钢筋切断机设计

机械原理设计任务书设计题目：钢筋切断机机构设计

姓名XXXXX

班级XXXXXXX

学号XXXXXXX

目录

一、摘要 (3)

二、设计题目和要求 (3)

2.1 题目简介 (3)

2.2设计要求和有关数据: (3)

2.3设计任务 (4)

2.4设计创新 (4)

2.5设计思路 (5)

三、机构设计 (5)

3.1机构驱动方案选择 (5)

3.1.1液压传动驱动 (5)

3.1.2液压传动特点： (5)

3.1.3 电机驱动 (6)

3.1.4驱动方式的选择 (6)

3.2 传动装置的选择 (7)

3.2.1带传动 (7)

3.2.2 齿轮传动 (7)

3.2.3组合传动 (7)

3.2.4传动机构的选择 (8)

3.3 执行装置的方案设计 (8)

3.3.1曲柄滑块机构 (8)

3.3.2凸轮机构 (9)

3.4方案比较 (9)

四、参数综合 (10)

4.1曲柄滑块机构综合 (10)

4.2 齿轮机构综合 (11)

4.3电机相关参数选择 (12)

五、机构装配及运动分析 (13)

5.1输出件速度，加速度计算 (13)

5.2机构装配图 (14)

5.3运动分析 (15)

5.3.1动刀位移分析，如图 (15)

5.3.2动刀速度测试，如图 (15)

5.3.3动刀加速度测试，如图 (16)

5.4误差分析 (16)

5.5设计改进 (16)

5.5.1齿轮的改进 (16)

5.5.2刀具的改进 (17)

六、参考文献 (18)

一、摘要

钢筋在建筑上应用非常广泛，它可以用作预制构件，钢筋混凝土和箍筋等。为此，需要钢筋切断机按所要求的钢筋的规格的长度将其切断。钢筋切断机是钢筋加工必不可少的设备之一，它主要用语房屋建筑、桥梁、隧道、电站、大型水利等工程中对钢筋的定长切断，一般都是用于剪切建筑用的I级钢，剪切钢筋直径为6—40毫米。钢筋切断机有机械传动和液压传动两种。机械传动构造简单，工作可靠，维修方便，液压传动无噪音，体积小，重量轻，移动方便。但液压传动结构复杂，一旦出现故障难以排除，故目前较多使用的仍然是机械传动的钢筋切断机（如图）。

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。

二、设计题目和要求

2.1题目简介

钢筋在建筑上应用非常广泛，它可以用作预制构件，钢筋混凝土和箍筋等。为此，需要钢筋切断机按所要求的钢筋的规格的长度将其切断。目前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。

2.2设计要求和有关数据:

1）设计要求

a.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。

b.运动要求：

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）。

c.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)有关数据

拟采用三相异步电机作动力源，初定电机转速nd＝rpm；所切钢筋的最大直径dmax＝40mm，动刀通过的距离H=44mm，其生产率分型号依次为34次/ 分、38次/ 分、42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×宽×高<1600×500×750

2.3设计任务

1. 至少提出两种运动方案，然后进行方案分析评比，选出一种运动方案进行设计；

2. 设计传动系统并确定其传动比分配。

3. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。

4.用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

5. 编写设计计算说明书，其中应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。

6. 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。2.4设计创新

1、在设计的过程中，应尽量减少整体机构的震动和噪声。

2、对刀片的改进，在刀片的设计上，要注意当钢筋放在刀片上受力时，防止钢筋突然弹出来。

2.5设计思路

钢筋切断机主要是由驱动装置，传动装置和执行机构组成，因此，在设计中，首先提出各个部分的设计方案，然后经过对比选择合适的方案，当方案确定之后，就要选择各个零件的参数，这个过程中，首先应该确定执行机构的各个参数，然后确定传动机构零件的参数和整个传动比，最后才是驱动装置的参数确定，当各个参数确定之后，接下来就是装配和运动分析，误差分析，方案改进创新等。

三、机构设计

3.1机构驱动方案选择

3.1.1液压传动驱动

要实现液压传动了，则在整个机构中，需要有齿轮泵和油缸，齿轮泵是为了产生油缸运动的动力，齿轮泵能产生的动力的大小直接影响着油缸的工作能力，而油缸是直接作为执行元件，将液压油的压力转化为机械能从而实现机构的直线运动。在整个机构的运行过程中，油缸的运动很安静，但是齿轮泵则会产生较大的噪音。如图所示

油缸简图齿轮泵结构简图

3.1.2液压传动特点：

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）具有较好的工作适应能力可实现直径在6mm～16mm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。

3）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。

3.1.3电机驱动

异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高,并且能够提供较大的功率。异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，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。

三相异步电动机结构简图

3.1.4驱动方式的选择

虽然液压驱动具有体积小，携带方便，机构设计简单的特点，但是其成本较高，且维修复杂，而三相异步电机相对应用广泛，噪声比液压驱动更小，震动更小，调速更方便等特点。故综上从成本和题目所给的性能要求来看，选择三相异步电机作驱动装置更合适。

3.2 传动装置的选择

3.2.1带传动

带传动是通过两皮带轮与皮带之间的抱死来实现构建之间的运动传输，其工作时主要靠皮带与皮带轮之间的摩擦来带动运动的，也就是说这个过程中一部分机械能会转化为内能，并且皮带的寿命比较短，维修频率较大，通常出现在机构的第一级传动中。

3.2.2 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。

3.2.3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。如图所示：

3.2.4传动机构的选择

综上，考虑到成本和传动比的选择，本题可以采用带传动和齿轮传动构成的组合传动机构。这样，特可以解决齿轮传动传动比不是很高，带传动消耗的输出功率太大的缺点，而可以充分发挥带传动传动级数较少，齿轮传动噪声小，传动准确可靠，效率很高的优点。

3.3 执行装置的方案设计

在整个传动过程中，执行机构是最重要的一部分，它不仅要实现产品设计的使用价值，还要将机械的其他运动转化为本题我们需要的直线运动。实现这一过程的方式有很多，在这里，我们只讨论常见的两种方式，第一种是采用曲柄滑块机构，第二种采用凸轮机构。

3.3.1曲柄滑块机构

如图所示，曲柄滑块机构具有设计简单，成本较低，能的特点，但是其运动轨迹很难达到设计的要求，

曲柄滑块机构简图

3.3.2凸轮机构

如图，凸轮机构和曲柄滑块机构一样，可以使机构具有急回特性，其具有高精度的传动特性，且能按照特定的轨迹进行运动，但设计和制造相对复杂，若不需要考虑精度问题，则在制造的过程中凸轮轮廓的制造比较复杂，且加工量较大，若考虑精度问题，可以根据设计出的轨迹方程借助软件求出凸轮轮廓线，然后再用数控机床进行加工，这样的话就提高了其成本。

凸轮机构简图

3.4方案比较

首先，曲柄滑块机构和凸轮机构都能实现急回特性。由于对心曲柄滑块机构没有急回特性，所以在设计时，我们考虑采用偏置曲柄滑块机构的几何模型。给定极位夹角为θ和滑块的摆程为H。假设滑块导路与X轴平行，如图，

四、参数综合

4.1曲柄滑块机构综合

由曲柄滑块机构简图知：

设机构的行程速度系数K=1.25，摇杆摆角ψ=30°则由θ=180°×K?1

K+1

=20°

α=ψ?θ=10°

由x c1?x c02+y c1?y c02=R2

x0=H

=22mmy0=

H

cotθ=60.44mm

R=H

=64.32mm

由y0?R

则x C1=86.32或x C1=?42.32

由x B1=(1/2)x C11?cosα+y C1sinθ+H cosθ

y B1=(1/2)x C1sinθ+y C11?cosθ?H sinθ

得：

C1C1B1B1

L BC=x c1?x B12+y c1?y B12=74.77mm

所以

cosθ=AC12+AC22?H2

2AC1×AC2

其中AC1=L BC+L AB AC2=L BC?L AB解得

所以杆L AB=18.06mm

当x C1=?42.32，y C1=60，x B1=30.61，x B1=?12.95时，有方案II：L BC=c1B1c1B1=103.15mm

所以

cosθ=AC12+AC22?H2

2AC1×AC2

其中AC1=L BC+L AB AC2=L BC?L AB解得

所以杆L AB=13.03mm

传力角计算：

由函数关系可得γ=φ所以γ=cos?1AC12+H2?AC

2

2 2H×AC1

方案I有γ1=26.08°

方案II有γ2=44.34°

为了保证机构有良好的传力性能，传动角越大的机构传力性能越好，由γ1<γ2知选择方案II较好。即

x C1=?42.32，y C1=60，x B1=30.61，x B1=?12.95

L BC=103.15mm

L AB=13.03mm

4.2齿轮机构综合

齿轮选择

要使两齿轮之间能够正常齿合，则两齿合齿轮之间的模数和压力角应分别相等，所以

小带轮d7 =50mm

大带轮d6 =215mm

Z2=60 m=5 齿宽28 分度圆直径d2=300mm

Z3=15 m=5 齿宽 60 分度圆直径d3=75mm

Z4=75 m=5齿宽55 分度圆直径d4=375mm

Z5=17 m=5齿宽80 分度圆直径d5=85mm

曲柄轴 d1=13.03mm

效率计算

ηg??闭式圆柱齿轮传递效率，ηg=0.97

ηb??滚动轴承传递效率，ηb=0.99

ηd??带传动传递效率，ηd=0.94

ηc??联轴器传递效率，ηc=0.99

η01=ηc=0.99

η34=ηb×ηg=0.9603

η45=ηb×ηg=0.9603

η67=ηd=0.94

η

总

=η01η34η45η67=0.858

齿轮的传动比

γ=η

总Z2Z4d6

357

=66.04

4.3电机相关参数选择

齿轮转矩计算

F1=F

=

400

=572.32KN

由式可知，β越小，F越大

齿轮转矩计算

T1=d1F1 T1=T2

T2=(1/2)d2F2

T3=(1/2)d3F2

T3=T4

T4=(1/2)d4F4

T5=(1/2)d5F4

T5=T6

T6=(1/2)d6F6

T7=(1/2)d7F6

综上求的

F7=d3d5d7 d2d4d6

F1

F7=0.65KN

阻力扭矩T7=16.37N?m

电机转速选择

滑块平均速度V0=2Hf

V2=38转/min

T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，为各个齿轮上对应的力矩。

F1，F2，F3，F4，F5，F6，F7为对应的各个齿轮或轮系上的切向力。

f—滑块运动的频率，单位：次/min；

V1—曲柄轴的线速度，m/min；

V2—曲柄轴的转速，转/min；

由传动比可得电机转子平均速度n0=γ×V2=2510转/min

电动机功率P=TN

9550

T—阻力矩，n?m

N—电机转速，转/min

P—所需功率，kw

所以P=4.3kw

查相关本资料我们可以选择Y112M-4型封闭式笼型三相异步电动机。

五、机构装配及运动分析

5.1输出件速度，加速度计算

设动刀的运动频率为f，曲柄与水平面的夹角为β，曲柄的速度为V,动刀的速度为V1，则

点B的位移为

y B=y A+L AB?sinξ

x B=x A+L AB?cosξ

点B速度方程为

y B=y A+L AB?ξ?cosξ

x B=x A?L AB?ξ?sinξ

点B的加速度为

y B=y A+L AB(ξcosξ?ξ2?sinξ)

x B=x A?L AB(ξsinξ+ξ2?cosξ)

其中，C点的运动规律可以作为输出件道具的运动规律，因此点C（刀具）的位移可以表示为

x c=x A+l AB?cosξ+l BC?cosψ

y C=M

其中M为常数。

点C的速度可以表示为

x C=x A+l AB?sinξ+l BC?sinψ

y C=0

点C的加速度为

x C=x A?l AB?cosφ?l BC?cosψ

y C=0

5.2机构装配图

5.3运动分析

5.3.1动刀位移分析，如图

上图是动刀上的质心的运动测试图，近似的用来作为动刀的运动特性，测试的时间为3s，由图形可知动刀的位移为H1=645.0?602.0=43mm,与题目所给的值H=44mm相近，满足条件，要使行程误差进一步减小，可以更改曲轴的偏心距，从而得到更加精确的行程范围。

5.3.2动刀速度测试，如图

同样，动刀的速度与时间的关系可以用动刀的质心的速度特性来表示，测试时间我们选择为60s，由测试图分析可知，动刀的切割频率为37次/min,与题所给38次/min相差不大，在误差允许范围内满足条件，从速度曲线来看，动刀的急回特性不是太明显，。

5.3.3动刀加速度测试，如图

由图可以看出，动刀的加速度接近正弦函数，所以在运动过程中，它的运动相对平稳。

5.4误差分析

在整个机构中，导致误差的原因是多方面的，其中最主要的有装配误差，设计误差和运动传递误差。

在装配误差中，由于整个转配图是在pro/e中完成的，齿轮之间的齿合以及执行元件（曲柄，摇杆和刀具）的初始位置的选择都会给整个装配带来误差，避免这种误差的方法是在零件建模的过程中，严格选择建模的位置，在装配时选择合适的装配模式。

在设计误差中，由于在设计的时候设计误差与实际误差不相同，例如我们如果在整个设计中考虑的误差为5%，那么实际建模处的机构可能会达到8%或者低于5%，且计算过程中精度的选择在建模过程中有取舍，比如在计算中曲柄的偏心距为13.03mm，在建模的过程中也许建模软件默认为13mm，这样的话就出现了设计误差。要避免这些因素带来的误差，在设计过程中，尽量保证建模软件的数值单位与设计计算的单位的精度一致，尽量选择有信服力的经验值。

在传递误差中，有时候会因为齿轮的传动有打滑现象，带轮与皮带之间有相对摩擦现象，这些都会使系统出现传递误差，控制这些误差的最好办法就是保证齿轮之间的正确，连续齿合，保证带轮与皮带之间的配合。

5.5设计改进

5.5.1齿轮的改进

1）由于小齿轮与大齿轮的模数和压力角应该相等，这样就保证了齿轮之间的正常齿合，但是通过实际生产发现，当小齿轮在保证和大齿轮有相同的模数和

压力角时，其齿数低于某一范围后会发生根切现象，并且不再材料及各种制造工艺都相同时小齿轮的寿命比大齿轮要低得多，为了提高小齿轮的寿命，避免根切现象，可以对其进行额外热处理，如表面硬化，渗氮处理等，还可以对小齿轮进行正变位修正，对大齿轮进行负变位修正；

2）在钢筋切断机运行的过程中，由于各种原因会产生机构振动和噪音，在生产现代化和生活环境高要求的情况下，减少机械的振动和噪音是一项重要的工作，在这个机构中，产生振动和噪音的原因有很多，其中装配间隙和曲柄，摇杆，齿轮等机构的运动都会产生噪音和振动，所以在机构的设计当中，可以考虑在不改变曲柄滑块机构的设计的要求下，通过改变齿轮的设计来达到降噪减振的效果。在齿轮的齿形中，常见的有斜齿齿轮和直齿齿轮，因为他们之间在传动齿合的过程中的受力原理不同，他们产生的机构振动和噪音大小也有一定的区别，一对直齿轮相啮合时, 其轮齿沿整个齿宽同时进入接触或同时分离，容易引起冲击、振动和噪音，传动的重合度小，每对轮齿的负荷大，传动不够平稳，不适用于高速重载的传动，而斜齿齿轮在传动过程中，齿面上的接触线为斜直线，重合度增大，两轮轮齿逐渐进入啮合，冲击、振动及噪声减小，传动的平稳性增强。（如图）

5.5.2刀具的改进

刀具在切割过程中，由于刀的切削刃是直线，这样就容易使钢筋在受力之后弹出，伤害旁人，为了解决这一问题，可以将刀具的切削刃改为内凹曲面，防止钢筋弹出伤人（如图），单这种刀具需要更大的行程才能满足设计要求。

六、参考文献

[1] 张黎骅，郑言编.新编机械手册.人民邮电出版社，北京,2008年5月第一版。

[2] 冯鉴，何俊等编.机械原理.西南交通大学出版社，成都,2008年8月第一版。

[3] 章友文编，钢筋切断机剪切机理分析[J].工程机械,1991(3):16-19.

[4] 郭卫东编，虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程.北京航空航天大学出版社,2008.6.