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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 9 頁
Gw40型鋼筋彎曲機(jī)的結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析綜述
1 引言
鋼筋彎曲機(jī)是鋼筋加工必不可少的設(shè)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(jī)通常與切斷機(jī)配套使用，其應(yīng)用十分廣泛．隨著國家投資拉動(dòng)的效果顯現(xiàn)，尤其是國家大力開展高鐵的建設(shè)，鋼筋彎曲機(jī)的生產(chǎn)銷售增長迅速．與其他的鋼筋切斷機(jī)、彎箍機(jī)、調(diào)直切斷機(jī)的的情況類似，河南省長葛市已經(jīng)形成了該類機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的要求．河南長葛本地的鋼筋彎曲機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀與質(zhì)量水平反映了國產(chǎn)鋼筋彎曲機(jī)的現(xiàn)狀[1].
2 鋼筋彎曲機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
各廠家的鋼筋彎曲機(jī)的構(gòu)造基本相同．鋼筋彎曲機(jī)的傳動(dòng)方案有以下2種：“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動(dòng)”和“帶一三級齒輪傳動(dòng)”[2]．采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的鋼筋彎曲機(jī)，其傳動(dòng)效率不如齒輪傳動(dòng)的彎曲機(jī)．也就是說，在同樣的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率條件下，齒輪傳動(dòng)的彎曲機(jī)彎曲同直徑的鋼筋顯得更輕松．但蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖特性，使工作中彎曲的定位精度會(huì)更高些．目前，以“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動(dòng)”方案的彎曲機(jī)的生產(chǎn)、應(yīng)用較為普遍，市場占有率高．在這2種傳動(dòng)方案的鋼筋彎曲機(jī)中，工作面板以上的部分相同．圖1為應(yīng)用最多的“帶一兩級齒輪一蝸輪蝸桿傳動(dòng)”的彎曲機(jī)的結(jié)構(gòu)．
3 鋼筋彎曲機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量差異
目前，機(jī)械傳動(dòng)類鋼筋彎曲機(jī)的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝已經(jīng)非常成熟．各個(gè)廠家產(chǎn)品的質(zhì)量差異主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1)各個(gè)廠家的機(jī)箱的造型及用料有較大的差異．用料太少的鋼筋彎曲機(jī)，設(shè)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(jìn)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(jī)的生產(chǎn)廠家，配用非標(biāo)生產(chǎn)的電機(jī)．這些電機(jī)的輸出功率偏小，在連續(xù)工作中容易起熱，無法彎曲標(biāo)定直徑的鋼筋．4)傳動(dòng)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(jī)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(cuò)．
4 彎曲機(jī)技術(shù)的發(fā)展與改良方向
4.1 輕量化設(shè)計(jì)
通過輕量化設(shè)計(jì)，可以節(jié)省資源，有效地降低彎曲機(jī)的生產(chǎn)、運(yùn)輸成本，提升產(chǎn)品的性價(jià)比及市場競爭力．鋼筋彎曲機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，主要有以下幾點(diǎn):
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(jìn)行輕量化[3]．鋼筋彎曲機(jī)蝸輪變速箱體或者齒輪變速箱體的制造成本在整機(jī)的成本中占有較大的比重．如果能夠進(jìn)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(shí)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(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)優(yōu)化．在鋼筋彎曲機(jī)的設(shè)計(jì)中，可以對其傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化[4]．采用以齒輪傳動(dòng)的總中心距最小為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化技術(shù)來獲得滿足傳動(dòng)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(shè)計(jì)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(qiáng)度要求；齒面接觸強(qiáng)度要求等．邊界約束包括：根據(jù)傳遞扭矩估計(jì)出的齒輪副模數(shù)的范圍；綜合考慮傳動(dòng)平穩(wěn)、軸齒輪的分度圓直徑不能太小等因素，估計(jì)傳動(dòng)大齒輪的齒數(shù)范圍、傳動(dòng)比范圍等；設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化．對鋼筋彎曲機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)也可以通過對傳動(dòng)系統(tǒng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來進(jìn)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(biāo)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(qiáng)度的要求；蝸輪齒根彎曲強(qiáng)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(jìn)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(dòng)方式的大型化、開發(fā)新的傳動(dòng)方式及擴(kuò)展功能．
1)同類傳動(dòng)方式的大型化．目前的鋼筋彎曲機(jī)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(jī)效益更明顯．多生產(chǎn)GW50型的彎曲機(jī)、適量開發(fā)能夠彎曲更大鋼筋的彎曲機(jī)是個(gè)方向．在大型化的過程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、工作盤等的協(xié)調(diào)是關(guān)鍵．
2)開發(fā)新的傳動(dòng)方式．上述結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)鋼筋彎曲機(jī)大多采用電機(jī)為動(dòng)力，也有一些其他動(dòng)力的彎曲機(jī)，如采用柴油機(jī)或汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的．鋼筋彎曲機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，將改變上述彎曲機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)．目前，主要由廣東的幾個(gè)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(dòng)，通過對液壓系統(tǒng)的控制，可以使設(shè)備更方便地實(shí)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(shè)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(kuò)展功能．鋼筋彎曲機(jī)、切斷機(jī)、彎箍機(jī)通常是配套使用的，在同臺(tái)設(shè)備上實(shí)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(jī)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(dòng)體，彎l曲機(jī)的功能就可以擴(kuò)展為能夠彎弧[6-7].
采用液壓傳動(dòng)的鋼筋彎曲機(jī)，可以設(shè)計(jì)為既可以彎鋼筋，又可以彎圓箍[8] ．但這樣的傳動(dòng)已經(jīng)與常用的鋼筋彎曲機(jī)不屬于一類機(jī)型，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜．也有個(gè)別廠家生產(chǎn)液壓鋼筋彎切機(jī)，在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)鋼筋的切斷與彎曲功能．采用純機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼筋的切斷與彎曲功能，則設(shè)備體積偏大．應(yīng)該說，在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)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(shè)備的使用量要求不大，但要實(shí)施對鋼筋切斷與彎曲的．如一種WQ一32Y型液壓鋼筋彎切機(jī)，采用二三速變換、半自動(dòng)操控、自動(dòng)復(fù)位，彎曲角度無級調(diào)整，并可以在2個(gè)設(shè)定角度間快速轉(zhuǎn)換．
4.3 自動(dòng)控制角度鋼筋彎曲機(jī)的開發(fā)
開發(fā)自動(dòng)控制角度鋼筋彎曲機(jī)是一個(gè)方向．也是鋼筋彎曲機(jī)走出國門、參與國際競爭的關(guān)鍵．設(shè)計(jì)制造簡單可靠的角度控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，在鋼筋彎曲機(jī)上，開發(fā)完善角度控制系統(tǒng)，可以使鋼筋彎曲機(jī)與鋼筋彎箍機(jī)的功能相重疊．為了鋼筋彎曲機(jī)工作后可以自動(dòng)歸位，可以采用離合器單向傳動(dòng)技術(shù)，并通過扭力彈簧使工作盤歸位[9] ．文獻(xiàn)[1O]介紹了一種自動(dòng)角度鋼筋彎箍機(jī)，結(jié)構(gòu)十分典型，對改造現(xiàn)有鋼筋彎曲機(jī)的結(jié)構(gòu)有重要參考意義．其主軸傳動(dòng)示意如圖2.
為實(shí)現(xiàn)工作圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制，結(jié)構(gòu)上通過旋轉(zhuǎn)手輪驅(qū)動(dòng)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(dāng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，遮光板隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)遮光板運(yùn)動(dòng)到接近開關(guān)的位置時(shí)，接近開關(guān)將發(fā)生控制信號(hào)的改變，從而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)．
采用該原理設(shè)計(jì)自動(dòng)角度鋼筋彎曲機(jī)，要注意的問題是接近開關(guān)的壽命、工作圓盤的準(zhǔn)確復(fù)位等．此外，對不同直徑的鋼筋，當(dāng)工作圓盤的轉(zhuǎn)角相同時(shí)，成型角度有較大的差異．當(dāng)然也可以采用數(shù)控技術(shù)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)角度，從而實(shí)現(xiàn)對工作圓盤的轉(zhuǎn)角控制，進(jìn)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(jī)，關(guān)鍵是提高控制系統(tǒng)的可靠性與降低設(shè)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(jī)已經(jīng)批量出口到東南亞、非洲、中東、俄羅斯及其他獨(dú)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(yùn)輸中防止其受海水的 腐蝕．由于鋼筋彎曲機(jī)單機(jī)的價(jià)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(jī)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(shè)計(jì)內(nèi)容
基于Matlab的齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。Matlab是美國Mathworks公司推出的用于科學(xué)計(jì)算的可視化軟件包。其方便、友好的用戶環(huán)境，強(qiáng)大的擴(kuò)展能力使許多領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用節(jié)省時(shí)間、降低成本、提高效率。本文所介紹的是應(yīng)用Matlab對齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，這里介紹了從建立目標(biāo)函數(shù)、確定約束條件到編制Matlab程序以及對程序進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行的整個(gè)過程。
基于嚙合角函數(shù)的平面共軛齒廓凹凸性判斷計(jì)[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(xiàng)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(shè)計(jì)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(gè)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(chǔ)上又獲得了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。對球形－漸開線的分析可以描繪為以下兩個(gè)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(chǔ)。其次，改革中獲得的自由度用來替換關(guān)于一個(gè)軸的一個(gè)角度。 基于這二個(gè)步驟, 一個(gè)有弧形齒形和兩層自由度的齒輪的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生了。 把已有數(shù)學(xué)模型在程序中進(jìn)行分析，這里需要一個(gè)軟件包提供必需的切斷路徑，在齒輪的生產(chǎn)過程中同時(shí)需要計(jì)算機(jī)輔助軟件的幫助[13]。
科學(xué)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(dòng)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(gè)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(shí)際的問題被解決的這個(gè)特別類型的齒輪。在這一張紙中，這個(gè)新類型的齒輪設(shè)計(jì)原則更進(jìn)一步被學(xué)習(xí)，而且它的牙齒描繪的數(shù)學(xué)組件推論。在牙齒的這一個(gè)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(xiàng)研究擠入得最重要現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)的傳輸產(chǎn)品的負(fù)荷能力，小型化和耐久性的進(jìn)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(gè)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(dá) 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(dāng)刻度不被變的時(shí)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?yàn)?，大部份的齒輪,是在熱處理之后選擇大小和型號(hào)而且是在錯(cuò)誤的散布極限里面的。 我們也用毀壞系數(shù)作為這這一標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、分析計(jì)算及計(jì)算機(jī)繪圖的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),為齒輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供一個(gè)高效、實(shí)用、準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)及繪圖工具。齒輪作為最重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)部件被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石化、煤炭、水電等行業(yè)。在齒輪箱設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,需要大量的分析、計(jì)算和繪圖工作,采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可徹底改變過去依靠手工計(jì)算和繪圖時(shí)的效率低、易出錯(cuò)等局面,使齒輪設(shè)計(jì)人員借助計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件可迅速、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)通用多級齒輪傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)是齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。本系統(tǒng)提出了通用平行定軸圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、零件的強(qiáng)度計(jì)算、齒輪的許用功率計(jì)算、滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)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(dòng)等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[17]。根據(jù)等強(qiáng)度優(yōu)化理論,通過分析齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度的內(nèi)在聯(lián)系,引進(jìn)復(fù)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(dòng)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(shè)計(jì),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(jìn)行齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí),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(shí),從改善傳動(dòng)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(qiáng)度的前提下,選取較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。為達(dá)到此目的,可利用各種優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
6 結(jié)語
鋼筋彎曲機(jī)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(jìn)一步提高產(chǎn)品的性價(jià)比，增強(qiáng)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(jī)、鋼筋彎箍機(jī)等的質(zhì)量，有一定的啟發(fā)意義．
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