鋼筋調(diào)直機(jī)調(diào)直輥設(shè)計(jì)與分析

陳士忠，王永華，吳玉厚CHEN Shi-zhong, WANG Yong-hua, WU Yu-hou（沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

鋼筋調(diào)直機(jī)調(diào)直輥設(shè)計(jì)與分析

陳士忠，王永華，吳玉厚
CHEN Shi-zhong, WANG Yong-hua, WU Yu-hou
（沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

[摘 要]為了確定雙槽下調(diào)直輥的最佳直徑，從而優(yōu)化調(diào)直輥，通過計(jì)算確定了調(diào)直輥的直徑范圍。運(yùn)用三維軟件Solidworks對(duì)鋼筋調(diào)直機(jī)部分機(jī)體進(jìn)行建模，使用Ansys Workbench軟件對(duì)不同直徑調(diào)直輥進(jìn)行有限元分析，通過分析得出雙槽下調(diào)直輥的應(yīng)力、應(yīng)變的大小及分布，為理論設(shè)計(jì)和實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]鋼筋調(diào)直機(jī)；雙槽下調(diào)直輥；Ansys Workbench；直徑；靜態(tài)分析

1 引 言

鋼筋調(diào)直機(jī)是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一,近年來各生產(chǎn)廠家為了提高產(chǎn)品的技術(shù)性能,不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu),努力降低生產(chǎn)成本,并不斷開發(fā)新的機(jī)型。調(diào)直就是相對(duì)于彎曲而言的概念，因?yàn)殇摻钤谥圃旒庸ひ约斑\(yùn)輸?shù)倪^程中大多數(shù)以盤條的形式，同時(shí)常會(huì)受到各種外力的作用，致使其內(nèi)部溫度產(chǎn)生變化的同時(shí)內(nèi)力也會(huì)增大或者減小，所以鋼筋會(huì)發(fā)生外界扭曲變形或者是彎曲，鋼筋調(diào)直機(jī)是鋼筋后期的加工過程中不能夠缺少的調(diào)直設(shè)備。

在上世紀(jì)70年代中期，日本學(xué)者在調(diào)直技術(shù)改造中提出使用多重輥組，并率先提出了在調(diào)直中用液膜支撐代替支撐輥的新的調(diào)直方法。到上世紀(jì)80年代，世界上很多的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)調(diào)直技術(shù)理論方面的研究已經(jīng)很成熟，技術(shù)上面取得了很大的進(jìn)步。由于鋼筋和調(diào)直輥之間呈傾斜接觸狀態(tài),因此鋼筋的反彎曲變形作用力不但使調(diào)直輥受到垂直壓力,而且還使其產(chǎn)生一個(gè)回轉(zhuǎn)力矩。所以在設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮機(jī)架和輥?zhàn)艹惺苓@個(gè)垂直壓力,又必須設(shè)計(jì)合適的鎖緊機(jī)構(gòu),使調(diào)直輥在調(diào)角完畢后能被可靠地鎖緊而不松動(dòng)，這樣才能確保調(diào)直精度。

輥式調(diào)直機(jī)主要是利用軋件的殘余曲率差值的收斂特性進(jìn)行調(diào)直，也就是軋件經(jīng)過多次交變的彈塑性彎曲后，其殘余曲率逐漸趨向于一致，形成單值殘余曲率，進(jìn)而調(diào)平。目前,研究輥式調(diào)直過程的方法主要有兩種，第一種是解析法，另一種是數(shù)值仿真法,后者以有限元法最具代表性。

本文通過設(shè)計(jì)雙槽結(jié)構(gòu)的調(diào)直輥，增大了調(diào)直鋼筋直徑的范圍，同時(shí)計(jì)算出雙槽下調(diào)直輥的直徑范圍，在直徑變化的同時(shí)，利用有限元分析軟件Ansys Workbench分析不同直徑下同一部分受力，調(diào)直輥的應(yīng)力變化，以及從雙槽輥輸入軸的應(yīng)力變形中，可以分析出調(diào)直輥受力對(duì)其的影響，對(duì)優(yōu)化調(diào)直輥有很深遠(yuǎn)的意義。

2 鋼筋調(diào)直機(jī)的模型建立

利用solidworks三維軟件對(duì)鋼筋調(diào)直機(jī)進(jìn)行建模，這樣更便于直觀的表現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，更能體現(xiàn)出各部件之間的連接關(guān)系以及設(shè)計(jì)思想。所設(shè)計(jì)的鋼筋調(diào)直機(jī)主要有雙槽下調(diào)直輥、雙槽輥輸入軸、活動(dòng)架體、上調(diào)直輥、調(diào)壓螺桿、介輪軸、箱體組成，大體模型如圖1所示。

圖1 鋼筋調(diào)直機(jī)模型

這種輥式調(diào)直機(jī)的理論基礎(chǔ)是鋼筋在彈塑性條件下，以會(huì)有彈復(fù)變形的發(fā)生。不管鋼筋其原始曲率的大小和彎曲方向，在輥式調(diào)直機(jī)的調(diào)直過程中，鋼筋的殘留曲率會(huì)逐漸降低，甚至最后會(huì)大小相等。各個(gè)上調(diào)直輥的壓下量越來越小，被調(diào)直的鋼筋的殘留曲率也會(huì)越來越小直到接近零值，進(jìn)而符合所需要的調(diào)直質(zhì)量。所以輥式調(diào)直機(jī)要達(dá)到需要的調(diào)直精度，首先需要有足夠多數(shù)目的調(diào)直輥通過上下交錯(cuò)配置的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的多次反向彎曲調(diào)直；其次是要能單獨(dú)的調(diào)節(jié)各個(gè)上調(diào)直輥的壓下量得到鋼筋所需要的壓下量。在調(diào)直的過程中對(duì)各個(gè)調(diào)直輥的壓下量呈遞減趨勢(shì)，對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)性反彎矯直，直到最終得到符合調(diào)直精度的工件。通常輥式調(diào)直機(jī)在精調(diào)直輥前面要安裝大壓彎裝置，也就是使鋼筋實(shí)現(xiàn)大變形的調(diào)直輥，一般都是前三個(gè)調(diào)直輥，本文主要研究第一個(gè)調(diào)直輥。通過以上的介紹我們可以了解，雙槽下調(diào)直輥和上調(diào)直輥是主要的受力機(jī)構(gòu)，因此主要來研究在鋼筋的屬性以及直徑一定的情況下，不同直徑調(diào)直輥的受力情況，研究其結(jié)構(gòu)特性，以為后續(xù)更進(jìn)一步的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3 鋼筋調(diào)直機(jī)調(diào)直輥研究

3.1 鋼筋及調(diào)直輥材料屬性設(shè)定

新Ⅲ級(jí)鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值如表1所示。

由于在調(diào)直過程中，鋼筋在輸送的同時(shí)，還受到調(diào)直輥的壓力，調(diào)直輥材料的選擇統(tǒng)一為GCr15軸承鋼（材料參數(shù)如表2所示），是一種合金含量較少、具有良好性能、應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火加回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。

表1 新Ⅲ級(jí)鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值

表2 調(diào)直輥的材料參數(shù)（GCr15）

3.2 調(diào)直輥模型

所設(shè)計(jì)計(jì)算的調(diào)直輥是雙槽的，這樣可以調(diào)直更大范圍直徑的鋼筋，在調(diào)直?6～10mm鋼筋時(shí)，可以采用小直徑槽輥那面來進(jìn)行調(diào)直，在調(diào)直?10～14mm鋼筋時(shí)，可以轉(zhuǎn)換為大直徑槽輥那面來進(jìn)行調(diào)直。

按鋼筋咬入條件來計(jì)算分析輥徑。由于輥徑與輥距有著直接的關(guān)系，輥距大小與咬入條件又互相影響，輥距過大壓彎量就會(huì)增大，不利于咬入。當(dāng)不考慮Fy′和Fy″處的摩擦力時(shí)，即不計(jì)夾送力。由圖2中對(duì)鋼筋頭部的受力分析可得鋼筋的咬入條件為

Fx+Px＞Nx(1)

設(shè)鋼筋與調(diào)直輥摩擦系數(shù)為μ，則

2μcosα+(μ2-1)sinα≥0 (2)

取μ=0.2，由圖2中幾何關(guān)系得

R2-13.52eR+6.76e2≥0 (3)

R≥13e (4)

為了使咬入端的壓彎撓度比更加的穩(wěn)妥，按彈塑性最大的壓彎撓度比計(jì)算得

圖2 咬入模型

材料的彈性極限撓度公式

取咬入端壓下量e=2δwmax，由式（5）和式（6）可得

令輥距P=2βR,可得

在前面已經(jīng)確定了調(diào)直輥直徑的上限，由于鋼筋在調(diào)直輥的作用下能產(chǎn)生塑性變形，也可能使鋼筋的表面產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕。下面再按接觸疲勞強(qiáng)度來計(jì)算調(diào)直輥直徑的下限即輥徑的最小值，從而確定調(diào)直輥直徑的范圍。

因?yàn)?/p>

其中，σmax為最大接觸應(yīng)力（MPa)；Fmax為最大調(diào)直力（N)；zt為鋼筋的斷面系數(shù)；E為鋼筋的彈性模量（MPa)；b為鋼筋與調(diào)直輥的接觸寬度（m)；R為調(diào)直輥半徑（m)；[σ]為允許接觸應(yīng)力（MPa)；一般取[σ]＝2σt。

將Fmax及[σ]計(jì)算式代入式（9），可得

綜合上面的計(jì)算我們可得雙槽下調(diào)直輥?zhàn)钚≈睆綖?23mm，最大直徑為153mm，所以所研究的直徑范圍是123～153mm。

3.3 調(diào)直輥網(wǎng)格劃分和施加載荷

3.3.1 調(diào)直輥網(wǎng)格劃分

圖3與圖4分別為上調(diào)直輥和雙槽下調(diào)直輥及軸的網(wǎng)格劃分，劃分單元格是建立有限元模型的一個(gè)重要的影響因素，單元格的劃分形式直接影響了計(jì)算的精度和計(jì)算量。

3.3.2 施加載荷

圖3 上調(diào)直輥

圖4 雙槽下調(diào)直輥及軸

根據(jù)表1可得知鋼筋的屈服強(qiáng)度400MPa，抗拉抗壓強(qiáng)度為360MPa，極限強(qiáng)度為600MPa，假設(shè)調(diào)直的鋼筋直徑為D=8mm，鋼筋壓彎時(shí)接觸調(diào)直輥的部分取L=40mm。根據(jù)式（12）、式（13）可計(jì)算出在調(diào)直鋼筋的過程中，第一個(gè)調(diào)直輥所受的抗壓力為361.728kN，達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)的力為602.88kN，屈服力為401.92kN，我們?cè)诘谝粋€(gè)輥施加屈服力，施力在雙槽下調(diào)直輥F1處。

S＝πDL (12)

F＝PS (13)

M＝ρV (14)

3.4 調(diào)直輥應(yīng)力變形分析

式（8）與式（11）可以得出調(diào)直輥的直徑范圍，在所選擇材料的參數(shù)以及設(shè)定好鋼筋的數(shù)值的情況下，得出直徑是123～153mm，在這個(gè)直徑范圍內(nèi)，需要做出雙槽下調(diào)直輥的靜力分析。

通過Ansys Workbench分析可以得出雙槽下調(diào)直輥直徑為123mm時(shí)，當(dāng)額定載荷全部加載于F1處時(shí)，雙槽下調(diào)直輥的最大應(yīng)力為466.36 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下調(diào)直輥的鍵槽兩側(cè)，最大變形為2.3318mm，最大變形出現(xiàn)在鍵槽處。雙槽下調(diào)直輥直徑為133mm時(shí)，當(dāng)額定載荷全部加載于F1處時(shí)，雙槽下調(diào)直輥的最大應(yīng)力為496.64MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下調(diào)直輥的鍵槽兩側(cè)，最大變形為2.4832mm，最大變形出現(xiàn)在鍵槽處。雙槽下調(diào)直輥直徑為143mm時(shí)，當(dāng)額定載荷全部加載于F1處時(shí)，雙槽下調(diào)直輥的最大應(yīng)力為581.27MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下調(diào)直輥的鍵槽兩側(cè)，最大變形為2.9064mm，最大變形出現(xiàn)在鍵槽處。雙槽下調(diào)直輥直徑為153mm時(shí)，當(dāng)額定載荷全部加載于F1處時(shí)，雙槽下調(diào)直輥的最大應(yīng)力為667.96MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下調(diào)直輥的鍵槽兩側(cè)，最大變形為3.3398mm，最大變形出現(xiàn)在鍵槽處。調(diào)直輥的應(yīng)力、應(yīng)變隨著直徑增大時(shí)的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 各個(gè)直徑下調(diào)直輥的應(yīng)力變形曲線

由以上得出的數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)額定載荷全部加載于F1處時(shí)，隨著雙槽下調(diào)直輥直徑的增大，雙槽下調(diào)直輥的最大應(yīng)力也在逐漸遞增，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在下調(diào)直輥的鍵槽兩側(cè)，受到最大應(yīng)力的區(qū)域隨著直徑的增加而在縮小，最大變形也在逐漸遞增，最大變形出現(xiàn)在鍵槽處，這說明在雙槽下調(diào)直輥直徑增大的時(shí)候，由于雙槽輥輸入軸不變化，鍵槽根角部分受殘余應(yīng)力影響，導(dǎo)致所受到的最大應(yīng)力隨著直徑的增大而逐漸遞增，最大應(yīng)力區(qū)域由于調(diào)直輥直徑增加，面積也在增加，受力區(qū)域面積相對(duì)縮小，從鍵槽最大變形量也隨著調(diào)直輥直徑的增大而逐漸遞增可以看出，一端開放式的鍵槽型式，開放端鍵槽受力面的切向應(yīng)力大得多，從而導(dǎo)致鍵槽底部較為嚴(yán)重的切向應(yīng)力集中，導(dǎo)致最大變形量也在隨之增加，可以得出雙槽下調(diào)直輥直徑為123mm時(shí)為最佳直徑，直徑為133mm時(shí)次之，直徑為143mm再次，直徑為153mm時(shí)最差。

由圖5可以得知，在雙槽下調(diào)直輥直徑為153mm時(shí)，應(yīng)力變形最大，為3.3398mm，根據(jù)式(9)可以算出在下調(diào)直輥直徑為153mm時(shí)，所設(shè)計(jì)的軸最大可以承受667.96MPa的力，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

比較雙槽下調(diào)直輥在直徑為123mm、133mm、143mm、153mm時(shí)，雙槽輥輸入軸保持不變時(shí)，最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在鍵槽兩側(cè)。主要可以從以下兩個(gè)方面對(duì)應(yīng)力集中的鍵槽兩側(cè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：①改變鍵槽結(jié)構(gòu)，適當(dāng)加大鍵槽的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)一步提高鍵槽與鍵的配合精度，降低運(yùn)行過程或啟動(dòng)過程中鍵槽的受力及應(yīng)力集中程度；②改變安裝結(jié)構(gòu)，可將軸端鍵槽前后增設(shè)密封墊，減少該部分與雙槽下調(diào)直輥的摩擦。綜合以上分析可知，調(diào)直輥?zhàn)罴阎睆綖?23mm。

4 結(jié) 論

1）雙槽下調(diào)直輥在四個(gè)直徑下最大應(yīng)力為667.96MPa，最大變形量為3.3398mm，滿足強(qiáng)度要求。

2）雙槽下調(diào)直輥調(diào)直過程中，鍵槽兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力最大值，槽輥邊緣應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱分布，調(diào)直輥應(yīng)力變化與直徑變化成正比關(guān)系，應(yīng)力變化區(qū)域與直徑變化成反比關(guān)系，變形大小與直徑變化也成正比關(guān)系。

3）雙槽下調(diào)直輥?zhàn)畲髴?yīng)力均出現(xiàn)在鍵槽兩側(cè)，并且調(diào)直輥?zhàn)畲髴?yīng)力隨著直徑的增大而增大，在直徑為123mm時(shí)最大應(yīng)力和最大變形量都是最小的，分別為466.36MPa和2.3318mm，所以123mm為雙槽下調(diào)直輥的最佳直徑，在后續(xù)研究可以進(jìn)行優(yōu)化。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TU649

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)03-0076-04

［收稿日期］2014-12-29

Design and analysis of reinforced straightening machine straightening roller