液壓式組合建筑機械液壓部分設計【液壓式鋼筋彎曲切斷套絲多用機液壓系統(tǒng)設計】
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液壓技術在建筑機械中的應用及發(fā)展情況
1 選題背景
在鋼筋混凝土結構工程中由于鋼筋加工生產(chǎn)落后于商品混凝土和建筑模板，現(xiàn)已成為制約施工機械化程度提高的瓶頸。在建筑工程中,鋼筋的彎曲、切斷作業(yè)量是非常巨大的,但目前,除鋼筋的切斷多為機械作業(yè)外,彎曲作業(yè)仍以人工作業(yè)為主,致使所加工出的鋼筋在同一規(guī)格中尺寸大小不一,質量不好,且工人勞動強度大,效率低。造成這種現(xiàn)象的原因主要是國內鋼筋加工設備的型式及規(guī)格不全。目前,我國鋼筋加工設備主要有兩種形式,一是手動操縱設備,如鋼筋切斷機、鋼筋彎曲機等。該類設備的主要缺點是功能單一,基本參數(shù)需人為控制(如彎曲角度需人眼確定) ,效率低、操作也不方便,所以該類設備只適用于人力不可及的粗鋼筋加工,對于成批大量的細鋼筋加工仍以人工手工作業(yè)為主; 二是自動化程度高的鋼筋加工設備,雖然該類設備效率很高、質量也很好,但價格昂貴,在目前國內經(jīng)濟條件下,大多數(shù)施工單位不愿購置。如果將鋼筋的彎曲、切斷、套絲三種作業(yè)設備合三為一,既減少了鋼筋加工的設備數(shù)量,又節(jié)約了能源。鑒于以上的情況，有必要設計一種由液壓系統(tǒng)統(tǒng)一提供動力的多用途鋼筋鋼管加工機械，可以適用于中小型建筑隊，該加工機動作方便靈活，便于掌握，移動，安裝簡便可靠。
2 資料綜述
液壓與氣壓傳動是研究以有壓流體（壓力油或壓縮空氣）為能源介質，來實現(xiàn)各種機械的傳動和自動控制的學科。液壓傳動與氣壓傳動實現(xiàn)傳動和控制的方法是基本相同的，它們都是利用各種控制元件組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機組合成能完成一定控制功能的傳動系統(tǒng)來進行能量的傳遞、轉換與控制。因此，要研究液壓與氣壓傳動及其控制技術，就首先要了解傳動介質的基本物理特性及其靜力學、運動學和動力學特性；要了解組成系統(tǒng)的各類液壓與氣動元件的結構、工作原理、工作性能以及由這些元件所組成的各種控制回路的性能和特點，并在此基礎上進行液壓與氣壓傳動控制系統(tǒng)的設計[1]。
2.1液壓傳動
2.1.1 液壓傳動的應用范圍的基本原理
液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此它的應用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機械、提升裝置、軋輥調整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發(fā)電廠渦輪機調速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線控制裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。
液壓傳動的基本原理是在密閉的容器內，利用有壓力的油液作為工作介質來實現(xiàn)能量轉換和傳遞動力的。其中的液體稱為工作介質，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。
液壓傳動所用的工作介質為液壓油或其他合成液體，氣壓傳動所用的工作介質為空氣。由于這兩種流體的性質不同，所以液壓傳動和氣壓傳動又各有其特點 [2]。
2.1.2、液壓傳動的優(yōu)點
(1) 液壓傳動可以輸出大的推力或大轉矩，可實現(xiàn)低速大噸位運動，這是其它傳動方式所不能比的突出優(yōu)點。
(2) 液壓傳動能很方便地實現(xiàn)無級調速，調速范圍大，且可在系統(tǒng)運行過程中調速。
(3) 在相同功率條件下，液壓傳動裝置體積小、重量輕、結構緊湊。液壓元件之間可采用管道連接、或采用集成式連接，其布局、安裝有很大的靈活性，可以構成用其它傳動方式難以組成的復雜系統(tǒng)。
(4) 液壓傳動能使執(zhí)行元件的運動十分均勻穩(wěn)定，可使運動部件換向時無換向沖擊。而且由于其反應速度快，故可實現(xiàn)頻繁換向。
(5) 操作簡單，調整控制方便，易于實現(xiàn)自動化。特別是和機、電聯(lián)合使用時，能方便地實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)。
(6) 液壓系統(tǒng)便于實現(xiàn)過載保護，使用安全、可靠。由于各液壓元件中的運動件均在油液中工作，能自行潤滑，故元件的使用壽命長。
(7) 液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標準化和通用化，便于設計、制造、維修和推廣使用。
2.1.3液壓傳動的缺點
(1) 液壓傳動以液體作為工作介質，在液壓元件中相對運動的摩擦副間無法避免泄漏，再加上液體壓縮性及管路彈性變形等原因，難以實現(xiàn)嚴格的傳動比。
????(2)．液體粘度和溫度有密切關系，當粘度隨溫度變化時，將直接影響泄漏、壓力損失及通過節(jié)流元件的流量等，從而引起執(zhí)行元件運動特性的變化。
????(3)．傳動效率較低。液壓系統(tǒng)中能量要經(jīng)過兩次轉換，在能量轉換及傳遞過程中存在機械摩擦損失、壓力損失及泄漏損失。
????(4)．液壓元件的制造精度要求高，造價較貴。使用、維護要求有一定的專業(yè)知識和較高的技術水平。
?? ?(5)．液壓能的獲得與傳遞不如電能方便。
（6）．液壓系統(tǒng)中各種元件、輔件及工作介質均在封閉的系統(tǒng)內工作，故障征兆難以及時發(fā)現(xiàn)，故障原因較難確定。
2.2 氣壓傳動
1、氣壓傳動的優(yōu)點
（1）空氣可以從大氣中取之不竭，無介質費用和供應上的困難，將過的氣體排入大氣，處理方便。泄漏不會影響工作，不會污染環(huán)境。
（2）空氣的粘性很小，在管路中阻力損失遠遠小于液壓傳動系統(tǒng)，宜于遠程傳輸及控制。
（3）工作壓力低，元件的材料和制造精度低。
（4）維護簡單，使用安全，無油的氣動控制系統(tǒng)特別適用于無線電元器件的生產(chǎn)過程，也適用于食品及醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。
（5）氣動元件可以根據(jù)不同場合，采用相應材料，使元件能夠在惡劣的環(huán)境（強振動、強沖擊、強腐蝕和強輻射等）下進行正常工作。
2、氣壓傳動缺點
（1）氣壓傳動裝置的信號傳遞速度限制在聲速（約340m/s）范圍內，所以它的工作效率和響應速度不如電子裝置，并且信號要產(chǎn)生較大的失真和延滯，也不便于構成較復雜的控制系統(tǒng)，但這個缺點對工業(yè)生產(chǎn)過程不會造成困難。
（2）空氣的壓縮性遠大于液壓油的壓縮性，因此在動作的響應能力、工作速度的平穩(wěn)性不如液壓傳動。
（3）氣壓傳動系統(tǒng)出力較小，且傳動效率低[3]。
2.3液壓與氣壓傳動的發(fā)展
液壓與氣壓傳動發(fā)展到目前的水平主要是由于液壓與氣壓傳動本身的特點所致，隨著工業(yè)的發(fā)展，液壓與氣壓傳動技術必將更加廣泛地應用于各個工業(yè)領域。
液壓技術自18世紀末英國制成世界上第一臺水壓機算起，已有300多年的歷史了，但其真正的發(fā)展只是在第二次世界大戰(zhàn)后近60年的時間內，戰(zhàn)后液壓技術迅速轉向民用工業(yè)，在機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等行業(yè)中逐步推廣。20世紀60年代以來，隨著原子能技術、空間技術、計算機技術的發(fā)展，液壓技術得到了很大的發(fā)展，并滲透到各個工業(yè)領域中去。當前液壓技術正向高壓、高速、大功率、高效、低噪聲、經(jīng)久耐用、高度集成化的方向發(fā)展。同時，新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助測試(CAT)、計算機直接(CDC)、計算機實時控制技術、機電一體化技術、計算機仿真和優(yōu)化設計技術、可靠性技術，以及污染控制技術等方面也是當前液壓傳動及控制技術發(fā)展和研究的方向。
氣壓傳動技術在科技飛速發(fā)展的當今世界發(fā)展將更加迅速。隨著工業(yè)的發(fā)展，氣壓技術的應用領域已從汽車、采礦、鋼鐵、機械工業(yè)等行業(yè)擴展到化工、輕工、食品、軍事工業(yè)等各行各業(yè)。氣動技術已發(fā)展成包含傳動、控制與檢測在內的自動化技術。由于工業(yè)自動化技術的發(fā)展。氣動控制技術以提高系統(tǒng)可靠性，降低總成本為目標。研究和開發(fā)系統(tǒng)控制技術和機、電、液、氣綜合技術。顯然，氣動元件當前發(fā)展的特點和研究方向主要是節(jié)能化、小型化、輕量化、位置控制的高精度化，以及與電子學相結合的綜合控制技術。
液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質等五部分組成。
(1) 動力元件（油泵） 動力元件起著向系統(tǒng)提供動力源的作用，是系統(tǒng)不可缺少的核心元件。液壓系統(tǒng)是以液壓泵為系統(tǒng)提供一定的流量和壓力的動力元件， 它的作用是把液體利用原動機的機械能轉換成液壓力能，是一種能量轉換裝置，是液壓傳動中的動力部分。
選擇液壓泵的原則是：根據(jù)主機工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求，首先確定液壓泵的類型，然后按系統(tǒng)所要求的壓力、流量大小確定其規(guī)格型號。
(2) 執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達） 它是將液體的液壓能轉換成機械能。其中，油缸做直線運動，馬達做旋轉運動。液壓馬達按其結構類型來分可以為齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。按液壓馬達的額定轉速分為高速和低速兩大類。額定轉速高于500r/min的屬于高速液壓馬達，額定轉速低于500r/min的屬于低速液壓馬達。高速液壓馬達的基本形式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等。它們的主要特點是轉速較高、轉動慣量小，便于起動和制動，調節(jié)（調速及換向）靈敏度高。通常高速液壓馬達輸出轉矩不大（僅幾十牛.米到幾百牛.米）所以又稱為高速小轉矩液壓馬達。低速液壓馬達的基本形式是徑向柱塞式，此外在徑向柱塞式、葉片式和齒輪式中也有低速的結構形式。低速液壓馬達的主要特點是排量大、體積大、轉速低（有時可達每分鐘幾轉或零點幾轉），因此可直接與工作機構連接，不需要減速裝置，使轉動機構大為簡化。通常低速液壓馬達輸出轉矩較大（可達幾千牛.米到幾萬牛.米），所以又稱為低速達轉矩液壓馬達。
(3) 控制元件 包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無級調節(jié)液動機的速度，并對液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進行調節(jié)控制。
液壓傳動系統(tǒng)對液壓控制閥的基本要求是：動作靈敏、使用可靠，工作是沖擊和振動要小，使用壽命長。油液通過液壓閥壓力損失要小，密封性能好，內泄漏要小，無外泄漏。結構簡單緊湊，安裝、維護、調整方便，通用性好[4]。通常對于液壓閥所應用的各種滑閥、錐閥、節(jié)流孔口等均可按紊流流量方程對閥口的流量進行計算[5]。
(4) 輔助元件 除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件及油箱等，它們同樣十分重要。
(5) 工作介質 工作介質是指各類液壓傳動中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過油泵和電動機實現(xiàn)能量轉換。
2.4剪切裝置
高質量的下料對高質量的產(chǎn)品和企業(yè)經(jīng)濟效益都具有重要的意義．傳統(tǒng)的下料方法大多采用帶鋸、車削和普通的剪切方法[6]。沖壓是使用模具分離材料的一種基本工具，它可以直接制成零件或為其他沖擊工序，如彎曲，拉伸，成型等準備毛坯，也可以在已經(jīng)成型的沖壓件上進行切口修邊等。沖壓設備選用機械壓力機，中小型沖壓件選用開式曲柄壓力機，大中型沖壓件選用閉式曲柄壓力機。進行大批量生產(chǎn)一般采用高速自動壓力機。沖壓質量與凸凹模的相對間隙有關。間隙越大，沖材質量越低。
沖壓加工管材具有生產(chǎn)效率高，質量好等優(yōu)點，其缺點是切斷時易被壓扁。為了減少管材被壓扁的程度，通常將凹模做成少許的桃型。在沖壓前，使管材在右半凹模的強力夾持下產(chǎn)生一定的反變形，然后再由沖刀沖切，從而減小管件被切刀壓扁的程度[7]
2.5套絲裝置
套絲是利用板牙在工件外表面上加工出外螺紋的方法。板牙是加工外螺紋的刀具，形似螺母，其上有數(shù)個排屑孔，并靠它構成切削刃，板牙的兩面都有成錐形的切削部分，可任選一面套絲，中間是校準部分，也是套口的導向部分，其修正和導向作用[8][9]。
2.6液壓CAD技術
CAD技術使人工設計方式變?yōu)樽詣踊桶胱詣踊姆绞?，尤其是CAD／CAPP／CAM的推廣和應用使液壓技術得到迅速發(fā)展。在液壓CAD的開發(fā)和研究方面應注意以下幾點：①充實現(xiàn)有的液壓CAD設計軟件，進行二次開發(fā)，建立知識庫信息系統(tǒng)，它將構成設計—制造—銷售—使用—設計的閉式循環(huán)系統(tǒng)。②將計算機的仿真及適時控制結合起來，將模型放入“硬”件和系統(tǒng)中，借此在建造實際樣機之前，便可在軟件里修改其特性參數(shù)，以達到最佳設計結果[10]
2.7新材料、新工藝的應用
新型材料的使用，如陶瓷、砌塊、聚合物或涂敷料，可使液壓的發(fā)展引起新的飛躍。為了保護環(huán)境，減少漏油對環(huán)境危害，可采用生物降解迅速的壓力流體，如菜油基和合成脂基的傳動用介質將得到廣泛應用[11]。據(jù)專家預測，今后十年大部分行走機械中使用的液壓油（礦物油）將會為生物降解迅速的流體所替代。鑄造工藝的發(fā)展，將促進液壓元件性能的提高，如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用，可優(yōu)化元件內部流動，可減少壓力損失和降低噪聲，實現(xiàn)元件小型化。 如果上述提高液壓技術的方向得到充分實現(xiàn)[12]。
3 小結
本設計中彎曲和套絲裝置若采用傳統(tǒng)的減速方式，必然導致減速機構相當?shù)凝嫶?，利用了液壓技術，用液壓元件來控制執(zhí)行元件，可以實現(xiàn)無級調速，使機構大為簡化，而且利用液壓傳動易于實現(xiàn)自動化控制。本設計中的切斷可以由液壓缸帶動刀具運動實現(xiàn)，套絲和彎曲可以由回轉液壓缸或馬達帶動工作盤旋轉實現(xiàn)對工件的彎曲和套絲?？梢钥隙?，液壓技術和其他傳動方式相比將繼續(xù)保持其有力的競爭。 在設計中還要注意液壓回路的選擇，達到所需要的設計要求。還考慮成本，盡量做到最好性價比，使設備發(fā)揮最好性能。
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