王康
广州昕曦冶金设备科技有限公司
摘要：目前，国内1～5t挖掘机和拆除机适用的拆除剪工具头尚处空白，而此类拆除剪工具头是国内拆除机器的主要设备之一，需要了解其工作机理才能更好地进行优化设计，因此，设计了一个拆除机上的液压剪物理样机，其结构依据物理特征和力学特性进行设计;在ANSYSWorkbench软件中分析得到剪刀体在固定载荷作用下的结构总变形云图和应力云图，分析剪刀体的应力分布情况和引发疲劳破坏的原因，得知其把柄、剪刃和剪刀体前端处产生应力集中，易引起结构的疲劳破坏，从结构和材料两方面对其进行优化设计，其剪刀体前端优化首次采用可更换套件，分析结果表明，优化后剪刀体强度更大，结构更为合理，使用寿命更长。
关键词：液压缸;液压剪;应力分析;设计研究
引言
一般来说，建筑物从建成直至拆除的存续时间木造房屋约为40年，非木造房屋约为30?40年。从20世纪60年代至今，需要拆除的建筑物和公共设施不断增加。20世纪60年代主要为钢筋混凝土结构(即RC结构)，现在则主要为钢筋结构(S结构)。由此可知，基于当前世界对环境保护的要求，今后不同结构的建筑拆除需要大量低噪音、低振动、安全且有效的拆除设备。此外，由于建筑物拆除后房屋地基的利用不同，对于非木造建筑房屋的拆除工程来说，拆除对象不仅是地上的建筑物，同时包括地下的基础构造物。
1液压剪设计
1.1剪刃长度设计
剪刃是液压剪用于剪断钢筋的关键构件，其长度设计是剪断钢筋的直径和个数的重要依据。根据液压剪剪钢板坯的情况，可按式(1)计算其剪刃长度，即:L=bmax+(100～300)式中:L为剪刃长度，mm;bmax为钢坯横断面最大宽度，mm。工业与民用建筑物中钢筋通常采用二级HＲB335螺纹钢，一般直径为8～12mm，代入式(1)中得出液压剪剪刃长度为108～312mm，本文剪刃长度选取110mm。
1.2剪刃断面高度和宽度设计
剪刃主要用来剪断钢筋，实际工况要求剪断钢筋1～2根，则钢坯的断面高度h为20～30mm。因此，剪刃的断面高度为13～45mm，宽度为4．3～18mm。本文结合实际工况选取剪刃断面高度为32mm，宽度为12mm。
1.3剪刀口行程
剪刀口行程的设计与剪切物体的横向距离有关，其行程设计为液压缸的行程确定提供重要依据由实际工况要求和经验值可知，剪切断面为钢筋混凝土时，h通常取值为120mm，f通常取值为6mm，q1通常取值为14mm，q2通常取值为8mm，s取值为32mm，因此，将各个参数的取值代入式(3)中得剪刀体最大行程H=120+6+14+8+32=180mm。
1.4拆除机液压剪结构设计
拆除机液压剪通过力学优化和剪刀体结构设计，采用液压动力系统提供机械能，实现了可靠液压快速剪切功能，因此，液压剪首先要求结构稳定轻便化，材料强度满足剪切要求;其次液压剪要有可靠的动力液压系统，涉及液压缸的动力和密封性设计。在配置方面，采用回转驱动装置实现了全方位旋转，增强了结构的灵活性;在材料方面，剪刃使用Cr12MoV冷作模合金工具钢，剪刀体采用35Mn2合金结构钢，其余构件均采用45钢。本文通过液压剪的设计、静态仿真分析，改善传统液压剪应力集中情况，优化结构，得到最优方案。
2拆除机液压剪性能分析
2.1物理样机试验与分析
联系厂家依据CAD图样加工生产各部分构件，组装成整个液压剪试验样机，再将其装配到改装后的远程遥控拆除机上，这样既能够确保在恶劣和危险环境下拆除工作的顺利进行，也能保证人身安全，组装的拆除机液压剪试验样机实物。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆经过试验发现，在拆除钢筋混凝土作业时，该液压剪液压缸工作状况良好，剪刀体的剪刃处有卷边，略有崩刃迹象，剪刀体把柄和前端也出现轻微的裂痕，这些现象表明拆除机液压剪存在结构特征和力学设计不太合理之处，这在前期设计中无法完全规避，因此，剪刀体需要进一步进行优化设计。
2.2拆除机液压剪模型建立
根据液压剪各零件的尺寸，通过SolidWorks软件建立各零件的三维模型，并将各零件装配成部件，再依据液压剪的结构位置关系组装成液压剪三维模型。
2.3拆除机液压剪模型简化
液压剪各零/部件之间为焊接件，零件之间接触类型较多，增加了ANSYS软件数据处理的复杂程度，不利于网格划分和节点生成［12-14］。为了提高计算结果的精确性，对原有模型进行合理的简化处理，主要简化过程包括:1)忽略液压剪中的安装座和立筋板;2)将整个液压缸等效为两组载荷，分别施加在剪刀体把柄两端;3)铰接处去除销轴。为了更好地还原、模拟液压剪工作情景，在模型中添加了C30强度等级的钢筋混凝土，由于液压剪的剪刃主要用来剪断钢筋，其前端剪刀口主要用来破碎混凝土，所以将钢筋单独放置在剪刃处，混凝土放置于剪刀体前端.。
3大型拆除机SK1600D
为了满足对拥有更高能力的拆除机的需求，KobElCo建机成功开发出超大型拆除机SK1600D。该机拥有4节加长臂，拆除范围可达地面高度50m(相当于17层建筑)以内。安装4节加长臂的SK1600D的主要性能参数如表1所示。该机可以实现4折臂和3折臂的互换，可根据建筑物选择合适的加长臂进行作业。同时，也可对附件进行更换，实现不同的拆除功能。为了适应建筑物的高度，可选择不同的加长臂进行组合，在机器稳定性许可的范围内安装大型液压剪进行拆除作业。安装3节臂及基础拆除装置的SK1600D同液压剪的组合如表2所示。可安装基础拆除装置的液压剪KR3000R最大展开幅为3000mm，切断力为6566kN，是目前世界最大的超大型液压剪。安装4节臂的SK1600D可以完成地面高度50m的建筑物拆除。在基础构造物的拆除中，通过安装基础拆除装置和超大型液压剪KR3000R，可以很好的解决大型基础构造物的拆除。目前为此，工程机械厂家不断的将各种各样的拆除机械投放市常在今后多样化的拆除工程中，更加环保、安全的拆除机械将不断的得到应用和开发。
4拆除机液压剪优化设计
由于剪刀体把柄处存在变形过大，需要增加把柄处刚度，因此，增加把柄两侧局部厚度5mm，以确保剪刀体物理结构的稳定。对于剪刀体前端应力集中易产生疲劳破坏的问题，本文通过设计在剪刀体前端增加材料强度更高的套件，以减小其塑性变形，该设计既增加了剪刀体前端的强度，以满足设计要求，又可以在剪刀体前端磨损时，通过更换套件延长剪刀体的使用寿命，相比更换整个剪刀体节约了成本。材料优化通过查找规范和材料属性比对分析，将剪刃材料更换为T10A工具钢，其强度及耐磨性均比Cr12MoV钢高，适用于制造具有较强的韧性和锋利刀口的各种刃具，优点是通过薄壳淬火，使其疲劳抗力提高，崩刃倾向减小，剪刃使用寿命延长，且可加工性能好，价格便宜，来源广等。
结语
为了使城市空间最大限度的被有效利用，城市中破旧的建筑物和公共设施需要相继拆除。在拆除施工中，为了进行低噪音、低振动的安全施工，装有液压剪的液压挖掘机得到越来越广泛的应用。通过本文的分析研究，希望给行业内人士以借鉴和启发。
参考文献
［1］孙德明．液压剪机械拆除施工的特点及应用［J］．装备技术，2015(6):12-20．
［2］王儒，王常文，孟俊瑜，等．浅谈移动式水下型液压剪设备在海洋平台拆除工程中的应用［J］．中国水运(下半月)，2015(4):1-9．
论文作者:王康
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：液压论文; 剪刀论文; 结构论文; 钢筋论文; 建筑物论文; 液压缸论文; 应力论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;