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钢筋弯曲除锈设备原理与使用方法
随着国内建筑业的发展，对于钢筋的使用要求越来越高，传统的钢材性能不足，制约了建筑物的安全性能和新型建筑的设计，其中箍筋强度偏低的问题，目前愈加凸显。高强度建筑用箍筋，采用新工艺、新设备对传统钢铁材料进行热处理，使原料性能获得大幅度提高。
线材在冷拔之前，要对其表面进行除锈。机械除锈由于具有工艺设备简单、成本低廉、污染小等优点，成为常用的除锈方法。国内已有学者对其进行了研究，如辊轮直径的计算方法，并在 180°反复弯曲和纯塑性变形条件下，导出拉拔力计算公式[1]；线材除锈机理研究，从外功率与变形功率关系，及线材拉弯变形，导出线材拉拔应力计算公式，并研究了辊轮偏距与弯矩对线材变形率的影响[2]。
本文在上述研究的基础上，研究了机械除锈的方式及特点；任意包角线材辊轮机械除锈问题，同时给出了算例；并结合高强箍筋生产线，设计出高效机械除锈机。将除锈与拉拔结合后组成生产线，可以提高生产效率，减少用地面积，减少投资和污染。
1、机械除锈的方式及机型：
弯曲是易于实现的除锈方式。拉伸和扭转要求线材具有一定的强度，扭转方式不可以单独采用，通常和弯曲配合使用。除锈机一般按照弯曲平面和弯曲辊数量来区分。
在二面二辊式除锈机中，只使用 2 个弯曲辊，它们成一定的角度，其中一个弯曲辊能转 90°。设计时一般使弯曲辊直径 D = 14 d（d 为线材直径）[3]。
在 3 个平面内弯曲的三辊式除锈机中，2 个弯曲辊位于平行平面内，第 3 个弯曲辊则和前 2 个弯曲辊成 60°。平行的弯曲辊将线材完全弯曲 1 周。为了避免线材互相摩擦，平行辊应该互相倾斜 3°～5°。这种除锈机的优点，是线材的变形比较均匀，主要缺点是加大了变形弯曲辊的直径，除锈机的外形和总质量比较大。
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
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|
|
|
|
|
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
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b |
y |
|
|
ε = |
(6) |
|
|
ρ |
||
|
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|
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， |
|
|
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|
R 为辊轮半径， |
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|
|
r 为线材半径。 |
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|
将式（7）代入式（6），有 |
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||
|
b |
y |
|
|
|
ε = |
|
(8) |
|
|
R |
|||
|
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|
||
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，
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p |
|
|
b |
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|
εi = εi |
+ εi |
(9) |
||||
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其最大值与最小值为 |
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p |
|
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r |
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εmax |
= εi |
+ |
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(10.a) |
||
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R |
||||||
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||
|
|
p |
|
|
r |
|
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εmax |
= εi |
- |
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|
（10.b） |
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R |
|||||
|
|
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|
|
|
||
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 |
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|
p |
|
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|
= 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 |
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(15) |
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||||||||
|
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|
2R |
|
i |
|
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||
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Ti -1 |
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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
|
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|
+ sin θ cos |
β - sin θ os θ ] d θ |
(17) |
||||
|
对上式进行积分，将式（15）代入，有 |
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|||||||||
|
" 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) |
|||
|
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||||||||
|
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|
2 |
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|
α - β |
|
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|||
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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) |
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32 |
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|||||||||||
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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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|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Ti |
= Ti- 1 |
+ |
|
|
|
|
2Ms |
|
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|
|
|
(22) |
||
|
|
|
|
R |
乙1 - cos 乙 |
|
|
#乙 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α - β |
|
|
|
|
|||
|
|
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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|
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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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|
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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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|
|||||||
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
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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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|
|
|
|
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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|
2 |
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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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||||||||||
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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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|
|
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|
2 × 500 × 1.7× |
π83 |
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|||||||||||||||||||||||||
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||||||||||
|
图 7 中， |
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|
= 500 + 6 |
|
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32 |
|
= 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 |
|
不同α 角的拉力 T 值 |
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||||||||||||||||||||||||||
|
阻力矩 |
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||||||||||
|
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|
|
|
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|
Mi = f ×Nxi |
(24) |
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|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ts = σs×A = 500×50 .24 = 25 120 |
|
T (N) |
|
||||||||||||||||||||||
|
式中， |
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|
|
|
α = 45° θ = 90° |
|
|
|
31 815 |
|
|||||||||
|
f 是辊动磨阻系数，由平衡条件 |
|
|
|
角 |
|
度 |
|
|
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|
|
|
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|
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|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
α |
= 60° θ =120° |
|
|
|
19 144 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
∑X = 0 、∑Y = 0 、∑M0 = 0，得 |
|
|
|
|
|
|
|
α = 90° θ =180° |
|
|
|
9 822 |
|
||||||||||||||||||||||||
|
- ! |
+ |
|
|
|
|
"sin |
|
|
+ |
|
|
|
= 0 |
(25) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Ti+1 |
|
α |
|
Nxi |
|
|
|
|
|
|
α = 51.5° θ =1.3° |
|
|
|
25 193 |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
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) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α≥ 51.5°时，拉拔力可按屈服应力设计。 |
||||||||||||||||||||||||
|
Nyi |
= |
! |
|
- |
Ti-1 |
|
"cos |
α |
|
|
(29) |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
Ti |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
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 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
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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。
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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，
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8准 |
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水平矫直 |
主视图 |
垂直矫直 |
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204 |
204 |
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60° 60°
准 1 10
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204 |
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204 |
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60° 60° |
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60° |
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60° |
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俯视图 |
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0 |
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1 |
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1 |
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准 |
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° |
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° |
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0 |
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0 |
6 |
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6 |
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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。
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