基于SolidWorks 的钢筋网剪切装置设计与分析

王春荣，夏尔冬，吴龙，何天仁，卢涛

（1.福建三钢闽光股份有限公司，福建 三明 365000；2.厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005；3.三明学院机电工程学院，福建 三明 365004）

1 前言

钢筋是国民经济的重要原材料，近年来，钢筋广泛地被应用各种建筑中，在工程应用中常将其铺设成网状并进行绑定，然后浇筑水泥凝固成形，这种方式极大提高了建筑物的强度与可靠性。但是，一旦发生灾害或在后期的破拆中，钢筋网给破拆工作带来极大的困难。传统的钢筋网剪切主要是对每根钢筋逐一进行剪切或者切割，从而实现对钢筋网的剪切任务，这种剪切方式效率低下，难以实现高效的剪切作业。因此，为了解决以上问题，本文设计了一种能迅速且高效对钢筋网进行挤压、剪切的装置，其首先通过挤压装置对钢筋网进行挤压，利用连杆机构实现灵活运动，挤压刃口通过导轨装置连接，使其能很好的进行平移运动。然后，通过剪切装置，对挤压之后的钢筋进行了一次性的剪切，大大提高了钢筋网的剪切效率，具有良好的应用前景。

2 钢筋网剪切装置三维模型的设计

2.1 SolidWorks 简介

SolidWorks 是一款功能十分强大的三维建模软件，其具有简单易学等特点而被广泛应用。SolidWorks 能够在设计初期，呈现出各种设计方案、并提供了仿真模块，能用于对所设计的三维模型进行运动仿真，校核设计的运动学合理性，避免了设计缺陷。此外，其有限元分析模块，也能对主要零部件进行静力学分析，校核重要零部件在要求工况下的性能。

2.2 挤压机构的设计

本文设计的挤压机构主要由液压缸、连杆、导轨、夹持杆、挤压钳等五部分组成，如图1 所示，所设计的导轨长度为400mm，通过对周围环境立柱状钢筋网宽度估量约为360mm。挤压机构的驱动力来自于液压缸，其中液压杆与连杆连接件相连，挤压钳位于夹持杆上与导轨相连接，连杆通过在导轨上滑动带动夹持杆进行挤压运动。挤压刃口由两个圆弧形的机构组成，一定程度上防止了挤压时钢筋跑出刃口。

图1 挤压机构

2.3 剪切机构设计

剪切机构主要由剪刃、连杆机构、弹簧以及液压缸组成，如图2 所示。液压缸为剪切机构提供了驱动力，液压杆与连杆连接件相连接，连杆与剪切臂相连接，从而达到控制剪刃进行剪切运动的目的，在剪切臂的尾部设计有弹簧装置，可以有效地提高剪切运动中剪切臂的往复运动。

图2 剪切机构

2.4 剪切装置整体结构

本文设计的剪切装置整体三维模型如图3 所示，其工作时首先将挤压机构的挤压钳伸进钢筋网中，然后驱动挤压机构的液压缸使其对钢筋网进行挤压，将网状的钢筋挤压到一起；完成挤压作业后，利用剪切机构对被挤压的多根钢筋一次性地进行剪切，提高了剪切效率。

图3 剪切装置整体

3 重要零件的有限元分析

3.1 有限元分析简介

有限元分析主要思想是将某个结构划分为有限个微小的单元，然后分析每个微小单元的变形和应力情况，从而反映该结构的受力情况。通过有限元分析及优化设计，可以验证设计的零部件是否满足实际需求，提高设计效率。有限元分析析通常包含前处理、边界条件的设置以及后处理等3 个主要步骤。

3.2 挤压钳有限元分析

挤压钳作为抱紧机构中的主要零件，其结构强度对整个装置的性能有着重要的影响，因此，本文利用SolidWorks 软件对其进行有限元分析。首先，确定选定材料为合金钢，设置相关的材料参数，并设挤压作业时受到的外载荷为3500N，分析结果如图4 所示。结果表明，挤压钳受到的最大等效应力为516.3MPa，最小安全系数为1.202，最大等效应力小于屈服强度，最小安全系数大于1，即表明机构设计合理。

图4 挤压钳最大等效应力与安全系数云图

3.3 剪片有限元分析

本文设计的装置执行剪切任务时，剪片受到钢筋的反作用力，因此剪片的力学性能是装置能否完成剪切任务的关键。本文选用合金钢作为剪片的材料，其屈服强度为620MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28。在刃口施加15000N 的剪切力，在铰链处施加约束，对其进行静力学分析，分析结果如图5 所示。从图中可以发现，受到的最大等效应力为392.6MPa，最小安全系数为1.58，最大等效应力小于屈服强度，最小安全系数大于1，即表明机构设计合理。

图5 剪片最大等效应力与安全系数云图

4 结语

钢筋网的剪切是建筑工程中常需要执行的任务，本文围绕提高钢筋网剪切效率，提出设计了一款兼具挤压与剪切为一体的装置，用于钢筋网的挤压剪切作业。所设计的装置主要由挤压装置与剪切装置两部分组成，装置的驱动力来自于液压缸。利用SolidWorks 的simulation 插件对挤压钳和剪片进行了有限元分析，通过分析表明了设计的挤压钳和剪片能满足挤压与剪切工作时的力学性能。