鋼筋調直機雙槽輥輸入軸的靜力分析

陳士忠，王永華，陳博，吳玉厚

（沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

鋼筋調直機雙槽輥輸入軸的靜力分析

陳士忠，王永華，陳博，吳玉厚

（沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

為了研究鋼筋施加給不同直徑調直輥的載荷對雙槽輥輸入軸的影響，運用三維軟件Solidworks，對鋼筋調直機部分機體進行建模，并且使用有限元分析軟件Ansys Workbench，對不同直徑調直輥施加相同的載荷，進而對雙槽輥輸入軸進行應力應變分析。模擬得出雙槽輥輸入軸的應力、應變的大小及分布。對模擬結果進行分析比較后得出，在對不同直徑調直輥施加相同載荷時，雙槽輥輸入軸軸肩處出現應力最大值，在調直輥一側的軸肩附近雖然有應力集中，但是即使是在調直輥直徑最小123mm時，其最大應力也僅為389.68MPa，遠小于材料屈服應力540MPa，且其安全系數也滿足要求。

雙槽輥輸入軸；Solidworks；Ansys Workbench；安全系數；靜態分析

0 引言

鋼筋調直機是鋼筋加工必不可少的設備之一，近年來各生產廠家為了提高產品的技術性能，不斷優化結構，努力降低生產成本，并不斷開發新的機型［1］，鋼筋調直機是鋼筋后期的加工過程中不能夠缺少的調直設備［2］。在調直鋼筋的過程中，雙槽輥輸入軸起到了至關重要的作用，它是組成鋼筋調直機的主要零件，同時也是支撐軸上零件、傳遞運動和動力的關鍵部件［3］。實際設計中，強度計算和結構設計相互影響、相互關聯，需要不斷地交互進行。有限元技術［4］經過迄今約半個世紀的發展，已經日趨成熟應用，它發揮著越來越重要的作用在近乎所有的工程設計領域中。國內外各個廠家已經在各種零件設計中廣泛地應用有限元分析方法，并在機床基礎件（如床身、立柱、框架等）和軸部件等靜、動態特性分析計算中取得成就。西安交通大學張波、陳天寧［5］等在ANSYS環境中建立了機床階梯軸部件的有限元動力學模型，并對階梯軸部件進行了靜、動態特性的計算和動態優化設計。武漢理工大學陳龍、文湘隆［6］等人以ANSYS為基礎對各類軸進行了分析與優化設計。本文通過計算出輸入軸與調直輥接觸部分的最小直徑，對不同直徑的雙槽下調直輥施加載荷，利用有限元分析軟件Ansys Workbench對雙槽輥輸入軸進行分析，這樣可以比較精確的掌握調直輥工作時雙槽輥輸入軸的應力和應變分布情況，為理論設計和實際工程應用提供了理論依據。

1 鋼筋調直機的模型建立

利用Solidworks三維軟件［7］對鋼筋調直機進行建模，所設計的鋼筋調直機主要有雙槽下調直輥、雙槽輥輸入軸、活動架體、上調直輥、調壓螺桿、介輪軸、箱體組成。

這種輥式調直機的理論基礎是鋼筋在彈塑性條件下，會有彈性勢能的產生，所以會有彈復變形［8］的發生。不管鋼筋其原始曲率的大小和彎曲方向，在輥式調直機的調直過程中，鋼筋的殘留曲率［9］會逐漸降低，甚至最后會大小相等。各個上調直輥的壓下量［10］越來越小，被調直的鋼筋的殘留曲率也會越來越小直到接近零值，進而符合所需要的調直質量。在調直過程中，雙槽輥輸入軸承載著調直輥，通常輥式調直機在精調直輥前面要安裝大壓彎裝置，也就是使鋼筋實現大變形的調直輥，一般都是前三個調直輥［11］，本文主要研究第一個調直輥下的雙槽輥輸入軸。

通過上述調直原理可知，雙槽輥輸入軸和調直輥是主要的受力機構，因此主要來研究在鋼筋的屬性以及直徑一定的情況下，不同直徑調直輥下輸入軸的受力情況，研究其結構特性，以為后續更進一步的優化奠定基礎。

2 雙槽輥輸入軸的研究

2.1雙槽輥輸入軸材料屬性設定

由于在調直過程中，雙槽輥輸入軸起到了至關重要的作用，它支承轉動零件調直輥并與之一起回轉以傳遞運動和動力，輸入軸選用40Cr鋼材，它是中碳調制鋼，該鋼價格適中，加工容易，經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，該鋼具有最佳的綜合力學性能。

表1　雙槽輥輸入軸的材料參數（40Cr）

2.2雙槽輥輸入軸的模型

對軸進行結構設計時，如果按許用切應力來計算，只需要按軸所受的轉矩來計算強度，簡單方便，通常用這種方法來初步估算軸的直徑。對于以傳遞轉矩為主的傳動軸和不重要的軸，也可作為最后計算結果。為了彌補彎矩的影響，可適當降低許用切應力。實心圓軸的強度條件［13］為：

寫成設計公式［14］為：

式中：τT—切應力（MPa）；WT—軸的抗扭截面系數（mm3）；T—軸所受的轉矩（N·mm）；［τ］T—許用切應力（MPa）。上式求出的直徑，只宜作為承受轉矩作用的軸段的最小直徑。當軸上開有鍵槽時，應增大軸頸以考慮鍵槽對軸強度的削弱。當直徑d≤100mm時，單鍵應增大5%～7%，雙鍵應增大10%～15%。當直徑d〉100mm時，單鍵應增大3%，雙鍵應增大7%。最后將軸徑圓整為標準直徑。綜合上面的計算可得雙槽輥輸入軸承載調直輥的部位直徑為45mm。

調直輥是雙槽的，在調直Φ6～10mm鋼筋時，可以采用小直徑槽輥那面來進行調直，在調直Φ10～14mm鋼筋時，可以轉換為大直徑槽輥那面來進行調直。經過計算，可以得出調直輥的直徑范圍是123mm～153mm。

2.3雙槽輥輸入軸網格劃分和施加載

（1）雙槽輥輸入軸網格劃分。圖1為雙槽輥輸入軸及調直輥的網格劃分［15］，劃分單元格是建立有限元模型的一個重要的影響因素，單元格的劃分形式直接影響了計算的精度和計算量。本文中采用掃掠的方式劃分來得到整個模型的網格結構，最后整個模型共得到34662個單元，58908個節點。

圖1　雙槽輥輸入軸及調直輥

（2）施加載荷。根據手冊［16］可得知鋼筋的屈服強度400Mpa，抗拉抗壓強度為360Mpa，極限強度為600Mpa，假設調直的鋼筋直徑為D=8mm，鋼筋壓彎時接觸調直輥的部分取L=40mm。經過式（3）式（5）計算得出第一個調直輥所受的抗壓力為361.728KN，達到極限強度時的力為602.88KN，屈服力為401.92KN，在第一個輥施加屈服力，施力在雙槽下調直輥F1處，以此來看受到不同直徑調直輥的壓力時，雙槽輥輸入軸的變化。

2.4雙槽輥輸入軸應力變形分析

式（1）與式（2）可以得出雙槽輥輸入軸承載調直輥部分的直徑為45mm，調直輥是在所選擇材料的參數以及設定好鋼筋的數值的情況下，設定為123mm～153mm，在這個直徑范圍內，需要做出雙槽輥輸入軸的靜力分析。利用Ansys Workbench仿真出不同直徑調直輥下的雙槽輥輸入軸的應力、應變分布圖，如圖2～圖5所示。

圖2　直徑123mm調直輥下的雙槽輥輸入軸應力變形云圖

圖3　直徑133mm調直輥下的雙槽輥輸入軸應力變形云圖

圖4　直徑143mm調直輥下的雙槽輥輸入軸應力變形云圖

圖5　直徑153mm調直輥下的雙槽輥輸入軸應力變形云圖

由圖2～圖5可以看出雙槽下調直輥直徑為123mm時，當額定載荷全部加載于F1處時，雙槽輥輸入軸的最大應力為389.68MPa，最大變形為1.9484mm，最大應力與最大變形均出現在軸肩處。雙槽下調直輥直徑為133mm時，雙槽輥輸入軸的最大應力為334.21MPa，最大變形為1.6711mm，最大應力與最大變形均出現在軸肩處。雙槽下調直輥直徑為143mm時，雙槽輥輸入軸的最大應力為296.02MPa，最大變形為1.4801mm，最大應力與最大變形均出現在軸肩處。雙槽下調直輥直徑為153mm時，雙槽輥輸入軸的最大應力為271.19MPa，最大變形為1.3559mm，最大應力與最大變形均出現在軸肩處。綜上可以得知隨著調直輥直徑增大，雙槽輥輸入軸應力最大的區域是在調直輥一側與軸接觸的軸肩處，該區域由于調直輥直徑尺寸的變化，產生較大的應力集中。該區域在輸入鋼筋給調直輥的載荷狀態下最大應力和最大變形如上所述，由于雙槽輥輸入軸的材料是40Cr，屈服極限為540MPa，在對不同直徑的調直輥施加載荷下雙槽輥輸入軸的安全系數分別為［H1］=1.4，［H2］= 1.6，［H3］=1.8，［H4］=2.0。查閱相關手冊，通常鑄件的設計許用安全系數在1.6～2.5即可滿足要求，對于變形，相對于軸肩處直徑為50mm的雙槽輥輸入軸來說，這種變形量也是可以接受的。雙槽輥輸入軸的應力、應變隨著調直輥直徑增大時的變化趨勢（略）。

3 結論

（1）雙槽輥輸入軸在調直輥調直過程中，軸肩處出現應力最大值，雙槽輥輸入軸應力變化與直徑變化成反比關系，變形大小與直徑變化也成反比關系，應力變化區域與直徑變化成正比關系。

（2）由靜力分析可知，雙槽輥輸入軸總體結構滿足要求，在調直輥一側的軸肩附近雖然有應力集中，但是即使是在調直輥直徑最小123mm時，其最大應力也僅為389.68MPa，遠小于材料屈服應力540MPa，且其安全系數也滿足要求。

（3）雙槽輥輸入軸最大應力均出現軸肩處，并且最大變形量也均出現在軸肩處，所以必須對該區域結構加以改進，同時對該區域進行特殊的熱處理，在后續研究可以進行優化。

［1］王萬康.鋼筋切斷機的運動仿真及其箱體的有限元分析［D］.太原：太原科技大學碩士論文，2009，7.

［2］崔麗紅，臧勇，章博.多輥矯直過程中H型鋼斷面的應力演變規律［J］.北京科技大學學報，2008，8.

［3］K W Wang，Y C Shin，C H Chen.The Natural Frequencies of highspeedSpindles with Angular Contact Bearings［J］.Proceedings of the institution of Mechanical Engineers Part C：Mechanical Engineering Science，2001，3.

［4］劉坤.ANSYS有限元方法精解［M］.國防工業出版社，2005.

［5］張波，等.數控機床階梯軸部件動態優化設計［J］.機械設計，2004，5.

［6］陳龍，文湘隆，等.基于有限元分析的軸的設計［J］.現代機械，2005，1.

［7］張云杰，李玉慶.Solidworks 2012中文版入門與提高［M］.清華大學出版社，2012.

［8］高燕，臧勇.輥式矯直中H型鋼斷面畸變的仿真分析［J］.北京科技大學學報，2006，12.

［9］Paech，Marcus.Anewgenerationofstraighteningroll.Wire，v52，2002，1.

［10］李學通，等.中厚板矯直過程的有限元分析［J］.重型機械，2005，1.

［11］閆志霞.多輥鋼筋矯直參數與矯直精度研究［D］.秦皇島：燕山大學工學碩士論文，2013，5.

［12］郝建強.建筑工程施工計算實例及詳解1000例［M］.武漢：華中科技大學出版社，2011.

［13］楊彩鳳，劉志學，王陽合.軸系零件結構參數化設計的研究與開發［J］.成都航空職業技術學院學報，2005，2.

［14］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［15］黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［16］郭杏林.鋼筋工程施工細節詳解［M］.北京：機械工業出版社，2007.

Reinforced Straightening Machine Dual Slot Roll Input Shaft Static Analysis

CHEN Shi-Zhong，WANG Yong-Hua，CHEN Bo，WU Yu-Hou
（School of Traffic and Mechanical Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China）

In order to study the influence of different diameters to Straightening roller load on the dual slot input shaft of the roll bar，use 3D software Solidworks，bar straightening machine for parts of the body modeling and finite element analysis software Ansys Workbench，Straightening rollers of different diameters for the same applied load，dual slot roll simulation results of the input shaft stress and strain of the size and distribution.After the results were analyzed and compared to simulation results，when straightening rollers of different diameters of the same load is applied，stress and changes in diameter is proportional to the area.Although the shoulder in the vicinity of the side of the roll straightening stress concentration，but even when the straightening roll minimum 123 mm diameter，maximum stress is only 389.68MPa，far less than the material yield stress 540MPa，and which also meet the requirements of the safety factor.

dual slot roll input shaft；Solidworks；Ansys Workbench；safety factor；static analysis

TU603

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-062-03

2015-02-05

住房和城鄉建設部科學技術項目（2014-K3-010）

陳士忠（1979-），男，黑龍江綏化人，副教授，博士后。主要研究方向：建筑機械和質子交換膜燃料電池技術研究；通訊作者：王永華（1990-），女，遼寧沈陽人，碩士研究生。主要研究方向：建筑機械。