基于SolidWorks 的鋼筋網(wǎng)剪切裝置設(shè)計與分析

王春榮，夏爾冬，吳龍，何天仁，盧濤

（1.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000；2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005；3.三明學(xué)院機電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

1 前言

鋼筋是國民經(jīng)濟的重要原材料，近年來，鋼筋廣泛地被應(yīng)用各種建筑中，在工程應(yīng)用中常將其鋪設(shè)成網(wǎng)狀并進行綁定，然后澆筑水泥凝固成形，這種方式極大提高了建筑物的強度與可靠性。但是，一旦發(fā)生災(zāi)害或在后期的破拆中，鋼筋網(wǎng)給破拆工作帶來極大的困難。傳統(tǒng)的鋼筋網(wǎng)剪切主要是對每根鋼筋逐一進行剪切或者切割，從而實現(xiàn)對鋼筋網(wǎng)的剪切任務(wù)，這種剪切方式效率低下，難以實現(xiàn)高效的剪切作業(yè)。因此，為了解決以上問題，本文設(shè)計了一種能迅速且高效對鋼筋網(wǎng)進行擠壓、剪切的裝置，其首先通過擠壓裝置對鋼筋網(wǎng)進行擠壓，利用連桿機構(gòu)實現(xiàn)靈活運動，擠壓刃口通過導(dǎo)軌裝置連接，使其能很好的進行平移運動。然后，通過剪切裝置，對擠壓之后的鋼筋進行了一次性的剪切，大大提高了鋼筋網(wǎng)的剪切效率，具有良好的應(yīng)用前景。

2 鋼筋網(wǎng)剪切裝置三維模型的設(shè)計

2.1 SolidWorks 簡介

SolidWorks 是一款功能十分強大的三維建模軟件，其具有簡單易學(xué)等特點而被廣泛應(yīng)用。SolidWorks 能夠在設(shè)計初期，呈現(xiàn)出各種設(shè)計方案、并提供了仿真模塊，能用于對所設(shè)計的三維模型進行運動仿真，校核設(shè)計的運動學(xué)合理性，避免了設(shè)計缺陷。此外，其有限元分析模塊，也能對主要零部件進行靜力學(xué)分析，校核重要零部件在要求工況下的性能。

2.2 擠壓機構(gòu)的設(shè)計

本文設(shè)計的擠壓機構(gòu)主要由液壓缸、連桿、導(dǎo)軌、夾持桿、擠壓鉗等五部分組成，如圖1 所示，所設(shè)計的導(dǎo)軌長度為400mm，通過對周圍環(huán)境立柱狀鋼筋網(wǎng)寬度估量約為360mm。擠壓機構(gòu)的驅(qū)動力來自于液壓缸，其中液壓桿與連桿連接件相連，擠壓鉗位于夾持桿上與導(dǎo)軌相連接，連桿通過在導(dǎo)軌上滑動帶動夾持桿進行擠壓運動。擠壓刃口由兩個圓弧形的機構(gòu)組成，一定程度上防止了擠壓時鋼筋跑出刃口。

圖1 擠壓機構(gòu)

2.3 剪切機構(gòu)設(shè)計

剪切機構(gòu)主要由剪刃、連桿機構(gòu)、彈簧以及液壓缸組成，如圖2 所示。液壓缸為剪切機構(gòu)提供了驅(qū)動力，液壓桿與連桿連接件相連接，連桿與剪切臂相連接，從而達到控制剪刃進行剪切運動的目的，在剪切臂的尾部設(shè)計有彈簧裝置，可以有效地提高剪切運動中剪切臂的往復(fù)運動。

圖2 剪切機構(gòu)

2.4 剪切裝置整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的剪切裝置整體三維模型如圖3 所示，其工作時首先將擠壓機構(gòu)的擠壓鉗伸進鋼筋網(wǎng)中，然后驅(qū)動擠壓機構(gòu)的液壓缸使其對鋼筋網(wǎng)進行擠壓，將網(wǎng)狀的鋼筋擠壓到一起；完成擠壓作業(yè)后，利用剪切機構(gòu)對被擠壓的多根鋼筋一次性地進行剪切，提高了剪切效率。

圖3 剪切裝置整體

3 重要零件的有限元分析

3.1 有限元分析簡介

有限元分析主要思想是將某個結(jié)構(gòu)劃分為有限個微小的單元，然后分析每個微小單元的變形和應(yīng)力情況，從而反映該結(jié)構(gòu)的受力情況。通過有限元分析及優(yōu)化設(shè)計，可以驗證設(shè)計的零部件是否滿足實際需求，提高設(shè)計效率。有限元分析析通常包含前處理、邊界條件的設(shè)置以及后處理等3 個主要步驟。

3.2 擠壓鉗有限元分析

擠壓鉗作為抱緊機構(gòu)中的主要零件，其結(jié)構(gòu)強度對整個裝置的性能有著重要的影響，因此，本文利用SolidWorks 軟件對其進行有限元分析。首先，確定選定材料為合金鋼，設(shè)置相關(guān)的材料參數(shù)，并設(shè)擠壓作業(yè)時受到的外載荷為3500N，分析結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明，擠壓鉗受到的最大等效應(yīng)力為516.3MPa，最小安全系數(shù)為1.202，最大等效應(yīng)力小于屈服強度，最小安全系數(shù)大于1，即表明機構(gòu)設(shè)計合理。

圖4 擠壓鉗最大等效應(yīng)力與安全系數(shù)云圖

3.3 剪片有限元分析

本文設(shè)計的裝置執(zhí)行剪切任務(wù)時，剪片受到鋼筋的反作用力，因此剪片的力學(xué)性能是裝置能否完成剪切任務(wù)的關(guān)鍵。本文選用合金鋼作為剪片的材料，其屈服強度為620MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28。在刃口施加15000N 的剪切力，在鉸鏈處施加約束，對其進行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，受到的最大等效應(yīng)力為392.6MPa，最小安全系數(shù)為1.58，最大等效應(yīng)力小于屈服強度，最小安全系數(shù)大于1，即表明機構(gòu)設(shè)計合理。

圖5 剪片最大等效應(yīng)力與安全系數(shù)云圖

4 結(jié)語

鋼筋網(wǎng)的剪切是建筑工程中常需要執(zhí)行的任務(wù)，本文圍繞提高鋼筋網(wǎng)剪切效率，提出設(shè)計了一款兼具擠壓與剪切為一體的裝置，用于鋼筋網(wǎng)的擠壓剪切作業(yè)。所設(shè)計的裝置主要由擠壓裝置與剪切裝置兩部分組成，裝置的驅(qū)動力來自于液壓缸。利用SolidWorks 的simulation 插件對擠壓鉗和剪片進行了有限元分析，通過分析表明了設(shè)計的擠壓鉗和剪片能滿足擠壓與剪切工作時的力學(xué)性能。