钢筋矫直机的设计-理工论文

理工论文

钢筋矫直机的设计

发布日期：2024-10-21 16:49:54

　　1前言

　　1.1设计钢筋矫直机的目的和意义

　　21世纪，工业已发展到到了工业4.0时代，技术飞速的创新，我国一跃成为经济强国，随着经济发展，基础设施建设风起云涌，蔚为壮观。钢筋混凝土结构得到了越来越多的使用，钢筋这种结构材料正在渗透到国民经济发展的各个方面。尤其在土木工程与建筑方面，在钢筋混凝土结构之中，钢筋是不可缺少的关键材料，而钢筋加工和成型的质量好坏，直接会影响到钢筋混凝土结构的强度、经济性、工程的质量以及施工的进度等等，与施工的安全与经济性息息相关。所以，钢筋加工机械是建筑施工中不可缺少的机械设备。

　　这次我设计的钢筋校直机采用轮辊式矫直机构，它的工作原理是在弯曲钢筋上施加周期性交变应力，这时材料会产生一定的弹塑性变形。交替变形累积达一定程度后，原来的弯曲即被抵消，校直的目的就达到了。

　　1.2国内外技术发展现状

　　钢筋混凝土技术推广的社会和经济效益十分显著，因而高强钢筋得到广泛应用。欧美日等工业发达国家对钢筋的性能要求较高，多采用400到500MPa可焊钢筋，且其实际质量高于标准规定。盘卷供料的钢筋需要校直后才能使用，目前国内还没有能满足高精度校直性能的钢筋校直机，国内现有钢筋校直机能校直的强度都在350MPa左右。我国同工业发达国家之间还存有极大差距。

　　19世纪80年代以后，国际形势发生变化，我国因而能够接触到很多国际上先进的研究设计成果。有小到Φ1.6mm金属丝校直机和大到Φ600mm管材及棒材校直机。有速度达到320m/min的高速校直机和精度达到0.036mm/m的高精度校直机。同时我国也积极引进许多先进的校直设备。如英国设计生产的布朗克斯(BRONX)校直机;德国出产的连续拉弯校直机及高精度压力校直机;日本生产的的薄板校直机等。我国科技人员和一线工人奋起直追，想尽办法提高自己的设计能力、研究能力、加工制造能力、技术创新能力，我国专家学者曾提出了很多有效的矫直理论和矫直算法。许多学者进行了深入研究并取得了喜人的成果，还多次召开了全国性的辊形理论讨论会;产生了等曲率反弯辊形计算法等。同时很多科研单位和制造工厂、制造部门筚路蓝缕以启山林，进行了很多矫直理论的研讨工作和矫直机的研发试制工作，这些都缩小了我国同发达国家之间的技术差距。

　　90年代之后我国加紧步伐奋起直追，这期间一些新研制完成的校直机在性能上达到世界先进水平;一些新的研究成果获得了市、省以及部级科技成果进步奖。近十几年来我国在反弯辊形七斜辊校直机，多斜辊形薄壁管材校直机、3斜辊铜管校直机、双向反弯辊2辊校直机、复合转子式校直机，平行辊异辊距校直机，以及校直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。在矫直高强度合金钢方面也已获得很大的进步。校直后的残留挠度甚至小于0.2～0.5mm/m。近年来，以连家创等为代表的先进科学家、教授提出的矫直理论和卷取理论，使我国在这方面的研究达到了世界一流的水平。大量高技术含量的设备在这期间被研制成功，数以万计的相关高素质人员在这期间成长成才。

　　1.3设计内容

　　总体设计

　　我设计的钢筋校直机在结构上主要由机架、校直机构、，传动机构、电动机组成。机架主体部分主要是由钢板焊接及使用螺纹紧固件连接而成。校直机构采用是轮辊式结构，主要是由校直辊、轴、齿轮组成，传动系统主要由齿轮副以及V带轮构成。

　　矫直系统的设计

　　此台钢筋矫直机的矫直机构，采用的是轮辊式机构，多个轮辊相互交错分布，反复对钢筋施加交变的应力，使原来的弯曲被抵消，从而达到钢筋矫直的目的。

　　图1 辊式矫直机简图

　　传动系统的设计

　　传动系统采用的是V带传动及齿轮传动，电机通V带减速后传递到斜齿轮所在轴，经齿轮副继续减速后，传递动力到钢筋校直机的主轴上，主轴转动带动送料轮，达到输送钢筋到校直机工作部分的作用。

　　2.设计任务书

　　2.1设计依据

　　我国工业现在还处于飞速发展中，人口基数大，基础设施建设活力大，各城镇都新建有很多高楼、铁路等设施，需要使用大量钢筋，对钢筋校直机的使用需求也有所增加。根据现有钢筋校直机实物为基础进行简化，我设计出此台钢筋校直机。

　　“当钢材具有均匀的原始曲率时，用三个原始辊就可以很容易的把它完全矫直。弯曲辊连续旋转，当钢材通过弯曲辊时，每个断面都向反方向弯曲到相同的曲率。因此，产生均匀弯曲(机各断面原始曲率相同)的钢材经过三个弯曲辊以后就可以被完全矫直。”

　　我设计的矫直机用于矫直盘圆钢筋(可以看做均匀弯曲)，然而为确保较高的矫直后精度，使钢筋经过7辊矫直，可满足绝大多数工程需要。

　　2.2产品用途及使用范围

　　在土木建筑工程(道路、工民建、桥隧等领域)、水利电力工程(大坝修筑等)、机械加工制造行业等国民经济支柱行业和领域中，我设计的这款钢筋矫直机均有着强大的生命力，发挥着其不可替代的作用。

　　仔细分析可见，我设计的这型钢筋矫直机结构很简单、操作起来也比较方便安全(符合近年来兴起的人机学设计原理)、自动化程度较高，运转灵活。

　　工程中常用的成品线材主要是热轧钢筋。热轧钢筋主要是用作钢筋混凝土以及预应力混凝土结构中的受力钢筋，是土建结构中使用量最大的钢种之一。热轧光圆钢筋，是由碳素结构钢经过热轧而成型的，其牌号由HPB和屈服强度构成，如HPB235。

　　而直径为6~14mm的钢筋，大多卷成盘供应，热轧圆盘条钢筋公称直径为：6.0、6.5、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0mm，HPB235的抗拉强度不小于410MPa;而直径10~40mm的钢筋一般是6~12mm长的直段供应，热处理钢筋的抗拉强度一般不小于1407MPa。

　　此次我设计的矫直机主要用在矫直6~14mm的无筋圆钢筋上，且能矫直的是圆形、表面光滑的钢筋。它坚固耐用、适用性广。在矫直不同直径的钢筋时仅需操作其上矫直辊调整机构即可。

　　2.3主要技术指标和参数

　　表1 钢筋矫直机参数

参数名称	数据
校直钢筋直径（mm）	6～14
钢筋抗拉强度(MPa)	≥650
送料轮转速(r/min)	96
校直轮转速(r/min)	96
送料轮直径 (mm)	150
电动机功率 (kW)	5.5
外形尺寸：长(mm) 宽(mm) 高(mm)	经设计制图后实际确定

　　2.4总体布局和结构概述

　　钢筋校直机由电动机带动，电动机轴上装配有小带轮，小带轮通过普通B型V带与大带轮相连，动力通过带轮机构完成轴间传递，中间轴上装有小斜齿圆柱齿轮，通过齿轮相互啮合，将动力传递至大斜齿圆柱齿轮，降低转速增大扭转力矩，动力被传递至至主动轴，使主动轴上的送料轮达到预定速度。送料轮上方有一个和送料轮宽度相同但是直径不同的压料轮，两轮之间通过挤压力的作用将钢筋压紧压实，在摩擦力的作用下完成送料，送料机构和出料结构相同。送料轮与压料轮压紧钢筋，从而在摩擦力的作用下钢筋向前运动，通过设计上下矫直辊之间的孔隙，从而被矫直。

　　压料轮可通过调整机构调整在机架上的上下位置，从而完成对不同直径钢筋的有效输送。上矫直辊也可以通过调整机构调整其在机架上的上下位置，从而完成对有不同曲率的盘圆钢筋(主要由钢筋盘圆时滚筒的直径决定)的有效矫直。

　　结构示意图如下图所示

　　图2 钢筋矫直机整体结构示意图

　　1—机架 2—电动机 3—V带轮 4—中间轴 5—斜齿轮

　　6—工作轴上的直齿轮 7—上矫直辊调整机构(作为一个滑块在机架组成的滑道中整体运动) 8—调整机构中的轴 9— 上矫直辊

　　10—矫直机构(工作轴)

　　2.5关键问题及解决办法

　　由钢筋矫直机的实际使用情况和市场调查及用户体验反馈来看，各型钢筋矫直机在实际使用过程中均存在卡住不动的现象，不能正常工作，且同时发热增加，存在安全隐患。一旦发生矫直机卡住的现象，则必须停止校直工作，需专业操作人员重新调整上矫直辊以及钢筋位置，直至矫直机正常工作。

　　3设计计算说明书

　　3.1总体设计

　　3.1.1总体结构及工作原理

　　图3 钢筋矫直机整体结构示意图

　　1—机架 2—电动机 3—大V带轮 4—中间轴 5—小斜齿轮

　　6—工作轴上的直齿轮 7—上矫直辊调整机构(作为一个滑块在机架组成的滑道中整体运动) 8—调整机构中的轴 9— 上矫直辊

　　10—矫直机构(工作轴)

　　工作原理是由电动机1带动V带轮3转动，通过V带轮降低转速后再经由齿轮副5二次降速，进而将动力传递给主工作轴10，轴10带动送料轮，将钢筋送入矫直机构内以完成校直目的。

　　3.1.2主要技术参数

　　钢筋校直机技术参数见表2

　　表2 主要技术参数表

项目	数据
校直钢筋直径范围（mm）	6～14
校直钢筋速度	≤45m/min
送料轮转速	96r/min
送料轮直径	150mm
电动机转速	960r/min
电动机功率	5.5kw

　　3.2矫直机构的设计

　　材料的弯曲可看成是受到某种应力的作用而产生的，理论上我们可根据材料的特性和各处的曲率来计算出应施力的点与应施力的大小来对材料进行矫直，然而这往往是极复杂而且不必要的，在工程实际中往往代之以施加交变应力的方法来对材料进行矫直。此次我要设计的钢筋矫直机即依据此原理来进行关键工作部位的设计。

　　矫直机构对钢筋的矫直的作用，实质是在弯曲的钢筋上施加一定频率的周期性交变应力，迫使材料产生超过其弹性限度的变形，变形在与弯曲相反的方向上交替发生。当交替变形的累积达一定程度后，再以较慢速率逐渐减弱至零，原来的弯曲就会被抵消。

　　根据上述原理，钢筋矫直机的矫直机构采用的是轮辊式，钢筋通过交错分布的轮辊后，被迫使发生频率较高的弹性形变，形变累积，原有的弯曲被抵消，从而达到矫直的目的。

　　矫直机构示意图如图4所示。

　　图4 交错轮棍式校直机构示意图

　　3.3传动系统的设计

　　3.3.1功率计算及电机选择

　　此次我所设计的钢筋校直机工作时校直钢筋速度为小于等于45m/min，由于速度的要求，电动机不能够直接连接送料轴，需通过减速系统的减速，使得送料轴的转速在电机转速基础上降低，符合我所需要的校直钢筋的速度。

　　我所设计的送料轮的转速为96r/min，我设计的减速系统传动比为10。所以我选的电机型号为Y132M2-6，其额定功率为p=5.5kw，满载转速为n=960r/min，堵转额定转矩最大转矩2.0，最大额定转矩为2.2，重量为84kg。其他安转尺寸均已标准化，采购时直接从相关厂家购买，安装时参考使用说明书即可。

　　3.3.2传动比的分配

　　在设计机器装备的传动装置时，传动比的分配是设计过程中的一个重要问题。传动比只有分配合理，才会使整个机器结构紧凑，相关尺寸协调，并控制好生产成本，并且使机器在制造拆装时更加方便。

　　我设计的是一个二级减速装置。选用V带轮和斜齿圆柱齿轮副来降低转速，同时又增大转矩。总的减速比为10，其中V带轮的减速比选为2.5(推荐选用值为2到4之间)，小带轮安装在电动机轴上，大带轮安装在中间轴上，两轮之间以B型普通V带连接;齿轮传动的减速比选为4(相关推荐选用值为3到7之间)，小齿轮安装在中间轴上，予以以齿轮副啮合的大齿轮安装在主工作轴上，完成减速增矩。

　　综合分析而言，整个传动比的分配科学合理，使得整台机器结构紧凑，传动效果好。

　　3.3.3主要传动零件的设计

　　3.3.3.1轴的初步计算和设计

　　(1)中间轴(后文中出现时均称轴2)的尺寸初定

　　根据使用工况，该轴并没有其他特殊的要求。综合考虑之下，我决定初选轴的材料为45钢，并且热处理方式为调质处理。这足以满足工程使用要求，同时又能极好控制工程造价。

　　现进行最小直径估算(按照扭矩强度最小法进行计算)。若取带轮传机械效率为η=0.97，则

　　P2=P1η=5.5×0.97=5.34kw

　　又n2=n1/i=960/2.5=384r/min