 的电液控制 P c钢棒凸轮摆杆定尺剪切系统具有结构新颖 动作准确 剪切精度高的特性 可满足工程需求 关键词 共轭凸轮 P C钢棒 定尺剪切 精度分析 中图分类号 T H1 6 T G 3 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 3 0 0 4 4 0 3 De s i g n An a l y s i s o f Si z i n g Ac c u r a c y o f Ca m Sh e a r i n g Me c h a n i s m wi t h a n Os c i l l a t i n g F o l l o we r f o r P C S t e e l B a r s J I N He r a n g L I U Ka n g HAN Xu e y a n L U Xi u c h u n C o l l e g e o f Me e h a n i e a l E n g i n e e r i n g Y a n s h a n U n i v e r s i t y H e b e i Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o m e e t t h e t e c h n i c al r e q u i r e m e n t s o fP C s t e e l b a r p r o d u c t i o n l i n e s u c h珊 h i g h p r e c i s i o n 地 e f fi c i e n c y a n d l o wf a i l u r e r o t e o f C O l l t i n u o l p r o d u c t i o n e a l n s h e a r i n g s i z i n g s h e ari n g s y s t e m w i t h o s c i l l a t i n g f o l l o w e r f o r P C s t e e l b a r s w a s p r e s e n t e d b a s e d o n e l e c t r o h y d r a u l i c i n t e g r a e d t e c h m l o g y a n d d e s ig n m e t h a d s o f k e y c o m p o n e n t s W O S r e s e a r c h e d T e c h n i c a l c o m p o s i t i o n of s h e ari n g s y s t e m W as i n t e r p r e t e d a n d w o r k p r i n c i p l e叫 a n al y z e d Wo r k p r i n c ip l e ofp h o t o e l e c t r i c l e n g t h W O 8 r e s e a r c h e d a n d w o r k i n g p r o c e s s o s h e ari n g m e c h ani s m W I S a n al y z e d and k e y t i me p ara m e t e r s t h a t of f c t s i z i n g a c c u r a c y W t lS al s o c alc u l a t e d C u t t i n g e r r o r e q u a t i o n w a s d e r i v e d a n d c a l c u l a t e d a n d i n flu e n t i alf a c t o r s W O a l s o a n al y z e d T h e 伽 s i s r e s u h s s h o w t h a t C t TM 7 s h e ari n g s i z i n g s h e ari n g s y s t e m w i t h o s c i l l a t i n g J b l l o w e r f o r P C s t e e l b ars b a s e d o n e l e c t r o h 5 d r a u l i c c o n t r o l h a s t h e c h o r o t e t is t i c s n o v e l s t r u c t u r e O C C ll r ot e tw t i o n and 恸 c u t t i n g p rec i s i o n and C an m e e t t h e r e q u i r e m e n t s ofe n g i n e e r i n g Ke y Wo r d s C o n j u g a t e Ca m P C S t e e l B a r S p e c i fi e d L e n g t h S h e a r i n g P r e c i s i o n An a l y s i s 1引言 预应力混凝 土用钢棒 S t e e l b a r s p r e s t r e s s e d e o n e r e t e 简称 P C钢棒 广泛应用于高强度预应力混凝土离心管桩 电杆 高架 桥墩 铁路轨枕等预应力构件中 作为钢棒生产加工巾的关键 设备之一 随着生产线自动化水平的不断提高 对 P c钢棒剪切 机提f f I 了耗能少 效率高 工作可靠等技术需求 液压 断机构的 滑道较长 定尺精度低 剪断钢捧端部常有油污现象发生13 叫 锤击 式剪切机构依旧占着主导地位 生产效率低 故障率高 不适宜生 产配线 凸轮摆杆剪切机构丁作可靠 驱动输人简单 具有连 续 动态和高精度剪切的特点 基于机电液一体化技术 提出一 种 P L C控制 P C钢棒凸轮摆杆剪切机 对方案设计与技术构成进 行了研究 并对精度性能进行 分析 2定尺剪切系统工作原理 为克服传统剪切机构连切 油污等不足 该系统剪切机构采 用凸轮摆杆 起一 停 间歇工作方式 从设计原理上解决了连切问 题 在剪切机构与液压系统之间增设液压离合制动器 从结构上 避免钢棒切头被油污现象的发生 按照所需剪切长度 设置定位 开关位 置 在驱动轮带动 下 钢棒 触碰定位装置 时 定 位开关 向 P L C发出剪切信号 之后 P L C控制电磁换向阀接通 高压油通过 旋转接头传至主轴上的液压离合制动器 制动片松开 离合器摩 擦片啮合 此时由电机驱动的飞轮带动主轴使剪切机构动作 实 现剪切 在摆杆切7 J 接触钢棒时 钢棒由于受到切刀的阻碍而无 法继续前进 驱动轮短暂打滑 钢棒被切断后 摆杆切刀急回离开 钢棒 后面的钢棒继续前进 同步环随主轴一起转动 经过接近开 关时会先后对 P L C发信号 P L C控制电磁换向阀关闭 制动器摩 擦片啮合 主轴停止转动 与此同时 P L C计数一次 至此一次剪 切过程结束 等待下一根钢棒的剪切 剪切原理 如图 1 所示 3凸轮摆杆剪切机构 共轭凸轮是指相互固结的一对凸轮轮廓分别与同一从动件 来稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 6 基金项目 秦皇岛市科学技术研究与发展计划项 目 2 0 l I O 1 A 1 4 I 河北省科学技术研究与发展计划项H 1 2 2 l 5 6 0 4 D 作者简介 金贺荣 1 9 7 5 一 男 河北唐 山人 博士 副教授 主要研究方 向 工程机械设计 与研究 第 3期 金贺荣等 P C铜棒 凸轮摆杆剪切机定尺精度设计分析 4 5 上相应的运动副元素接触的凸轮 由于它能很好地控制从动件做 往复运动 因此被广泛应用于各种自动机械 提出的凸轮摆式高 强剪切机构由带轮飞轮 液压离合制动器 共轭凸轮组成 依次安 装在主轴上 凸轮运动输入与主轴同步 大皮带轮的尺寸较厚 作 为飞轮起蓄放能量的功用 下切刀固定在机架上 上切刀安装在 摆杆一侧 摆杆另一侧与共轭凸轮啮合 可绕转轴往复摆动 如图 2 所示 该剪切机构响应快 动作平稳 精度高 并且钢筋的切l头 不会有油污现象 l 嚣 1 l 1 I 盛 芷卜 机 掏 E 旋 转接 头 同步环 一 定位开关 驱动轮 L J 葡 浯n 一丫 r 盟 承 料 架 l l I 带 圣新 图 1剪切系统工作原理图 Fi g 1 W o r k i n g Pr i nc i p l e Di a g r a m o f S h e a r i n g S y s t e m 4 5 1 下切刀 2 上切刀 3 摆杆 4 上滚轮 5 飞轮带轮 6 主轴 7 回凸轮 8 主凸轮 9 下滚轮 1 O 小 带轮 图 2凸轮摆杆剪切机构示意同 F i g 2 S c h e ma t i c Di a g r a m o f Ca m S he a fin g Me c h a n i s m wi t h Os c i l l a t i n g F o l l o we r 4定尺精度分析与计算 4 1影响定尺精度动作参数 篙 程 图 3共轭凸轮工作循环图 F i g 3 Wo r k C y c l e Di a g r a m o f C o n j u g a t e C a m 根据共轭凸轮工作特性与在线剪切要求 从主转动开始便 做有效升程运动 随之驱动摆杆机构动作 上滚轮最初起点位置 如图 3 所示 待凸轮转过 1 0 2 进入近休止区后 切刀完成一次往 复行程 实现对钢棒的剪切 而后由制动器对主轴 凸轮进行制 动 使得摆杆处于静止状态 由此可知 起始点 终止点 的唯一性 和高重复精度是保证其切断精度的关键 制动角是定尺精度的保 证 其与电控检测系统灵敏度 液压动作相应速度以及液压离合 制动器动态性能密切相关 对剪切精度起影响的时间段包括起动时间 切刀空行程时 间 1 起动时间该段时间包括 以下三阶段 定位开关响应时间 t 定位开关响应时间为 1 0 ms 响应误 差值为 0 1 g l S P I C处理时问 h P I C使用的是 s 7 2 0 0系列的 C P U 2 2 4 每字节处理时间 0 7 4 s 该 P I C程序约为 l O k字节 最大处理时 间为 l O x l O 2 4 x 0 7 4 tx s 5 m s 取最大值 5 m s 误差为微秒级 可考 虑不计 电磁换向阀换向动作时间 电磁换向阀采用的是德国力士 乐品牌 t 3 0 m s 这段时间指的是换向阀从阀芯开始动作到离合 器摩擦片开始啮合所用的时间 其动作时间响应误差值为 0 3 ms 2 切 刀空行程时间 t 以直径 1 O mm钢棒为例 该阶段空切位移为 3 m m 此时凸轮 转过 1 7 2 7 该阶段包括凸轮加速阶段和匀速阶段 即液压离合 器加速 和匀速阶段 因此该段 时间包含以下两段 液压离合器加速时间t 在工作过程中 离合器不仅需要 传递扭矩 而且必须在一定时间内将主轴及其上面所安装的零件 加速到工作转速 离合器所能传递扭矩 必须大于最大工作阻 力矩帆 二者之差 用于克服所H 现的加速力矩 由此可算 出所需的加速时间和所转角度 i 3 5 4 m s 1 9 5 5 z Y J n 2 n l 3 o 2 3 4 5 2 式中 I 卜 从动系统所有运动件转化到离合器轴上的转动惯量之 和 k g m 1 2 n 转速差 r mi n 液压离合器匀速时间 斗7 1 8 0 9 4 2 4 17 2 8 c 8 1 式中 一 切刀空行程阶段凸轮所转角度 则 t 4 f 1 1 1 6 1 l 8 J ms 4 4 2切断精度计算 接近开关与电磁换向阀的动作响应时间 波动以及从动 系统所有运动件转化到离合器轴上的转动惯量之和 的波动 是造成切断误差 的根本原 因所在 此外牵 引速度 的变化也会 引起切断误差 此处假设牵引速度不变 因此可由式 5 得第 r t 段 钢棒切断误差 Al n v A t l A t 3 A t 4 0 1 8 0 9 4 2 4 A i 百 5 机 械 设 计 与 制 造 No 3 Ma r 2 01 4 将相关数值代入式 5 中 求得其切断误差 2 0 1 1 6 m m 能够满足工程程实际需要 可以看出 钢棒定尺误差由速度波动 执行系统时间波动 执行动作时间波动所引起 另外钢筋的长度 和直径也有一定影响 这是由于钢筋过细或过长时 在承料槽内 形成一定程度的弯曲 致使在定尺切断过程中产生较大的切断误 差 上述公式推导是建立在凸轮在零点位置起动的 凸轮起动位 置改变则空切行程凸轮所转角度必然改变 由它而引起的切断误 差必然发生变化 提高定尺剪切精度的措施主要有 保持钢棒进 给速度恒定 提高电器元件灵敏度 维持液压系统的稳定性 5结论 作为高强钢丝生产线上的关键设备 凸轮摆式剪切机用于实 现高强钢丝在线定尺切断 具有剪切力大 动作时间短 定尺精度高 等特点 对新型剪切机构一凸轮摆杆剪切系统的技术构成进行了分 析 对剪切系统的电液技术与切断精度进行了分析 分析了剪切过 程 计算了剪切时间参数 推导出切断误差方程 通过计算从理论上 验证了剪切系统的高切断精度 并分析了影响切断精度的因素 为 以后生产中剪切系统的调试以及切断精度调整提供了理论依据 参考文献 1 赵海凤 张远庆 张松琦 高速铁路无砟轨道板用低松弛预应力钢棒生 产装备及若干性能分析 J 金属热处理 2 0 1 0 3 5 8 1 0 1 1 0 3 Z h a o H a i f e n g Z h a n g Y u a n q i n g Z h a n g S o n g q i P r o d u c t i o n e q u i p m e n t s a nd pr o p e r t i e s o f l o w r e l a x a t i o n P C s t e e l b a r u s e d f o r h i g h r a i l wa y b a l l a s t l e s s t r a c k p l a t e s I J H e a t T r e a t m e n t o f M e t a l s 2 0 1 0 3 5 8 1 0 1 1 0 3 2 朱莹 陈茜 栾贵臣 高强 P c钢棒锚具 夹具研究与试验 J 建筑科 学 2 0 1 1 2 7 7 3 6 3 9 Z h u Yi n g C h e n Qi a n L u a n G u i c h e n R e s e a r c h a n d t e s t o f a n c h o r a g e a n d g r i p for h i g h s t r e n g t h P C s t e e l b ar J 1 B u i l d i n g S c i e n c e 2 0 1 1 2 7 S 7 3 6 3 9 3 单东升 孔祥东 李冬春 高速调直液压剪蓄能器回路的设计号胜能分 析 J 液压与气动 2 0 0 4 8 5 4 5 7 S h a n D o n g s h e n g K o n g X i a n g d o n g L i Do n g c h u n De s i g n a n d a n a l y s i s o f h y d r a u l i c a c c umu l a t o r s h e a rin g s y s t e m wi t h h i g h s t r a i g h t e n i n g s p e e d l J j H y d r a u l i c s P n e u ma t i c s 2 0 0 4 8 5 4 5 7 4 焦忠强 甄晚青 热轧钢筋剪切缺陷分析与改进措施 J 山西冶金 2 0 1 0 2 5 1 5 2 7 9 J i a o Z h o n g q i a n g Z h e n Wa n q i n g An a l y s i s a n d i mp r o v e me n t o f s he a r d e f e c t i n h o t r o l l e d b a r s J S h a n x i M e t a l l u r g y 2 0 1 0 2 5 1 5 2 7 9 5 王良文 陈学文 国产钢筋切断机的生产现状及改良 方法 J 建设机械 技术与管理 2 0 0 9 3 1 1 3 1 1 5 Wa n g L i a n g w e n C h e n X u e w e n P r o d u c t i o n a c t u a l i t y a n d i mp r o v i n g d i r e c t i o n f o r d o m e s t i c s t e e l b a rs c u t t e r l J J T e c h n o l o gy Ma n a g e me n t for C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r y 2 0 0 9 3 1 1 3 1 1 5 6 陶浩 段红杰 钢筋切断机的动力学性能 J I 煤矿机械 2 0 0 8 2 9 5 8 1 8 3 T a o Ha o D u a n H o n g j i e Dy n a m i c s p e r f o r m a n c e o f r e i n f o r c i n g b a rs c u t t e r J C o a l M i n e M a c h i n e ry 2 0 0 8 2 9 5 8 l 一 8 3 7 张庆 国 凸轮摆式高强钢丝剪切系统研究及仿真分析 D 秦皇岛 燕 山大学 2 0 1 1 Z h a n g Q i n g g u o T h e r e s e a r c h a n d s i m u l a t io n a n a l y s i s o n t h e h i g h s t r e n g t h s t e e l w i r e c u t t i n g m a c h i n e 0 f c a m s w i n g i n g t y p e D Q i n h u a n g d a o Y a n s h a n U n i v e r s i t y 2 0 1 1 8 杨先海 王旺 共轭凸轮机构模糊优化设计与运动仿真 J 机械设计与 制造 2 0 0 7 1 2 1 6 5 1 6 6 Y a n g Xi an h a i Wa n g Wa n g F u z z y o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d mo t i o n s i mu l a t i o n f o r c o n j u g a t e c a i n me c h a n i s m J Ma c h i n e ry D e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 0 7 1 2 1 6 5 1 6 6 上接 第 4 3页 参考文献 1 周虹 仉毅 基于U G的渐开线齿轮参数化设计与实现E J 机械设计与 制造 2 0 0 7 2 7 8 7 9 Z h o uH o n g Z h a n g Y i De s i g n a n d Re a l i z a t i o n o f P a r a me t e r i z e dd e s i g n i n g o f He l i c a l g e a r B a s e d o nU G J Ma c h i n e r yD e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 0 7 2 7 8 7 9 2 何航红 齿侧间隙对齿轮系统动力学行为的影响 J 机械设计与制造 2 0 1 2 7 2 8 1 2 8 3 He Ha n g h o n g Ef f e c t o f b a c k l a s h o n d y n a mi c s b e h a v i o r o f g e a r s y s t e m l J Ma c h i n e ry D e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 0 7 7 7 8 7 9 3 卞荣 王优强 单粗糙峰对直齿圆柱齿轮热弹流润滑的影响 J 调 滑与 密封 2 0 0 9 3 4 5 3 8 4 1 Bi a n Ro n g Wa n g Yo u q i a n g Th e i n fl u e n c e o f b u mp o n t h e rm a l e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b ri c a t i o n o f i n v o l u t e s p u r g e a r J L u b r i c a t i o n E n g i n e e ri n g 2 0 0 9 3 4 5 3 8 4 1 4 高创宽 周谋 亓秀梅 齿轮摩擦力对齿轮接触应力的影响 J 机械强 度 2 0 0 3 2 5 6 6 4 2 6 4 5 G a o C h u a n g k u a n Z h o u Mo u Qi Xi u m e i E f f e c t o f g e a r t o o t h f ri c t i o n f o r c e o n g e a r c o n t a c t s t r e s s J j J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S t r e n g t h J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S t r e n gth 2 0 0 3 2 5 6 6 4 2 645 5 汤中连 齐秀梅 高创宽 齿面粗糙度对齿轮传动接触疲劳应力的影响 J 润滑与密封 2 0 1 1 3 6 4 5 3 5 7 T a n g Z h o n g l i a n Q i Xi u me i G a o C h u a n g k u a n I n fl u e n c e o f t o o t h f a c e r o u g h n e s s o n g e a ri n g c o n t a c t f a t i g u e s t r e s s l J J L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g 2 0 1 1 3 6 4 5 3 5 7 6 彭秉东 亓秀梅 高创宽 基于粗糙齿面的矿用重载齿轮传动润滑效 应研究 J 煤矿机械 2 01 2 3 3 1 0 5 8 6 0 P e n g B i n g d o n g Q i X i u me i G a o C h u a n g k u a n S t u d y o n l u b ri c a t i n g e f f e c t s o f h e a v y d u t y g e a r t r a n s mi s s i o n u s e d i n mi n e b a s e d o n s u rfa c e r o u g h n e s s p r o fi l e s J C