第 1 章 绪论
1.1概述
随着普通粘土砖的禁止使用,许多新型墙体材料特别是混凝土小型砌块得到了非常广泛的应用。因为在国内的发展时间比较短 ,所以混凝土小型砌块结构在施工与设计方面至关重要，小型混凝土砌块的劈裂机项目采用国内先进生产技术，节能环保低耗高质价廉，市场潜力巨大[1-3]。典雅古朴的天然花岗岩，自古至今都被人们广泛使用于建筑材料以及装饰材料中，但其开采困难，表面加工困难等缺点又让人们无法广泛使用在生活中。随着科学技术的进步，资源丰富、实用性强的砼材料越来越被人们应用在建筑工程中，并以其廉价、耐久以及加工难度低等特点向建筑装修与艺术领域发展。与此同时，砌块劈裂机制造业开始在国际上迅猛发展，而我国砌块劈裂机制造技术目前刚进入起步阶段，在砌块劈裂机的设计与应用研究工作都远远落后于西方国家。在 SF-3 智能砌块劈裂机项目中,我们对劈裂机进行了研究,并通过试制加工及应用实践,已投向市场[4-6]。
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1.2砌块劈裂机研究现状
液压冲击器对于以高压液压油为动力、高速往复运动的液压冲击机械而言，决定了其性能品质以及工作效率等核心因素。随着科技的发展，液压冲击机械通过自身的不断完善与进步，在促进经济的发展、提高社会生活水平等方面起着至关重要的作用[7-9]。冲击机械从起初的能耗大与工作环境恶劣的气动冲击机械，经过一百多年的发展到由英国斯塔福德•多尔曼发明的第一台液压凿岩机，再到由法国蒙塔贝特公司于 1970 年研制的 H50 型液压凿岩机，冲击机械正式成为了推动人类发展的重要动力，以其强大的功能与广阔的应用潜力，很快得到了欧美国家的高度重视。在不到半个世纪的发展中,欧美、日本以及韩国等 20 多个国家的几十家公司就相继研发了上百种用于凿岩和破岩的液压冲击机械系列产品，迅速占据了国际冲击机械的市场。截止到 20 世纪 90 年代，液压机械年产量已超过了 2 万台, 冲击机械的品种和性能都得到了长足的发展与提高,无论是从理论研究、结构设计还是制造工艺等方面其都在日渐完善，其品种也越发的多种多样，在现代机械的各行各业中得到了广泛的应用[10-11]。随着社会的发展和建筑业的进步，砼地面砖的色彩从单一灰暗的砼本色向不同色彩和质感的彩色地面砖发展。早在 70 年代,西方经济发达国家就已广泛地采用了联锁型砼地面砖,其中彩色地面砖的产量逐年上升。在此基础上，装饰砼砌块迅速发展起来，国外发展较快,新的品种不断涌现。国内的研制和应用研究工作,目前正处于起步阶段,并有着向前发展的势头。装饰砼砌块与一般砼砌块的主要区别在于对砼表面进行了不同形式的特殊处理,使其具有不同风格的天然石材的装饰效果[12-15]。本课题是液压冲击机械应用于室内砼砌块加工的研究，设计研制出 SF-3 型砌块劈裂机。SF-3 砌块劈裂机是在意大利 Techno Split 公司研发的砌块劈裂机的基础上进行改善与提高，本文重点研究的方面以前都没涉及过，对他们还未研究过的地方进行了仔细研究分
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第 2 章 SF-3 砌块劈裂机总体设计
2.1 总体方案论证
砌块劈裂机近年发展较快，控制系统也在不断更新换代，PLC、触摸屏、电液控制比例阀的使用使劈裂机的自动化智能化程度迅速提高。虽然国内外砼砌块劈裂机的产量增长迅速但其在提高自动化、智能化程度、解决上刀与台面动作的同步性、劈裂机的实时监控、提高液压缸使用寿命等方面，在技术上还存在许多不足。SF-3 智能砌块劈裂机引进、吸收美国、日本等发达国家的先进砌块劈裂设备的基础上，研制出了具有自主知识产权的劈裂机，其主要的技术特点包括：采用了气囊控制的中平台上下移动系统，起到协调上刀与中平台同步动作的作用。采用了目前国内先进的减压阀控制液压系统，上刀压力较大，侧刀压力变小，上刀劈裂为主，侧刀对齐为辅，使制品断面达到中部为自然图样，边缘整齐的劈裂效果。采用平衡杠组合结构，分别使中平台左右方向和前后方向保持平衡，从而使整个平台的升降达到同步进行，避免了平台在升降过程中出现一侧高一侧低的现象出现，中部平台两端采用两组导套对其定位和导向，该结构采用黄油润滑，保证了平台的对中性。行走结构采用两层轮式行走架，抓砖手相对主机沿左右方向和前后方向动作，摩擦力较小，由人手动操作方便灵活，利用导柱导套结构对抓砖手的上下动作进行控制，由电机配合减速箱为其上下动作提供充足的动力，由链条传动，PLC控制采用点动方式人为操作启动自复位按钮使其上下运动自如。抓砖手采用杠杆平衡结构原理，两端采用摩擦胶片的方式对砌块进行夹紧固定，通过严密计算并通过实际调试改进最终确定了距离可调的方案。
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2.2 结构组成及原理概述
参考现有国内外四大砌块劈裂机公司的劈裂机生产线，结合需要改进的功能要求以及生产实践中遇到的问题，初步确定 SF-3 砌块劈裂机的整体结构。结构图如图 2-1 所示：SF-3 智能砌块劈裂机主要有主机和行走结构两部分组成，其中主机又包括：1.气囊结构、2.台面、3.侧刀结构、4.底座立板、5.上刀结构、6.链轮推杆、7.中平台、8.支架、9.分度盘、10.下刀结构、11.平衡杠。现将其功能原理简述如下：
1.气囊结构:该结构主要通过气囊的充气放气和气囊自身的弹性来控制中部平台的升降，来控制下刀相对中平台的高度，以达到对砌块进行辅助劈裂的效果。气囊结构上有对中平台的上下限位结构，可控制气囊的最高和最低位置，该限位装置上下极限位置均可调。
2.台面：台面由中部主要台面和前端导出辅助台面构成，中部主要台面承受砌块重量和中平台下降前的上刀液压缸传递的压力，并可保证中平台下降时下刀可顺利通过台面上的长孔，使其与上刀一同对砌块进行劈裂作用；辅助台面主要起导出成型砌块到输出端的连接作用，可绕其一端轴旋转。
3.侧刀结构：侧刀结构主要由中部液压缸主体及其附带支撑结构，和缸体支架构成。其中液压缸的缸杆端部与刀座为过盈配合并靠销轴连接，缸杆与缸筒之间有滑轨与滑轨座控制其相对运动平稳进行，缸杆底部设有防尘罩。液压缸缸筒与侧刀支架之间由滑轨和滑轨座相连，滑轨焊接在液压缸两侧，滑轨座有螺柱螺母固定于侧刀支架两侧板上，因此液压缸筒可做前后移动，后端与长螺栓相连，长螺栓由带螺纹孔手轮和特制结构控制其前进和后退。
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第 3 章 SF-3 砌块劈裂机主机设计校核.........12
3.1 SF-3 劈裂机的刀具及其支撑结构设计.........12
3.2 链轮推杆结构设计和校核...............19
3.3 平衡杠结构的设计 ............27
3.4 本章小结 .............32
第 4 章 SF-3 劈裂机主机三维造型 .........33
4.1 CAD 技术概述.............33
4.2 三维建模简述.............33
4.3 三维造型 .............33
4.4 绘制工程图.................38
4.5 本章小结 .............39
第 5 章 劈裂机主机零部件有限元分析..........40
5.1 劈裂机有限元分析的主要内容..............40
5.2 有限元方法原理及 ANSYS 简介.............40
5.3 劈裂机主支撑结构的有限元分析..........41
5.4 下刀横梁的有限元分析...........53
5.5 链轮主轴的优化分析................56
5.6 本章小结 ............58
第 5 章 劈裂机主机零部件有限元分析
5.1 劈裂机有限元分析的主要内容
影响劈裂机劈裂效果及其工作性能的重要因素包括劈裂机的静态特性和动态特性，这些特性将会直接或间接地对劈裂机的最后的加工砌块性能产生相当大的影响。为了使砌块劈裂机主机主要零部件及其主体结构的刚性得到显著提高、使零部件的质量得到明显降低、使砌块劈裂机加工速度快以及静态特性和动态特性良好的要求得到满足，对此次研制的砌块劈裂机的关键的部件进行有限元分析是相当有必要的[44-51]。分析的内容主要包括以下几个方面：
1.本砌块劈裂机采用 UG 作为三维建模软件，创建了全部的实体三维模型；
2.对本砌块劈裂机主机的重要的零件和部件做了有限元静力学分析，采用 ANSYS 软件作为分析工具，通过这种方式确定了主要部件的静刚度以及静态变形情况；
3.对本劈裂机的主支撑结构进行模态分析，得到主支撑结构及其各组成部件的固有频率和振型，从中找出对主支撑结构的动态性能起到很大影响的薄弱环节，并据此找到主支撑结构的设计修改的方向，用这种方法来对主支撑结构和它的组成部件的动态性能来进行评价和优化。
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结论
根据天津市新实丰液压机械有限公司的委托要求，结合应用经验设计和现代设计方法，通过有效的数据查询和交流合作，我们课题组完成了对 SF-3 砌块劈裂机的设计与研究。截至目前，该项目总共申请、获得专利 11 项，其中包括 3 项发明专利和 8 项实用新型专利。该项目已经被天津市高新技术成果转化中心的专家鉴定为国际先进并以投产使用。本文的研究工作最终得出以下几点主要结论:
1.基于国产传统的劈裂机并结合国外先进劈裂机的相关优点，根据砌块劈裂机的设计理论、经验知识和机械设计，对 SF-3 砌块劈裂机的零部件方案进行了合理的设计;根据对劈裂机链轮推杆机构进行几何解析，建立了该机构的运动表达式;计算分析了不同方案的行程数据，根据各刀具和各平衡机构行程数据的对比，确定了 SF-3 砌块劈裂机机构最终方案。科学的设计、合理的选择使 SF-3 砌块劈裂机具有结实耐用，组装方便，处理量大，操作简便，劳动强度低等性能特点。
2.基于 UG 和 CAXA，对 SF-3 砌块劈裂机所有零部件进行三维实体建模及二维工程图进行了绘制，直观表达了零部件的结构设计;对装配模型做了干涉检查，以检测模型的设计及安装是否正确;基于零件的设计模型，根据 SF-3 砌块劈裂机劈裂力及零件的受力分析，应用所学知识，对刀具及其支撑结构、平衡杠结构、链轮推杆结构等进行了强度校核计算，验证了其技术性能的可靠性。
3.应用 ANSYS 工程分析软件对 SF-3 砌块劈裂机的主支撑结构及下刀横梁等进行静力学分析和模态分析等。有限元分析结果显示:立板与上平台的连接处产生了集中应力和最大变形，这与实际应用中立板最大受损情况是相符的;最大应力值为 200.3MPa，远远小于材料的屈服极限 345MPa;最大应变为 0.3056mm/mm，中平台的中部产生了不超过 0.19mm 的最大变形，相对砌块劈裂质量来说是微乎其微的，因此不会对工作和产品劈裂表面产生较大影响;分析还揭示了立板边缘路径上的应力分布情况;通过安全系数分布图可知，立板整个结构的最低安全系数为 2.58，由此可知，主支撑结构模型结构具有足够的强度和刚度。下刀横梁中间主梁与两侧箱连接处是产生集中应力和最大应变的部位，应力值达201.3MPa，应变值为 0.002mm/mm，通过在孔边缘处加工倒角或圆角，可以改善此处的应力集中和应变的情况;最大合成位移位于下刀横梁受力面的中部，最大位移值为0.35219mm，总体分析可知，最大应变和最大位移对下刀横梁的工作性能影响不大。主支撑结构及下刀横梁具有足够的强度性能，有些部位的强度有很大富余，可以适当的减薄修型。为零件的优化提供了前期准备。对链轮推杆结构的主轴进行了优化设计，使整根轴的重量降低了 8.9%，优化效果相当明显。
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参考文献（略）