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钢筋切断机知识

钢筋切断机的动力学性能

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-1-29     浏览次数:    
  楷体钢筋切断机的动力学性能
  陶浩,段红杰(郑州轻工业学院机电工程学院,郑州450002)摘要:采用等效力学模型,对钢筋切断机的动力学性能进行研究,得出钢筋切断机的机械运动方程式;运用CosmosWorks有限设计分析软件,建立钢筋切断机机体有限元模型,计算切断机机体的受力情况,分析钢筋切断机机体应力分布状况,对钢筋切断机机体进行强度校核和设计检查。
  关键词:钢筋切断机;CosmosWorks;动力学性能

  中图分类号:TU649文献标志码:B文章编号:1003-0794(2008)05-0081-03


引言

  钢筋切断机是建筑机械市场广泛使用的钢筋加工设备,在近年来的生产、使用中呈现快速增长的趋势。分析研究钢筋切断机的动力学性能是进行钢筋切断机改良设计的理论基础。钢筋切断机机体是钢筋切断机的重要部件,其结构参数的优化是钢筋切断机优化设计的关键。由于钢筋切断机机体结构和受力较为复杂,因此,采用SolidWorks三维设计软件建立钢筋切断机机体模型,同时为了简化建模和分析过程,采用与SolidWorks软件完全集成的CosmosWorks有限设计分析软件进行机体有限元分析,以获得较高精度的计算结果和设计方案。


1.钢筋切断机的动力学计算

  常用钢筋切断机的结构如图1所示,即电动机通过一级带传动、三级齿轮传动,驱动曲柄滑块机构,带动活动刀座往复运动,固定在活动刀座上的活动刀片与固定在机体上固定刀片一道作用,完成对钢筋的切断。

  从载荷步2随动橡胶圈上的等效应力图(略)可以发现在橡胶圈内最大应力为0.671MPa,远小于该类型橡胶材料的屈服强度1.6MPa。说明该设计能够满足工作要求,在强度上还留有一定余地,保证许用的安全系数,能满足长期工作的寿命要求。
  用载荷组合功能迭加载荷步1和载荷步2的结果:
  (1)生成载荷工况2指向载荷步2的结果。
  (2)在当前内存数据库中(即:载荷步1结果)加入工况2(即:载荷步2结果)。
  (3)画组合工况(即:载荷步1+载荷步2):vonMises应力(SEQV)。
  用ANSYS为平台分析随动橡胶圈承受载荷的情况,可以看出在橡胶圈的底部是应力危险点。从分析结果来看,该橡胶圈结构设计合理,厚度设计基本能够满足工作要求。欲提高橡胶圈的整体强度,必须从根本上增加底部的强度,使之能承受更大的应力和变形。
  图1钢筋切断机结构1.固定刀片2.活动刀片3.曲轴4.Ⅲ轴5.Ⅱ轴6.Ⅰ轴7.电动机8.带传动(1)钢筋切断机的运动方程式忽略各构件的重力及运动副中的摩擦力,则作用在钢筋切断机上的力只有电动机发出的驱动力和活动刀片所受的切断阻力。以三相异步电动机轴为等效构件,可得出钢筋切断机的机械运动方程式Md-Mr=ω22dJedφ+Jeddφt(1)式中Md———电动机的等效驱动力矩;Mr———等效切断阻力矩;Je———等效转动惯量;ω———电动机的角速度。
  (2)等效驱动力矩由三相异步电动机轴的机械特性可知,当电动机稳定工作时,驱动力矩Md=a+bω+cω2(2)待定系数a、b、c可根据电动机的额定功率P、额定转速nn、同步转速n0、最大力矩Mk等机械特性参数求出。
  (3)等效切断阻力矩如图2所示,钢筋切断机的最终执行机构是由曲轴、连杆、活动刀座构成的曲柄连杆机构。在钢筋切断过程中的切断力F的变化曲线如图2所示。
  图2切断力F的变化曲线R.曲轴的偏心距O点.刀片运动的前死点S1.活动刀片开始切入时的行程Sm.最大剪切力出现时的行程S2.切断时的行程最大切断力Fmax=K1K2σbA式中K1———刀刃磨钝后,切断力增大系数;K2———钢筋抗剪与抗拉极限强度比;σb———钢筋极限抗拉强度;A———被切钢筋断面面积。
  通过对实测切断力曲线的分析,发现由于材料不同,钢筋直径不同,最大切断力出现的位置也不同。可以定义最大载荷出现的系数μ来确定Fmax的位置。即Sm=S1+μd式中d———被剪切钢筋的直径。
  一般取μ=0.40~0.44。
  为了反映切断实际工作状态,特采用2段二次曲线来拟合切断力曲线,即以F1(s)=a1s2+b1s+c1来拟合图中AB段曲线。代入A点参数(S1,0)及B点参数(Sm,Fmax),并认为曲线关于BE对称,即可求得相关参数a1、b1、c1。以F2(s)=a2s2+b2s+c2来拟合图中BC段曲线。代入B点参数(Sm,Fmax)及C点参数(S2,0),并认为曲线关于BE对称,即可求得相关参数a2、b2、c2。
  因此,等效切断阻力矩Mr=F(s)vω式中F(s)———切断力;v———活动刀座的移动速度。
  (4)等效质量和等效转动惯量根据等效构件所具有的动能和机构各构件具有的动能和相等,可得出等效转动惯量Je=∑ni=1[mi(viω)2+Ji(ωωi)2](4)式中mi、vi、Ji、ωi———各构件的质量、质心的速度、对质心的转动惯量及绕质心的角速度。

  将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1),即可求出钢筋切断机的动力学性能。


2.机体的有限元分析

  2.1建立机体有限元模型利用SolidWorks中的特征建模命令如基体拉伸、切除等,设计建立机体的三维实体模型。在建模过程中,必须注意模型细节的消除处理,即在对机体工艺结构和使用工况进行分析的基础上,取舍一些非关键性的特征,如安装端盖用螺纹孔、安装操纵机构用的凸台、部分倒角等,以便三维实体模型导入Cosmosworks环境中后,能自动转化成为有效的有限元模型,能成功进行有限元网格划分和计算。经过处理后的机体有限元模型如图3所示。

  2.2定义研究及材料—82—Vol.29No.5钢筋切断机的动力学性能———陶浩,等第29卷第5期钢筋切断机切断钢筋时是一种低速、非连续的运动,因此,可以将钢筋切断机机体的有限元分析定义为静态分析、实体网格研究。并通过SolidWorks“自定义”材料库,将球墨铸铁的技术参数分配到机体有限元模型上。

  图3机体有限元模型

  2.3定义约束条件及载荷根据钢筋切断机体的实际工况,对后轮轴孔和前刀台底面施加“不可移动”约束。对钢筋切断机机体施加如下载荷:在虎口处右侧面施加最大切断力Fmax,在各轴承孔圆柱面上施加轴承载荷,轴承载荷按正态分布的形式加载在轴承孔圆柱面上。轴承载荷的计算可以依据以下步骤进行:计算各传动轴转矩、转速和功率;计算各传动轴的圆周力、径向力;计算得出传动轴的支反力即轴承载荷。

  2.4划分网格网格化是有限元设计分析过程中的一个至关重要的步骤。有限元计算结果的精度取决于网格的质量。通常,网格越精细,精度就越高。为了既保证运算速度,又提高计算精度,在机体轴承孔等受力部位以及固定刀座颌口处等结构变化大、应力集中的部位,采用网格控制技术改变局部单元的大小,对网格进行局部细化,以便得到更为精确的计算结果。
  机体有限元模型约束条件、载荷、网格划分如图4所示。
  图4约束、载荷、网格图2.5分析求解在划分完网格后,选用CosmosWorks的FFN解算器进行有限元分析计算,生成应力、位移、设计检查等分析报告。
  (1)机体应力分析从应力图解(图略)可以看出,机体固定刀座颌口处的应力最大。在颌口处随机取几个点,可以探测出每个点所受应力的大小以及最大值应力分布的区域。还可以看到钢筋切断机的最大应力为2.939e+008Pa。而且球墨铸铁的屈服力为4.5e+008Pa,颌口处应力小于材料的屈服极限,机体满足使用要求。
  (2)机体位移分析从位移图解(图略)可以看出,由于机体固定刀座颌口处受到的切断力最大,因此钢筋切断机头部的位移也最大,其最大位移为5.846e-003m,在可控范围之内,符合设计要求。
  轴Ⅰ、轴Ⅱ、轴Ⅲ的轴承孔受力较小,其变形也较小。
  由于曲轴是低速轴,所传递的扭矩最大,因此,曲轴轴承孔的支反力也大,轴承孔处的变形也较大,与实际工况相符。
  (3)机体设计检查可以通过设计检查来帮助检查它的危险部位出现的位置,校对安全性。从机体进行设计检查后得到的安全系数分布图(图略)可以看到,机体的最小安全系数大于1,为1.531。说明机体设计是安全的,能满足生产工作的需要。机体固定刀座颌口处的安全系数较低,可以根据需要进行局部加强设计。
  3.结语
  (1)运用CosmosWorks有限元分析软件,可以方便快捷地建立钢筋切断机机体有限元模型,并对切断机机体进行有限元分析计算,得到应力、位移、安全系数以及应变、变形等分析报告和结果,且结果准确,与实际工况相吻合。
  (2)从应力分布图解、位移图解和安全系数分布图可以直观看出,钢筋切断机机体最大应力和位移、最小安全系数部位都在机体固定刀座颌口处,都在允许范围内,可见钢筋切断机机体的设计是合理的。
  (3)对模型进行优化也是有限元分析的主要目的,通过可视化的操作模型,对钢筋切断机等设计方案的薄弱环节进行强化,具有针对性,并且可以反复进行优化计算,直到得到满意的优化结果为止。
  参考文献:
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  作者简介:陶浩(1965-),湖北浠水人,郑州轻工业学院机电工程学院,教授,主要从事机械动力学研究

  收稿日期:2007-10-10—83—第29卷第5期钢筋切断机的动力学性能———陶浩,等Vol.29No.5


本文由废旧钢筋切断机整理编辑

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