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在具有拉伸作用的混合式除锈机中,最简单的变形形式是只有一次拉伸变形,在拉伸力的作用下,线材的延伸变化不大。复杂的混合式除锈机有弯曲、拉伸及扭转 3 种形式,其特点是结构较为复杂,包括许多部件,并且要求安装辅助传动装置,如图 1 所示[4]。
图 1 混合式除锈机的结构示意图
在配有扭转作用的混合式除锈机中,线材表面构成一回转角,回转值的大小与旋转力矩成正比,和断面间距离成正比,在线材表面上体现拉伸变形,呈螺旋线分布,如图 2 所示。
图 2 扭转线材表面的展开图
2、机械除锈机的形式:
高强箍筋生产设备中,机械除锈机采用二辊二面弯曲式,主要优点在于结构简单,易于维修,使用方便,不需提供动力。
箍筋原料为 30 MnSi 热轧盘圆线材,直径 d = 8 mm,σs = 500 MPa。
3、包角及拉力计算:
3.1、为简化计算作的假设:
由于影响线材变形与拉拔力的因素较多,因此作如下假设以简化计算[6]:
(1)线材半径远小于辊轮半径;
(2)线材通过辊轮时完全贴附于辊轮,且所受压力为均匀分布;
(3)计算线材截面弯矩时忽略摩擦力的影响;
(4)线材为无强化的理想塑性材料。
3.2 线材的变形分析与辊轮尺寸的确定方法
图 3 所示为辊轮机械除锈机构示意图,设入口张力为 T0。如图 4 所示,设 Bi Ai + 1 段线材轴向应变
p
为 εi 。对于有几个辊轮的除锈机构,入口轴向应变为
p p
ε0 ,出口轴向应变为 εn ,设线材每通过一个辊轮轴向应变就有一个增量,则
|
|
|
|
|
n |
|
p |
p |
p |
p |
p |
p |
|
εn |
= ε0 |
+ △ ε1 |
+ …+ εi |
= ε0 |
+Σεi |
(1) |
i = 1
p
式中,εi 是线材通过第 i 个辊轮时出口轴向应变的增量。
如果各辊轮半径相同,机构具有对称性,可认为线材通过各辊轮时轴向增变量相等,即
p |
p |
|
p |
p |
△ε1 = △ ε2 |
= ……= △ εn = ε |
(2) |
||
p |
p |
p |
|
|
则 εn |
= ε0 + nε |
|
(3) |
|
|
p |
pp |
)/ n |
|
因此,△ ε |
=( εn - ε0 |
(4) |
图 3 辊轮机械除锈示意图 图 4 线材轴向应变示意图
对于包角内的线材,其变形包括轴向变形和弯曲变形。设弯曲应变为,由于线材受到辊轮压力,平面假设近似成立,应用平面弯曲的理论,有
b |
y |
|
ε = |
(6) |
|
ρ |
||
|
|
式中,
y 是线材剖面上一点到线材截面形心轴的距离,
ρ 是线材轴线的曲面半径。
由假设(1)、(2)知 |
|
|
|
ρ = R + r ≈ R |
(7) |
||
其中, |
|
|
|
R 为辊轮半径, |
|
|
|
r 为线材半径。 |
|
|
|
将式(7)代入式(6),有 |
|
||
b |
y |
|
|
ε = |
|
(8) |
|
R |
|||
|
|
将弯曲应变与轴向应变叠加,以第 i 个辊轮出口处线材为例,
|
p |
|
|
b |
|
|
εi = εi |
+ εi |
(9) |
||||
其最大值与最小值为 |
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|
|
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p |
|
|
r |
|
|
εmax |
= εi |
+ |
|
(10.a) |
||
R |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
p |
|
|
r |
|
|
εmax |
= εi |
- |
|
|
(10.b) |
|
|
R |
|||||
|
|
|
|
|
由于各轮包角内的线材弯曲应变相同,而轴向
Equipment Manufactring Technology No.4,2011
应变不同,故线材的最大应变应在最后一个辊轮的出口处。
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|
|
p |
r |
|
εmax |
= εn + |
(11) |
|||
R |
|||||
|
|
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|
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|
由式(11)得 |
|
|
|
||
|
r |
|
|
p |
|
|
|
= εmax - εn |
(12) |
||
|
R |
||||
|
|
|
|
式(12)表示,线材半径与辊轮半径之比,与线材表面最大应变与出口处轴向应变差值有关。在生
p
产实践中,一般已知线材直径,根据选定的 εmax 和 εn
由式(12)确定辊轮尺寸。靠近线材截面形心轴附近的材料应变值如果较小,则使得表面上的铁皮脱落不干净。本文建议
p
εn 取 4 % ~ 5 %, εmax 取 7 % ~ 12 %,此时,
R =(12 ~ 20)r 。
3.2 应力分析
考虑到线材材料多为低碳钢,由假设(4),应力应变关系为
!Eε σ ≤ σε
σ
σs σ > σε
3.4 线材所受分布压力与截面弯矩的计算
(1)分布压力计算。由于辊轮对线材分布压力未知,若要精确计算线材截面的弯矩,应由试验测定分布压力。根据假设(2),近似计算分布压力(如图6)。由平衡条件
∑X = 0 -- "Ti + Ti-1 #sin α
π
+2 乙0 PRcos θdθ = 0 (14)
整理上式,得
|
P |
= |
1 |
乙T |
+ T |
i-1 |
乙 |
|
(15) |
|
|
|
|
||||||||
|
|
2R |
|
i |
|
|
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||
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Ti -1 |
|
a |
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Ti |
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α |
||
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|
||
|
|
|
|
α |
|
|
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|
||
|
|
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|
0 |
|
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|
|
(2)截面弯矩计算。取一段线材研究(如图 7 所示),由基本假设(3),根据平衡方程∑mc = 0,
图 6 线材所受截面弯矩示意图
式中,
Mβ 为线材截面弯矩,
R 是辊轮半径,
α 是线材与辊轮分离处线材与水平线的夹角,
β 是线材截面与铅直方向夹角,
M ( P )是分布压力对所取截面的弯矩。
M ( P ) = 乙βα - PR2 [ cos θ sin θ - cos θ sin β
|
|
|
|
+ sin θ cos |
β - sin θ os θ ] d θ |
(17) |
||||
对上式进行积分,将式(15)代入,有 |
|
|||||||||
" 乙= |
|
Ti + Ti-1 |
|
|
乙cos " |
乙-1 乙 |
(18) |
|||
M P |
|
|
|
|
R |
α - β |
|
|
||
2 |
|
|
|
|
||||||
将式(18)代入式(16),有 |
|
|
||||||||
Mβ |
= |
Ti |
- Ti-1 |
R |
乙1 - cos 乙 |
#乙 |
(19) |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
2 |
|
|
α - β |
|
|
|||
|
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3.5 拉拔力计算
由假设(4),考虑线材轴向应变较小,弯曲应变
较大,线材截面(位于辊轮上的一段)已因弯曲变形
屈服。
|
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|
Ms = σs ×Ws = 1.7 σs W |
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(20) |
||||||||||
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|
3 |
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式中, W = |
πd |
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(21) |
||||||||
|
32 |
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|||||||||||
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其中,d 是线材直径。 |
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||||||||||
|
令,Mβ = Ms 并整理得 |
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||||||||||
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Ti |
= Ti- 1 |
+ |
|
|
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|
2Ms |
|
|
|
|
|
(22) |
||
|
|
|
R |
乙1 - cos 乙 |
|
|
#乙 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α - β |
|
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|
|||
|
利用式(22),对于入口拉力为 T0 ,具有 n 个辊轮 |
||||||||||||||||
的除锈机,出口拉力为 |
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|||||||||||
|
= |
|
+ |
|
|
|
|
|
2Ms |
|
" |
|
乙 |
(23) |
|||
Tn |
T0 |
n |
乙1- cos 乙 |
|
|
||||||||||||
|
|
#乙β ≠ α |
|
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|||||||||||||
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|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
α - β |
|
|
|
|
|
|
|
当 β = 0、α = |
π 、R >> r 时, |
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|||||||||||||
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|
2 |
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Tn |
= T0 + n |
2Ms |
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|
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|||||||
|
R |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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3.6 线材通过辊轮时张力增值的条件与辊轮约束 |
入口张力 T0 = 500 N, |
|
反力分析 |
εmax = 7 %, |
|
|
为研究线材张力增值条件及辊轮约束反力,取 |
除锈机采用 6 个辊轮,计算出口拉力 T。 |
线材与辊轮为研究对象(见图 8)。 |
p |
|
令 εn = 0, |
||
|
|
εmax = εb = 7 %, |
|
Ti-1 |
Nxi |
Ti |
|
|
||
a |
0 Mi |
α |
|
Nyi |
Y
由式(11)考虑到R>>r ,D ≈ 110 mm,
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
取 β = 0 、α = |
π |
,由式(23) |
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||||||||||
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|
|
|
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|
α |
|
α |
|
|
|
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|
|
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2 |
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|
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T6 |
= T0 + 6 |
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2Ms |
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|||
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
# |
|
|
!2 |
- 0 |
"$ |
|
|
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||||||||
|
|
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|
|
|
|
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||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R 1- cos |
|
π |
|
|
|
|
|
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|||||
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|
|
|
|
|
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|
|||||
|
|
|
|
|
|
2 × 500 × 1.7× |
π83 |
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|||||||||||||||||||||||||
|
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|
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||||||||||
图 7 中, |
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= 500 + 6 |
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32 |
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= 9 822 !N " |
||||||||||||
|
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55 |
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|||||||||||||
Ti ,Ti-1 是线材的前、后张力, |
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||||||||||||||||||
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|
取 α 为不同角度,计算结果见表 2。 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nxi ,Nyi ,Mi 是辊轮所受的约束反力及辊轮摩 |
|
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表 2 |
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不同α 角的拉力 T 值 |
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||||||||||||||||||||||||||
阻力矩 |
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||||||||||
|
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Mi = f ×Nxi |
(24) |
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|||||||||||||||||||||
|
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|
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|
|
|
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|
Ts = σs×A = 500×50 .24 = 25 120 |
|
T (N) |
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||||||||||||||||||||||
式中, |
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α = 45° θ = 90° |
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31 815 |
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|||||||||
f 是辊动磨阻系数,由平衡条件 |
|
|
|
角 |
|
度 |
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|
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|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
α |
= 60° θ =120° |
|
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|
19 144 |
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
∑X = 0 、∑Y = 0 、∑M0 = 0,得 |
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|
|
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|
α = 90° θ =180° |
|
|
|
9 822 |
|
||||||||||||||||||||||||
- ! |
+ |
|
|
|
|
"sin |
|
|
+ |
|
|
|
= 0 |
(25) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Ti+1 |
|
α |
|
Nxi |
|
|
|
|
|
|
α = 51.5° θ =1.3° |
|
|
|
25 193 |
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|||||||||||||||||||||
|
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
! |
+ |
Ti+1 |
"cos |
α |
- |
Nyi |
= 0 |
(26) |
|
由表 2 可见,为了得到相同的应变,线材拉拔力 |
|||||||||||||||||||||||||||
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
与 α 关系较大。α 越小,拉力越大;α 越大,拉力越小; |
||||||||||||||||||||||||||||
Mi |
- ! |
|
- |
Ti-1 |
" = 0 |
|
|
(27) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Ti |
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
当 α = 51.5°时,拉力约等于线材截面屈服拉力。对于 |
|||||||||||||||||||||||
由式(25)、式(26),得 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
不考虑强化的材料,拉拔力不应大于屈服应力,故当 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nxi |
= |
! |
|
+ |
Ti+1 |
|
"sin |
|
α |
|
|
(28) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||
|
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α≥ 51.5°时,拉拔力可按屈服应力设计。 |
||||||||||||||||||||||||
Nyi |
= |
! |
|
- |
Ti-1 |
|
"cos |
α |
|
|
(29) |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|||||||||||||||
|
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|||||
由式(24)、式(27)、式(29),消去 Nxi |
、Mi 得 |
4 |
除锈机的设计 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 + |
|
f |
|
sin α |
|
|
|
R |
|||||
|
|
Ti = Ti-1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
1 - |
|
|
sin α |
||
|
|
|
R |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
由于 |
f |
<< 1, |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
故 Rf sin α << 1。
因此 ,式 (30) 可以近似为
(30) 根据计算可知,α = 51.5°时,拉拔力等于屈服应力,因此在得到相同的应变时,α 越大则所需拉力越小;但是 α 过大,则线材变形太大,可能造成线材容易被拉断,因此 α 取 60°比较适合。辊轮结构设计图如图 8,依据此结构设计的除锈机。除锈过程分为水平除锈和垂直除锈两个方向,除锈效果较好。
Ti ≈ Ti-1 |
(31) |
式 (31 )表明,对于滚动摩擦结构,线材通过辊轮时出入口拉力相等。为使前后张力有加大差值,必须设法增大辊轮与轴之间的磨阻力矩,以满足拉力增值的需要,并应在结构设计中予以考虑。
3.7 计算
已知线材直径 d = 8 mm,
8准 |
水平矫直 |
主视图 |
垂直矫直 |
204 |
204 |
|
|
60° 60°
准 1 10
204 |
|
|
204 |
|
|
60° 60° |
60° |
|
|
60° |
|
|
俯视图 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
准 |
|
|
|
|
° |
|
° |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||
0 |
6 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
σs = 500MPa
除锈机除锈量测定:高强箍筋生产线连续生产24 h,成品产量为 37.24 t,使用原料量 37.56 t,除锈量37.56 - 37.24 = 0.32 t。根据资料显示[5],吨钢线材含有铁锈 1 %左右。除锈率 = 0.32 / 37.24 / 0.01×100 % = 86 %。线材表面的粗大铁锈基本被除净,但仍含有少量细小粘着力极强的浮锈。
5、结束语:
机械除锈代替线材酸洗,可以提高生产效率,减少占地面积,减少投资和污染。出口轴向应变差值与线材尺寸有关。当包角<103°时,除锈机拉拔力应按线材截面屈服应力设计,包角>103°是应按式(23)计算。采用该形式除锈机,可以有效除掉线材表面铁锈,除锈率达 86 %,满足高强钢筋生产工艺要求。