新型带肋钢筋矫直辊的设计

新型带肋钢筋矫直辊的设计

1预应力混凝土构件用冷轧带肋钢筋冷带肋骨是一种新型高效建筑材料。该钢带的特点是冷带肋式钢筋的优点，比光圆钢筋的握紧力大4.5倍。应用于非预应力混凝土构件中,可节省钢材20%～30%;应用于预应力混凝土构件中,可缩短放张周期,且节省水泥50～70kg/m3。因此,在建筑行业中,对冷轧带肋钢筋的需求量日趋增大。小直径带肋钢筋(d≤12mm)大都是冷轧盘圆,使用前必须矫直。现有的矫直设备多采用普通凹弧面式矫直辊,钢筋表面与矫直辊之间形成滚动摩擦。其缺点是,矫直辊与带肋钢筋之间为短线段接触,受力面积小,不能满足冷轧带肋钢筋表面基本无划伤的要求。本文在对矫直系统参数研究分析的基础上,提出一种新型的冷轧带肋钢筋矫直机,真正实现矫直后带肋钢筋表面无划伤。2矫直过程中,斜辊之间,聚冷轧带肋钢筋的矫直采用转毂式多斜辊方法,如图1所示。转毂内装有多个倾斜布置的矫直辊,与钢筋轴线方向保持相适应的角度,构成多个弯曲单元。矫直过程中,斜辊随转毂高速公转的同时,绕本身轴线自转。钢筋从矫直辊所形成的孔型中通过(钢筋被拉动而不转动),在前进过程中钢筋各断面受到多次弹塑性弯曲,使轴向纤维经受数次拉、压弹塑性变形,弹复能力逐渐趋于一致,从而得到全周性的矫直效果。矫直机构中的送料辊起限速作用,牵引辊只承受一定的压紧力,以保证钢筋不随转毂转动。3自适应辊式设计3.1辊形试验结果钢筋的矫直质量,很大程度上决定于辊形的设计。矫直工艺对辊形的要求是,尽量增大钢筋与辊子接触区的长度和接触面积,并且在接触区内尽量使弯曲曲率一致。按照这一思想,在直钢筋的条件下导出理论辊形曲线方程:Rx=√(Xtanα-rsinφ/cosφ)2+[(R0+r)-rcosφ]2Rx=(Xtanα−rsinφ/cosφ)2+[(R0+r)−rcosφ]2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√式中X——从辊腰到所取截面(垂直于辊子轴线)的距离,mm;Rx——距辊腰X处的辊形半径,mm;R0——矫直辊辊腰半径,mm;r——被矫钢筋的基准半径,mm;α——矫直辊倾角,(°);φ——矫直辊对钢筋的包角,(°)。在实际矫直过程中,由于斜辊的压下作用使钢筋与辊子接触时具有一定曲率而非直线,表现在矫直辊对钢筋的实际包角与理想值φ不同,设之为φ′,则实际辊形曲线应为R´x=√(Xtanα-rsinφ′/cosφ)2+[(R0+r)-rcosφ′]2(1)图2给出了矫直过程中钢筋与矫直辊的接触示意图。根据文献,光圆钢筋矫直时,辊子同钢筋的接触点E只能在B和D点之间,设E为点B和点D的中点,如图2(c)所示。当矫直与光圆钢筋同一公称直径d的冷轧带肋钢筋时,考虑到冷轧带肋钢筋的表面形状,为保证矫直后的钢筋无划伤,矫直辊面应与钢筋的最大截面相接触。在A—A剖面(图2(b))中,带肋钢筋的截面形状不规则,以最小椭圆去包络之。冷轧带肋钢筋外径r1大于公称半径r,使得辊子上点B和点D发生变化,带肋钢筋外表面接触点E偏离B和D的中点而向D点靠近。取此时E点所对应的中心角为φ′=τ1+0.6(τ2-τ1)(2)式中τ1,τ2——分别为B、D两点所对应的中心角。根据图2(b)所示的几何关系,可得τ1=arctanXtanαR0+r1(3)τ2=arctanXtanα(R0+r1)r1cosα(4)将式(3)、(4)代入式(2),得φ′=0.6arctanXtanασ(R0+rσ)cosα+0.4atctanXtanαR0+σr(5)式中ue001σ=r1/r。由式(5)可知,任一X处的矫直辊半径R′x与X、R0、r和α等原始参数有关。3.2钢筋基准半径r根据矫直机的规格,需要在可矫直钢筋的公称直径范围选取一个合适的r作为基准钢筋半径,作为辊形设计的依据。图3给出了基准钢筋半径r对辊形的影响。可见,在其他参数相同的情况下,基准半径愈大,辊形愈平缓,这意味着矫正辊辊面上各点的切向速度差就越小,矫正辊与被矫直钢筋接触区域内各点的相对滑动速度也就越小,钢筋表面产生划伤的可能性就会越小。所以,基准钢筋半径r应稍大于矫直机规格所能允许的钢筋平均半径。根据作者的经验,按照式(6)选取,可得比较理想的结果。r=ΙΝΤ(1.1×rmin+rmax2)(6)这样做的另外一个好处,就是在设备规格允许的范围内矫直较大或较小直径的钢筋时,不必对矫直机作大的调整。3.3辊形、长度设计选择辊腰半径时,除了需要综合考虑矫直机的生产率要求外,根据式(1),R0对辊子外形的曲率也有一定影响,见图4。在其他参数相同的情况下,R0越大,矫直辊外形越平缓,矫直时越不容易产生表面划伤等矫直缺陷。但从另一方面来看,辊形越平缓,矫直辊对被矫钢筋的定位约束能力就越弱,矫直时钢筋就容易偏离矫直中心线,使稳定性变差,影响矫直效果。辊身长度,实际上是式(1)中X的取值范围,其大小必须保证钢筋与矫直辊之间的接触线达到足够的长度,以满足矫直辊和钢筋的接触强度要求,避免因应力过大而造成压痕、划伤等矫直缺陷。根据大量试验和统计数据,R0和L0可按下式确定:R0=(2.5~5)rL0=(4~5)R0(7)3.4矫直辊包角的影响根据接触区长度准则,倾斜角α最大值可由下面两式给出:πdtanαmax=lcosαmax(8)l=(R0+r)cos2αsinαtanφ+rsinαsinφ(9)式中d——被矫直钢筋直径,mm;l——矫直辊工作部分长度,mm;φ——理论辊形中X=l/2处矫直辊的包角,(°)。另一方面,在其他参数相同的情况下,当α减小时,矫直辊外形曲率变小(图5),矫直时对钢筋的定位性能变差。所以,α不能过小。文献给出了α的最大值与最小值之间应满足的关系:tanαmaxsinαmax≤5tanαminsinαmin(10)理论上讲,φ=50°时,矫直辊对钢筋的包容度为28%,足以满足矫直条件。以φ=50°代入式(9)后与式(8)联立,解得αmax=56.2°。代入式(10),解得αmin=33.7°。故矫直辊倾角应满足:33.7°≤α≤56.2°考虑到在实际操作中,α值越大,两矫直辊在钢筋轴线方向所形成的有效空间越大,进料容易。同时,在带肋钢筋矫直过程中,考虑到肋中心线和钢筋纵轴线夹角为40°～60°,为使钢筋肋顶面与矫直辊面接触面积尽量大,也应使α大一些。根据以上分析得出的原则和矫直机所要求的规格,可进行矫直辊设计。4宽度和直筒结构的配置4.1辊距和辊距辊距P是矫直机的一个基本结构参数,既影响矫直质量,又决定着矫直机的尺寸。首先,P的选取要确保矫直辊在最小调角时辊与辊之间互不干涉;其次,须对机器受力进行考虑,在矫直弯矩一定的条件下,辊距越大,矫直力越小,机器受力情况越好,矫正辊和机架的强度要求也就越易满足,但大的辊距会使设备尺寸增加。辊距小时,虽然设备的结构尺寸减小,对钢筋产生的反弯曲率变大,能够提高矫直质量,但同时会使矫直力、矫直辊受到的扭转应力和辊身接触应力增大,导致辊身表面过早磨损和剥落,影响矫直辊寿命,同时也易于擦伤钢筋表面。所以,辊距的选择,既要保证矫直质量又要满足矫直辊的强度要求。在弹塑性变形区内,矫直辊应绕基准钢筋旋转2周以上,所以变形区长度应满足:lep≥2s=4πrtanα(11)式中lep——弹塑性变形区长度,mm;s——基准钢筋的导程,mm。根据文献的研究结果,lep与辊距的关系为lep=0.42×2P,代入式(11),得Ρ≈5πrtanα(12)4.2矫直机构造设计辊系配置的主要内容有两个:其一是各矫直辊间的相互位置关系的设计,其二是矫直辊数量确定。增加辊的数量,可以增加被矫直钢筋的低频弯曲次数,提高矫直效果,但同时会使设备的结构变大。所以,良好的矫直效果,主要应通过在接触区内增加高频弯曲次数来实现。在保证矫直质量的前提下,辊数尽量少些。在本设计中,综合1-1和2-2辊系配置的特性,采用了前四个斜辊1-1,后两个斜辊2-2的1-1-2(3/3)复合辊系配置方式。该辊系适用于一般棒材及厚管材的矫直,可得到较好的矫直效果,又可以避免钢筋头尾小于或等于半个辊距的长度内得不到矫直,造成大量切头损失的现象。同时,在矫直辊的对面加上压紧辊,扩大了钢筋塑性变形区,只要保证圆材压紧区,圆材的每层圆周上的纤维将受到一致的变形,即使圆材的原始弯曲较大,在受到相同的较大弯曲之后,各条纤维的塑性变形虽有不同,但弹复能力会基本一致,得到明显的矫直效果。还可以消除圆材的甩尾和由此引起的噪音,有利于钢筋两端的矫直,且不易产生表面擦伤,能保护冷轧带肋钢筋的表面质量。尾部两个矫直辊同时起固端作用,实现了钢筋的全长矫直,第六辊还起到配重作用,减小转毂的偏心,减轻振动。又避免了随着转毂质量增加,造成动载荷增加过大,矫直功率过大等现象。根据上述研究结果,燕山大学机械厂设计生产了GT6/12冷轧带肋钢筋矫直机,采用1-1-2(3/3)的辊系配置方式。矫直辊辊形参数如下:r=INT[1.1×(3+6)×0.5+1]=5mm,取R0=20mm,辊子全长l0=85