抛丸机|钢管圆钢管材棒材线材盘圆抛丸机|吊钩通过式抛丸机

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钢筋弯曲除锈设备原理与使用方法

作者:admin 日期:2020-12-10 11:06
摘 要:简述了机械弯曲除锈的主要方式,并对比说明各种除锈机的优缺点,根据辊轮机械除锈钢筋的弹塑性变形过程,推导出拉拔力与辊轮压力的计算公式,研究了包角变化对拉拔力的影响,并设计除锈机的辊轮布置结构。


  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

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

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。

 

 

 

 

p

r

 

εmax

= εn  +

(11)

R

 

 

 

 

 

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

 

(15)

 

 

 

 

 

2R

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti -1

 

a

 

 

 

 

 

 

Ti

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 


(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

 

 

=

Ti

- Ti-1

R

乙1 - cos 乙

#乙

(19)

 

 

 

 

 

2

 

 

α - β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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。

 

 

 

 

Ms  = σs ×Ws  = 1.7 σs W

 

 

 

(20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

式中,  W =

πd

 

 

 

 

 

 

(21)

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

其中,d 是线材直径。

 

 

 

 

 

 

 

令,Mβ = Ms 并整理得

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti

= Ti- 1

+

 

 

 

 

2Ms

 

 

 

 

 

(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

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

 

 

 

 

 

2Ms

 

"

 

(23)

Tn

T0

n

乙1- cos 乙

 

 

 

 

#乙β ≠ α

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

α - β

 

 

 

 

 

 

 

当 β = 0、α =

π 、R >> r 时,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tn

= T0  + n

2Ms

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

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,


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

取 β = 0 、α =

π

,由式(23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T6

= T0 + 6

 

 

 

 

2Ms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

#

 

 

!2

- 0

"$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R 1- cos

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 × 500 × 1.7×

π83

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 7 中,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 500 + 6

 

 

 

 

 

 

 

32

 

= 9 822 !N "

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

55

 

 

 

 

 

Ti ,Ti-1 是线材的前、后张力,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

表 2

 

不同α 角的拉力 T 值

 

 

阻力矩

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mi = f ×Nxi

(24)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ts = σs×A = 500×50 .24 = 25 120

 

T (N)

 

式中,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α = 45° θ = 90°

 

 

 

31 815

 

f 是辊动磨阻系数,由平衡条件

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

°

 

°

 

 

 

 

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。







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