液压式钢筋钢管切断弯曲套丝机毕业设计说明书Word格式文档下载.docx
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学习国外先进技术经验，加速研发数字化控制、功能集成化的钢筋加工机械是今后发展的目标。
要实现钢筋加工机械的升级换代，为发展钢筋加工产品商品化创造条件，为建筑施工企业生产各种钢筋加工产品，推动钢筋加工产品的商品化进程，使我国钢筋加工机械产品跻身于世界先进行列。
1.3液压传动的优缺点
1.3.1液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：
（1）.由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。
例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。
由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。
（2）.液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。
例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。
液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W（牛/瓦）,发电机和电动机则约为0.03N/W。
（3）.可在大范围内实现无级调速。
借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。
（4）.传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。
正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。
（5）.液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。
（6）.液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。
（7）.液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。
1.3.2液压传动的缺点
（1）.液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。
（2）.液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。
（3）.为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。
（4）.液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。
（5）.液压系统发生故障不易检查和排除。
总之，综合分析液压传动的优缺点，其优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。
只要我们综合利用液压传动的优点，采用合适的密封方法和提高元件的制造质量等措施就可以很好的控制泄漏和噪声等缺点，方便的实现建筑机械自动化。
液压传动有着广泛的发展前景。
1.4液压传动在机械中的应用
驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。
根据所用的部件和零件，可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置。
经常还将不同的形式组合起来运用——四位一体。
由于液压传动具有很多优点，使这种新技术发展得很快。
液压传动应用于金属切削机床也不过四五十年的历史。
航空工业在1930年以后才开始采用。
特别是最近二三十年以来液压技术在各种工业中的应用越来越广泛。
在机床上，液压传动常应用在以下的一些装置中：
（1）.进给运动传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动；
车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架；
铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。
这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动。
有的则既要求快速移动，也要求慢速移动。
这些运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；
有的要求持续进给，有的要求间歇进给；
有的要求在负载变化下速度恒定，有的要求有良好的换向性能等等。
所有这些要求都是可以用液压传动来实现的。
（2）.往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往复直线运动，并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低，因此都可以采用液压传动。
（3）.仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。
其精度可达0.01～0.02mm。
此外，磨床上的成形砂轮修正装置亦可采用这种系统。
（4）.辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等，采用液压传动后，有利于简化机床结构，提高机床自动化程度。
（5）.静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等处采用液体静压支承后，可以提高工作平稳性和运动精度。
2方案论证及设计计算
本设计的题目是液压式钢筋钢管切断弯曲套丝机,该机试用于建筑单位，操作要灵活方便，液压系统要安全可靠;
主机为可移动式，移动、固定要灵活方便。
由于建设机械在野外作业较多，工作条件较为恶劣，油液溶液污染，因此要求所用的元件对油液污染的敏感性低，系统要设置良好的加油，吸油过滤装置和防尘装置。
在这个课题设计的过程中我做的是液压系统的设计.从设计要求分析,该机通过液压系统对主机的控制最终要实现三个动作,即对钢筋或钢管的切断、弯曲和套丝.从材料的力学性能来考虑,钢筋的变形要比钢管的变形困难的多,所以本设计以最终实现对钢筋的切断,弯曲,套丝来考虑切断力,材料弯曲、套丝时所需的扭矩,以对钢筋的计算为准，在满足工作性能要求的情况下，力求设计过程的简洁。
现在初步考虑对钢筋切断时,用液压缸的活塞杆带动刀具来实现对钢筋的切断;
对弯曲和套丝动作的实现有两种方案,一种是用回转液压缸带动工作台旋转,其弯曲过程为使弯曲缸活塞前移，通过活塞内孔大导程槽的作用，使缸内丝杠转动，并通过丝杠头部带动弯曲回转工作台转动，进行钢筋弯曲作业。
一种是用液压马达带动工作台来实现对钢筋的弯曲和套丝，即将马达的旋转轴直接与弯曲工作台连接，对于弯曲的角度可由马达所带的行程开关来控制。
考虑到回转液压缸的回转角度仅限于0——180度，对于大角度的弯曲和套丝来说，一个回转液压缸不能完成操作，为使机械结构简单，本设计采用双向定量液压马达的旋转运动来实现弯曲和套丝加工。
现就系统工作原理制定以下两种方案加以比较：
方案一：
其系统原理图如下：
方案二：
其系统原理图如下所示：
比较两种方案，方案一系统结构结构简单，但仅仅限于完成钢筋钢管的切断，弯曲和套丝，在系统结构功能优化方面有所欠缺。
方案二虽系统结构较方案一复杂了一些，但其在流量和压力控制方面有很多优点，尤其是在切断直径在20毫米以下的钢筋时，即工作压力小于16MPa时，方案二可以不经过增压缸在中低压环境下直接切断，可以降低液压元件间的磨损和工作油液的间隙泄露，从而可以延长液压系统的使用寿命。
在本设计中，经综合考虑我采用方案二对系统进行设计计算。
2.1钢筋切断力的计算
在建筑中混凝土用钢筋查《金属手册》第九版第一卷P237表18可知其光圆钢筋：
用作销钉，圈簧，构件接头和支撑杆，其材料为ASTMA615，螺纹钢筋与混凝土共用提供抗拉强度或抗压强度，ASTMA706。
标准尺码的螺纹与无纹混凝土用钢筋的尺寸。
表2-1
钢筋尺码
公称尺寸（mm）
横截面面积（
）
公称重量（kg/m）
3
9.52
71
0.560
4
12.70
129
0.994
5
15.80
200
1.552
6
19.05
284
2.235
7
22.22
387
3.042
8
25.40
510
3.973
9
28.65
645
5.059
10
32.26
819
6.403
11
35.81
1006
7.906
14
43.00
1452
11.384
18
57.33
2581
20.238
数据来源：
《金属手册》第九版第一卷
工程上最常用的光圆钢筋为HPB335级钢筋，带肋钢筋为HRB级钢筋，查《钢筋的力学性能》得冷拉钢筋的力学性能：
表2-2
钢筋级别
直径
σs
σb
最小弯曲半径
冷拉应力N/
HPB335
6~12
280
490
HRB400
8~25
450
570
480
HRB500
28~40
430
630
460
《钢筋的力学性能》
热轧带肋力学性能：
表2-3
HRB355
335
16
试验表明，一般情况下材料的许用切应力与许用拉应力之间关系为:
剪切应力对塑性材料[τ]=0.6～0.8[σ]
脆性材料[τ]=0.8～1.0[σ]（2-1）
[σ]为钢材拉应力对于钢材、销钉许用压应力[σs]=1.7～2[σ]
查金属材料的力学性能,建筑中光圆盘钢筋材料为普通碳素钢Q235,其未退火状态下抗剪强度[σ]为310～380MPa,σb为440～470MPa,σs=240MPa.通过查阅资料并结合工程实际，工程上计算常采用σb=630——650MPa,在此设计中选用σb=630MPa。
根据钢筋公称尺码,参照一般的钢筋切断机,选取切断钢筋的最大直径d=40mm.根据<
<
钢筋及预应力机械应用技术>
>
P52页提供的计算公式:
P=πd²
/4·
σc（N）（2-2）
式中d—钢筋的直径（mm）；
σc—材料的抗剪极限强度（N/mm²
）。
将数据带入公式:
即P=π40²
/4X630=490.23KN
根据本设计要求加工FMax=40mm，为方便工件的安装，要求刀头端部距工件上端部有10mm的距离，切断效率为20次每分钟，行程为L=50mm，在下面的的切断系统计算过程中要按照此要求进行设计计算。
2.2弯曲扭矩的计算
同弯钢筋相比无论是弯曲力的大小还是弯曲半径的选择,钢筋弯曲要远远比钢管弯曲条件高,现在工程施工中很多是直接用钢筋弯曲机弯钢管,因此本设计根据钢筋的弯曲要求进行设计。
2.2.1工作盘转速的选择
根据同类弯曲机械相比,弯曲机主轴转速为3.7r/min,5r/min,7.2r/min,8r/min,10r/min,14r/min,16r/min。
本次设计取:
8r/min。
2.2.1.1作用在工作盘上的转矩M
根据<
P79
M=[K1+K2d/（r+d）]
w（N·
cm）（2-3）
式中:
K1—与钢筋截面有关的系数,圆截面钢筋取K1=1.7
K2—与钢筋材料有关的系数,一般取K2=0.63～0.71
d—钢筋直径cm
r—弯曲半径cm
w—抗弯截面模数cm,取w=0.1d3
—钢筋弯曲应力.N/cm2
对抗拉和抗压强度相等的材料（如碳钢），只要绝对值最大的应力不超过许用应力即可。
对抗拉和抗压不相等的材料（如铸铁）则拉和压的最大应力都不应超过各自的许用应力（摘自《材料力学》P174）
通过对材料力学行为的研究可知，表征数学材料破坏的行为是屈服，表征脆性材料破坏的行为是断裂。
因此，塑性材料的屈服极限
和脆性材料的强度极限
分别被定义为两类材料的极限应力。
由钢筋材料为碳素钢Q235则
根据前面钢筋的性能，最小弯曲半径d=3
。
则r=1.5
代入数据:
则M=[1.7+0.65·
4/（4+1.5×
4）]×
235×
102×
0.1×
43
=294784N·
cm=2947.84N·
m
（3）.驱动功率
N=M·
n/（974000·
η）（2-4）
本传动为液压传动,取效率为0.75.
则N=294784·
8/（974000·
0.75）=3.23KW
2.2.2危险部位轴的直径
按强度条件
选d=75mm
按刚度条件
2.3套丝切削力计算
（2-5）
k：
为车螺纹时切削系数，
=450Mpa（碳钢k=150kgf/
）t：
切削深度mm,t=1.5
=1.299mm三角形螺纹，s为走刀量s=p/2=0.75mm，p为螺距，查表螺纹直径在20mm以下最大螺距为1.5m。
则p=150x1.229x0.75=146.1375kgf=1.43KN
切削功率：
N=
（2-6）
其中：
p为切削力（kgf）
v切学速度（m/min）
查表螺纹直径在12mm以下者切削速度
则N＝
考虑传动损失设
2.4明确设计要求进行工况分析
在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。
（1）.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。
（2）.主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。
（3）.液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。
钢筋的切断工步应该是:
无杆腔进油时,活塞杆快进;
切刀碰到钢筋后活塞杆带动切刀慢速工进;
切断钢筋后,行程开关控制电磁换向阀换向,有杆腔回油,活塞杆快速返回.
由于该机属于中小型建筑机械,系统压力范围为16～25MPa.初定液压缸的设计压力为16MPa.考虑各种阻力，设定切断缸的推力为510.32KN。
由公式：
D=3.57×
10-2
（2－7）
其中F—KNP—MPa
代入数据得液压缸缸筒内径D=3.57×
10-2
＝0.193m由数据得知此缸用在该中型机械上显得较为笨重，如果使系统的压力升高，要换较大工作压力的液压泵，现在初步估算弯曲和套丝所需的工作压力和流量都较小，因此如果液压泵的工作压力选的过大，则会造成能源浪费和大马拉小车的现象，因此系统的工作压力暂定为16MPa。
回路拟用增压缸，对切断缸的工作压力进行增大，现在初步确定将系统的压力增大两倍。
切断钢筋时工作台的运动参数和动力参数：
查材料手册，切刀切直径40mm的钢筋时，切到35mm时，钢筋即可切断。
活塞杆带动刀具运动时，受到密封阻力、导轨摩擦阻力、以及回油背压造成的阻力等，由于很多数据没有确定，现在适当把液压缸的输出推力适当增大至439.6KN。
表2-4工作台的运动参数和动力参数
工况
行程（mm）
速度（m/s）
时间（s）
工作负载（KN）
快进
0.04
0.25
490.32
工进
40
0.027
1.5
快退
50
1.25
即在刀头接触到工件之前，活塞杆带动刀头快速运动，下降接触工件，如果是在直径小于２０mm时，则不经过切断缸直接切断。
如果钢筋直径在２０mm以上时则经增压缸增压来完成切断动作。
然后快速退回进入下一个工作循环。
2.5确定液压系统原理图
对这三个动作的实现综合考虑用三个液压回路来进行控制.钢筋切断所需切断力较大,切断缸的工作压力应该较大，因此利用增压回路来控制;
弯曲和套丝对速度要求较平稳,初步考虑用调速阀来组成调速回路.现在拟订系统系统工作原理图为：
图2-1液压系统原理图
如图所示,整个系统有增压切断支路,弯曲支路和套丝支路组成.系统由单个齿轮泵供油,切断支路和弯曲支路有主油路上的溢流阀调压,三支路均单独工作,亦可部分的同时参与工作，三个支路分别有三个两位两通电磁换向阀来控制。
2.5.1切断支路工作原理
将两位两通电磁换向阀F处于右位工作,同时弯曲支路和套丝支路关闭,即两位两通电磁换向阀J和I处于左位，则切断支路处于工作状态。
此时液压泵出油经两位两分为两支油路，但由于有液控单向阀的作用，液流仅能通过两位四通换向阀向右快速前进，此时切断缸迅速向上移动而接触工件，当工作压力达到16MPa时，此时液控单向阀被打开，同时右边的两位四通电磁换向阀D有压力继电器控制处于下端位置，此时向右快进的供油油路被切断，仅做回油路用。
液压油通过液控单向阀只通两位四通电磁换向阀G进入增压缸.假设此时电磁换向阀G处于左位，则增压缸向右运动，迫使高压油向右运动经单向阀进入调速阀，在此处设有起安全保护作用的溢流阀，然后高压油进入切断缸，此时处于工进工作状态，速度较慢。
高压油驱动活塞向上运动，有活塞杆带动刀具将钢筋钢管切断。
就在切断钢筋的同时，刀头接触到行程开关B（行程开关B控制两位四通电磁换向阀E和两位两通电磁换向阀H）,在行程开关B的作用下，两位四通电磁换向阀E处于下位，同时两位两通电磁换向阀H也处于下位，这样在钢筋被切断的瞬间，高压油通过两位两通电磁换向阀H泄荷，使高压油液压力在瞬间下降，直至将到16MPa以下时，由压力继电器控制的换向阀D此时又处于上位工作，切断缸回油，活塞向下运动，只到刀头碰到行程开关A时，两位四通电磁换向阀G处于右位，此时完成一个工作循环。
完成一个工作循环需要3秒钟，接着进入下一个工作循环。
2.5.2弯曲支路工作原理
将当两位两通电磁换向阀J处于下位，而两位两通电磁换向阀F和上分别处于左位时，仅弯曲回路处于工作状态。
由于钢筋钢管的弯曲所需要的压力远远小于钢筋钢管的切断所需要的压力，故在回路中设置有减压阀，以调节合适的压力。
液流通过减压阀之后到达三位四通电磁换向阀K,现假设三位四通电磁换向阀K处于上位,液压马达正向旋转。
当液压油从三位四通电磁换向阀K出来后直接接如单向调速阀，且单向调速阀并联有起安全保护的溢流阀,此时液压油到达液压马达，由于回路中设有减压调速阀，故压力和马达转速可调定。
当液压马达要换向或要装卸工件时，通过调节三位四通电磁换向阀K至中位，即可以实现液压马达的换向旋转和卸荷。
当液压马达换向后，原来的进油口变成了出油口，原来的出油口变成了进油口，即便是这样系统回路同样具有减压和调速的功能，可以方便的实现弯曲工作。
2.5.3套丝支路工作原理
套丝支路工作原理与弯曲支路极其相似,在这里不在赘述。
2.6系统回路的设计和液压元件的选择
2.6.1切断支路液压系统计算
若系统压力提供很小时,所计算的液压缸内径及活塞杆尺寸较大,与实际中小机械小巧方便的性能不相符合;
若系统提供的压力较大时,不仅使液压泵成本提高,还会对弯曲和套丝支路造成大马拉小车的现象,即能源浪费,因此应选工作压力较为适中的液压泵,对切断支路进行增压.拟定增压后液压缸工作腔的压力为40MPa.
根据钢筋的切断运动要求,切断缸拟用双作用单活塞杆无缓冲式液压缸.查切割工艺的速度合理范围,取切断（钢筋从接触到钢筋至切断）时的速度为0.027m/s.快进（无杆腔进油至接触到钢筋）时选速度为0.04m/s。
以下进行的设计计算都是在此前提下进行的。
2.6.1.1液压缸内径的确定:
（2-8）
2.6.1.2活塞杆直径d的计算:
（2-9）
由表43.6-89<
机械设计手册>
选取φ=1.41
代入数据即
根据液压行业标准,将D和d圆整为标准值取D=160mmd=90mm。
则液压缸实
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