基于SolidWorks 的鋼筋網剪切裝置設計與分析

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.廈門大學航空航天學院，福建 廈門 361005；3.三明學院機電工程學院，福建 三明 365004）

1 前言

鋼筋是國民經濟的重要原材料，近年來，鋼筋廣泛地被應用各種建筑中，在工程應用中常將其鋪設成網狀并進行綁定，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，一旦發生災害或在后期的破拆中，鋼筋網給破拆工作帶來極大的困難。傳統的鋼筋網剪切主要是對每根鋼筋逐一進行剪切或者切割，從而實現對鋼筋網的剪切任務，這種剪切方式效率低下，難以實現高效的剪切作業。因此，為了解決以上問題，本文設計了一種能迅速且高效對鋼筋網進行擠壓、剪切的裝置，其首先通過擠壓裝置對鋼筋網進行擠壓，利用連桿機構實現靈活運動，擠壓刃口通過導軌裝置連接，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，大大提高了鋼筋網的剪切效率，具有良好的應用前景。

2 鋼筋網剪切裝置三維模型的設計

2.1 SolidWorks 簡介

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

2.2 擠壓機構的設計

本文設計的擠壓機構主要由液壓缸、連桿、導軌、夾持桿、擠壓鉗等五部分組成，如圖1 所示，所設計的導軌長度為400mm，通過對周圍環境立柱狀鋼筋網寬度估量約為360mm。擠壓機構的驅動力來自于液壓缸，其中液壓桿與連桿連接件相連，擠壓鉗位于夾持桿上與導軌相連接，連桿通過在導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

2.3 剪切機構設計

剪切機構主要由剪刃、連桿機構、彈簧以及液壓缸組成，如圖2 所示。液壓缸為剪切機構提供了驅動力，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，在剪切臂的尾部設計有彈簧裝置，可以有效地提高剪切運動中剪切臂的往復運動。

圖2 剪切機構

2.4 剪切裝置整體結構

本文設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的擠壓鉗伸進鋼筋網中，然后驅動擠壓機構的液壓缸使其對鋼筋網進行擠壓，將網狀的鋼筋擠壓到一起；完成擠壓作業后，利用剪切機構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構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力情況，從而反映該結構的受力情況。通過有限元分析及優化設計，可以驗證設計的零部件是否滿足實際需求，提高設計效率。有限元分析析通常包含前處理、邊界條件的設置以及后處理等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中的主要零件，其結構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，設置相關的材料參數，并設擠壓作業時受到的外載荷為3500N，分析結果如圖4 所示。結果表明，擠壓鉗受到的最大等效應力為516.3MPa，最小安全系數為1.202，最大等效應力小于屈服強度，最小安全系數大于1，即表明機構設計合理。

圖4 擠壓鉗最大等效應力與安全系數云圖

3.3 剪片有限元分析

本文設計的裝置執行剪切任務時，剪片受到鋼筋的反作用力，因此剪片的力學性能是裝置能否完成剪切任務的關鍵。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，對其進行靜力學分析，分析結果如圖5 所示。從圖中可以發現，受到的最大等效應力為392.6MPa，最小安全系數為1.58，最大等效應力小于屈服強度，最小安全系數大于1，即表明機構設計合理。

圖5 剪片最大等效應力與安全系數云圖

4 結語

鋼筋網的剪切是建筑工程中常需要執行的任務，本文圍繞提高鋼筋網剪切效率，提出設計了一款兼具擠壓與剪切為一體的裝置，用于鋼筋網的擠壓剪切作業。所設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，通過分析表明了設計的擠壓鉗和剪片能滿足擠壓與剪切工作時的力學性能。