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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻綜述） 第 9 頁
Gw40型鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)
設計與運動分析綜述
1 引言
鋼筋彎曲機是鋼筋加工必不可少的設備之一，它主要用于各類建筑工程中對鋼筋的彎曲．鋼筋彎曲機通常與切斷機配套使用，其應用十分廣泛．隨著國家投資拉動的效果顯現(xiàn)，尤其是國家大力開展高鐵的建設，鋼筋彎曲機的生產(chǎn)銷售增長迅速．與其他的鋼筋切斷機、彎箍機、調(diào)直切斷機的的情況類似，河南省長葛市已經(jīng)形成了該類機械的生產(chǎn)基地．國產(chǎn)產(chǎn)品大多能滿足使用需求，但也有一些產(chǎn)品的質(zhì)量不能滿足國家標準的要求．河南長葛本地的鋼筋彎曲機生產(chǎn)現(xiàn)狀與質(zhì)量水平反映了國產(chǎn)鋼筋彎曲機的現(xiàn)狀[1].
2 鋼筋彎曲機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
各廠家的鋼筋彎曲機的構(gòu)造基本相同．鋼筋彎曲機的傳動方案有以下2種：“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動”和“帶一三級齒輪傳動”[2]．采用蝸輪蝸桿傳動的鋼筋彎曲機，其傳動效率不如齒輪傳動的彎曲機．也就是說，在同樣的驅(qū)動電機功率條件下，齒輪傳動的彎曲機彎曲同直徑的鋼筋顯得更輕松．但蝸輪蝸桿傳動的自鎖特性，使工作中彎曲的定位精度會更高些．目前，以“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動”方案的彎曲機的生產(chǎn)、應用較為普遍，市場占有率高．在這2種傳動方案的鋼筋彎曲機中，工作面板以上的部分相同．圖1為應用最多的“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動”的彎曲機的結(jié)構(gòu)．
3 鋼筋彎曲機產(chǎn)品質(zhì)量差異
目前，機械傳動類鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝已經(jīng)非常成熟．各個廠家產(chǎn)品的質(zhì)量差異主要體現(xiàn)在以下幾點：1)各個廠家的機箱的造型及用料有較大的差異．用料太少的鋼筋彎曲機，設備的整體剛性太差，外型也缺乏美感．2)僅有少量廠家注重工作圓盤及其他附件的表面質(zhì)量，將工作圓盤及其他附件進行了鍍層處理，將各插孑L采用橡膠套堵封．3)有些鋼筋彎曲機的生產(chǎn)廠家，配用非標生產(chǎn)的電機．這些電機的輸出功率偏小，在連續(xù)工作中容易起熱，無法彎曲標定直徑的鋼筋．4)傳動系統(tǒng)的齒輪、蝸輪蝸桿等，在加工質(zhì)量，材料的選用，熱處理工藝等方面有差異．5)大量廠家的彎曲機不注意外觀涂裝質(zhì)量，少量廠家采用噴塑處理的方式，外觀視覺效果還不錯．
4 彎曲機技術(shù)的發(fā)展與改良方向
4.1 輕量化設計
通過輕量化設計，可以節(jié)省資源，有效地降低彎曲機的生產(chǎn)、運輸成本，提升產(chǎn)品的性價比及市場競爭力．鋼筋彎曲機的輕量化設計技術(shù)，主要有以下幾點:
1)采用有限元技術(shù)對蝸輪變速箱體或者齒輪變速箱體進行輕量化[3]．鋼筋彎曲機蝸輪變速箱體或者齒輪變速箱體的制造成本在整機的成本中占有較大的比重．如果能夠進一步減輕其質(zhì)量，不僅能夠節(jié)約生產(chǎn)成本，也可以使面板的材料變?。羧狈_的理論數(shù)據(jù)，將蝸輪變速箱體或者齒輪變速箱體盲目去重，有可能出現(xiàn)產(chǎn)品的箱體在使用過程中開裂．
目前，蝸輪變速箱體或者齒輪變速箱體的材料大多采用鑄鐵，通過建立有限元分析模型可以在不需要制造出箱體實體的條件下，得到箱體的受力分析結(jié)果．并根據(jù)這些結(jié)果對箱體進行優(yōu)化，改進結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)．通過減輕產(chǎn)品的質(zhì)量而降低生產(chǎn)成本，這對于提高產(chǎn)品的競爭力非常有益．
2)對傳動系統(tǒng)的齒輪傳動優(yōu)化．在鋼筋彎曲機的設計中，可以對其傳動系統(tǒng)的齒輪傳動進行優(yōu)化[4]．采用以齒輪傳動的總中心距最小為目標函數(shù)，通過優(yōu)化技術(shù)來獲得滿足傳動要求的各齒輪參數(shù)．該類問題采用Matlab提供的有關(guān)優(yōu)化函數(shù)工具箱很容易求解．優(yōu)化設計模型的約束條件主要包含性能約束及邊界約束．建立的性能約束主要包括：齒根彎曲強度要求；齒面接觸強度要求等．邊界約束包括：根據(jù)傳遞扭矩估計出的齒輪副模數(shù)的范圍；綜合考慮傳動平穩(wěn)、軸齒輪的分度圓直徑不能太小等因素，估計傳動大齒輪的齒數(shù)范圍、傳動比范圍等；設計中要保證高速級大齒輪與低速級軸不發(fā)生干涉條件等．
3)對傳動系統(tǒng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化．對鋼筋彎曲機進行輕量化設計也可以通過對傳動系統(tǒng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來進行[5] ．在保證相同承載能力條件下，取蝸輪和蝸桿中心距最小作為目標函數(shù)．
該模型下的約束條件同樣包含性能約束及邊界條件約束．性能約束包括：蝸輪齒面接觸強度的要求；蝸輪齒根彎曲強度的限制；蝸桿剛度的限制．邊界條件約束包括：蝸輪、蝸桿的齒數(shù)范圍；蝸輪、蝸桿模數(shù)范圍；蝸桿直徑系數(shù)的范圍等．
同樣可以方便地利用Matlab提供的有關(guān)優(yōu)化函數(shù)工具箱或者其他的優(yōu)化求解技術(shù)，對該模型進行優(yōu)化求解．
4.2 發(fā)展新的品種
發(fā)展新的品種包含同類傳動方式的大型化、開發(fā)新的傳動方式及擴展功能．
1)同類傳動方式的大型化．目前的鋼筋彎曲機主要是GW40型，有極少量GW50型．從產(chǎn)品的投入產(chǎn)出看，生產(chǎn)大型的鋼筋彎曲機效益更明顯．多生產(chǎn)GW50型的彎曲機、適量開發(fā)能夠彎曲更大鋼筋的彎曲機是個方向．在大型化的過程中，驅(qū)動系統(tǒng)、電機、工作盤等的協(xié)調(diào)是關(guān)鍵．
2)開發(fā)新的傳動方式．上述結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)鋼筋彎曲機大多采用電機為動力，也有一些其他動力的彎曲機，如采用柴油機或汽油機驅(qū)動的．鋼筋彎曲機采用液壓驅(qū)動，將改變上述彎曲機傳動結(jié)構(gòu)．目前，主要由廣東的幾個廠家生產(chǎn)．如某廠家生產(chǎn)的W-40型，可以彎40 mm直徑的螺紋鋼，采用雙聯(lián)變速油缸，有2檔速度．采用液壓驅(qū)動，通過對液壓系統(tǒng)的控制，可以使設備更方便地實現(xiàn)更多的功能．但如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則維修困難．受設備使用者素養(yǎng)的限制，這類結(jié)構(gòu)的使用尚不普及．
3)擴展功能．鋼筋彎曲機、切斷機、彎箍機通常是配套使用的，在同臺設備上實現(xiàn)多種功能，是技術(shù)的發(fā)展方向之一．通過在原鋼筋彎曲機的工作盤上固定圓盤，并在插座板位置安裝燕尾槽，在燕尾槽內(nèi)嵌入帶有固定芯軸的滑動體，彎l曲機的功能就可以擴展為能夠彎弧[6-7].
采用液壓傳動的鋼筋彎曲機，可以設計為既可以彎鋼筋，又可以彎圓箍[8] ．但這樣的傳動已經(jīng)與常用的鋼筋彎曲機不屬于一類機型，結(jié)構(gòu)更復雜．也有個別廠家生產(chǎn)液壓鋼筋彎切機，在一臺設備上實現(xiàn)鋼筋的切斷與彎曲功能．采用純機械傳動，實現(xiàn)鋼筋的切斷與彎曲功能，則設備體積偏大．應該說，在一臺設備上實現(xiàn)鋼筋的切斷與彎曲功能，在某些場合體現(xiàn)了一定的優(yōu)越性．尤其是對設備的使用量要求不大，但要實施對鋼筋切斷與彎曲的．如一種WQ一32Y型液壓鋼筋彎切機，采用二三速變換、半自動操控、自動復位，彎曲角度無級調(diào)整，并可以在2個設定角度間快速轉(zhuǎn)換．
4.3 自動控制角度鋼筋彎曲機的開發(fā)
開發(fā)自動控制角度鋼筋彎曲機是一個方向．也是鋼筋彎曲機走出國門、參與國際競爭的關(guān)鍵．設計制造簡單可靠的角度控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，在鋼筋彎曲機上，開發(fā)完善角度控制系統(tǒng)，可以使鋼筋彎曲機與鋼筋彎箍機的功能相重疊．為了鋼筋彎曲機工作后可以自動歸位，可以采用離合器單向傳動技術(shù)，并通過扭力彈簧使工作盤歸位[9] ．文獻[1O]介紹了一種自動角度鋼筋彎箍機，結(jié)構(gòu)十分典型，對改造現(xiàn)有鋼筋彎曲機的結(jié)構(gòu)有重要參考意義．其主軸傳動示意如圖2.
為實現(xiàn)工作圓盤轉(zhuǎn)動角度控制，結(jié)構(gòu)上通過旋轉(zhuǎn)手輪驅(qū)動錐齒輪，錐齒輪與接近開關(guān)安裝板固聯(lián)，從而調(diào)整接近開關(guān)安裝板的位置．安裝板上安裝接近開關(guān)，主軸上固聯(lián)有遮光板．工作中，當動力驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動時，遮光板隨之轉(zhuǎn)動；當遮光板運動到接近開關(guān)的位置時，接近開關(guān)將發(fā)生控制信號的改變，從而控制電機的運動．
采用該原理設計自動角度鋼筋彎曲機，要注意的問題是接近開關(guān)的壽命、工作圓盤的準確復位等．此外，對不同直徑的鋼筋，當工作圓盤的轉(zhuǎn)角相同時，成型角度有較大的差異．當然也可以采用數(shù)控技術(shù)控制電機的運動角度，從而實現(xiàn)對工作圓盤的轉(zhuǎn)角控制，進而控制鋼筋彎曲角度[11] ．采用數(shù)控技術(shù)控制鋼筋彎曲機，關(guān)鍵是提高控制系統(tǒng)的可靠性與降低設備的制造成本．
4.4 涂裝質(zhì)量及其他
目前的國產(chǎn)鋼筋彎曲機已經(jīng)批量出口到東南亞、非洲、中東、俄羅斯及其他獨聯(lián)體國家．涂裝質(zhì)量的要求隨出口地的不同有所區(qū)別．在產(chǎn)品出口中，要特別注意產(chǎn)品在海上運輸中防止其受海水的 腐蝕．由于鋼筋彎曲機單機的價格不高，國內(nèi)很多廠家對涂裝及包裝質(zhì)量重視不夠，這不利于出口.由于各廠家生產(chǎn)的能夠出口的鋼筋彎曲機的內(nèi)在質(zhì)量差距不大，所以產(chǎn)品的外型及涂裝質(zhì)量對．外銷有直接的作用．
5 具體優(yōu)化設計內(nèi)容
基于Matlab的齒輪傳動優(yōu)化設計。Matlab是美國Mathworks公司推出的用于科學計算的可視化軟件包。其方便、友好的用戶環(huán)境，強大的擴展能力使許多領(lǐng)域的科學計算和工程應用節(jié)省時間、降低成本、提高效率。本文所介紹的是應用Matlab對齒輪傳動進行優(yōu)化，這里介紹了從建立目標函數(shù)、確定約束條件到編制Matlab程序以及對程序進行調(diào)試運行的整個過程。
基于嚙合角函數(shù)的平面共軛齒廓凹凸性判斷計[12]。提出基于嚙合角函數(shù)的平面共軛齒廓凹凸性判別方法給出六項判據(jù)根據(jù)這些判據(jù),無需求解齒廓方程,由嚙合角函數(shù)直接判別共軛齒廓凹凸性為設計高性能的齒輪齒廓提供了新途徑。
現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了，利用一個簡單的程序調(diào)用齒輪理論，來描繪環(huán)狀－漸開線- 牙齒形類型的齒輪的情況。這種球形－漸開線齒輪有兩層的自由度，在原有自由度的基礎上又獲得了一個轉(zhuǎn)動自由度。對球形－漸開線的分析可以描繪為以下兩個步驟。首先, 齒輪理論是用于在傳統(tǒng)理論上獲得發(fā)展的基礎。其次，改革中獲得的自由度用來替換關(guān)于一個軸的一個角度。 基于這二個步驟, 一個有弧形齒形和兩層自由度的齒輪的數(shù)學模型產(chǎn)生了。 把已有數(shù)學模型在程序中進行分析，這里需要一個軟件包提供必需的切斷路徑，在齒輪的生產(chǎn)過程中同時需要計算機輔助軟件的幫助[13]。
科學技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展已經(jīng)要求齒輪傳輸表現(xiàn)的逐漸比較高需求。 影響動態(tài)的齒輪表現(xiàn)的主要因素是被以網(wǎng)捕捉的齒輪形式牙齒描繪。為了改善齒輪的傳輸表現(xiàn)，在 1990 年代早期內(nèi)被稱為 LogiX 齒輪的一個新類型的齒輪被發(fā)展。 然而,對于那里保持許多未知的理論上的和實際的問題被解決的這個特別類型的齒輪。在這一張紙中，這個新類型的齒輪設計原則更進一步被學習，而且它的牙齒描繪的數(shù)學組件推論。在牙齒的這一個類型的形式方面的影響力描繪和輪廓對于 LogiX 叁數(shù)被提供的齒輪它的叁數(shù)被討論的固有基本的它網(wǎng)孔表現(xiàn),和合理的選擇。如此關(guān)于 LogiX 齒輪的資訊被發(fā)展而且使富足的理論上的系統(tǒng)。 這一項研究擠入得最重要現(xiàn)代運動的傳輸產(chǎn)品的負荷能力，小型化和耐久性的進步[14]。
關(guān)于淬火后表面硬度變化的圓筒筒形齒輪的研究[15]。1.對不同叁數(shù)的齒輪在熱處理之前后法向精度的分析表明，熱處理之前后齒輪的法向精度發(fā)生了大的變化。這使使用少數(shù)的樣品解決不同的制造問題是可能的。在熱處理后齒輪的精密度減少 1 –2 個等級。常態(tài)化合接合 ( 特別是瓦斯接合) 對弄歪以至毀壞齒輪影響最大。 在常態(tài)化之后，歪曲率高達 30% 。利用溶鹽和堿的熱處理不僅減少齒輪的毀壞而且能減少歪曲。然而，當刻度不被變的時候, 獲得較多齒輪的大小不變是可能的。一些被發(fā)現(xiàn)的關(guān)系決定通常的常態(tài)長度和直徑使之在熱處理前后之間的連結(jié)不變是可能。因為，大部份的齒輪,是在熱處理之后選擇大小和型號而且是在錯誤的散布極限里面的。 我們也用毀壞系數(shù)作為這這一標準。調(diào)查結(jié)果表明允許了我們在熱處理后增加牙齒形齒輪的模數(shù)，以提高38% 的精密。
關(guān)于齒輪傳動計算機輔助設計系統(tǒng)的研究[16] 。針對漸開線圓柱齒輪減速器的研究開發(fā)了齒輪參數(shù)設計、分析計算及計算機繪圖的計算機輔助設計系統(tǒng),為齒輪設計和生產(chǎn)提供一個高效、實用、準確、可靠的設計及繪圖工具。齒輪作為最重要的基礎傳動部件被廣泛地應用于機械、冶金、石化、煤炭、水電等行業(yè)。在齒輪箱設計和生產(chǎn)過程中,需要大量的分析、計算和繪圖工作,采用現(xiàn)代設計方法可徹底改變過去依靠手工計算和繪圖時的效率低、易出錯等局面,使齒輪設計人員借助計算機及相應軟件可迅速、高效、準確地進行設計方案的確定、比較、分析和繪圖;為生產(chǎn)企業(yè)以高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本占領(lǐng)市場提供技術(shù)保障。齒輪參數(shù)設計通用多級齒輪傳動參數(shù)設計是齒輪傳動設計的一個重要方面。本系統(tǒng)提出了通用平行定軸圓柱齒輪傳動參數(shù)優(yōu)化設計方法?！±迷撓到y(tǒng)可方便地完成漸開線圓柱齒輪減速器的齒輪參數(shù)設計、零件的強度計算、齒輪的許用功率計算、滾動軸承的壽命計算及齒輪、軸、端蓋、鍵、套筒和系列齒輪箱箱體圖、總裝圖的繪制工作。
關(guān)于一種簡便的齒輪傳動等強度優(yōu)化設計方法[17]。根據(jù)等強度優(yōu)化理論,通過分析齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲強度的內(nèi)在聯(lián)系,引進復合齒形系數(shù)和齒數(shù)算子的概念,提出了一種能直接求得齒輪傳動優(yōu)化參數(shù)的簡便方法。將該方法用于二級或多級齒輪減速器的優(yōu)化設計,其優(yōu)化過程更為直觀、清晰,編程更為簡單、快捷。齒數(shù)算子前言在進行齒輪傳動設計時,一般總是希望齒輪的尺寸最小,承載能力最大,亦即要求齒輪的材料利用率最高;同時,從改善傳動的平穩(wěn)性、減少磨損和膠合的可能性、提高加工效率等方面考慮,還要求在滿足彎曲強度的前提下,選取較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。為達到此目的,可利用各種優(yōu)化方法對其進行優(yōu)化設計。
6 結(jié)語
鋼筋彎曲機的生產(chǎn)批量巨大，技術(shù)也較為成熟．只有不斷改良技術(shù)，才能進一步提高產(chǎn)品的性價比，增強市場競爭力．本文討論的改良方向?qū)τ谔岣咄惍a(chǎn)品，如鋼筋調(diào)直機、鋼筋彎箍機等的質(zhì)量，有一定的啟發(fā)意義．
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