熱軋卷取設備芯軸的設計與研究

李建功，曲祥旭

(華北理工大學機械工程學院，河北唐山063000)

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熱軋卷取設備芯軸的設計與研究

李建功，曲祥旭

(華北理工大學機械工程學院，河北唐山063000)

摘要：熱軋卷取法為PHC管樁端板的生產提供了一種新的工藝，該方法充分利用了軋制后帶鋼的余熱并通過橫向卷取將帶鋼卷繞成螺旋形，后經切割壓平焊接等工序得到端板毛坯。使用該方法的卷取設備中卷繞部分機構尤為重要，需要對帶鋼的卡緊定位以及芯軸的強度進行分析。

關鍵詞：熱軋卷取卷繞芯軸

0引言

PHC管樁指的是預應力高強度混凝土管樁，是一種空心圓柱型混凝土預制構件，管樁端板是用于管樁兩端連接和固定預應力鋼筋的重要構件，材質為Q235[1]。熱軋卷取法生產端板解決了以往加工方法中效率低和能源浪費的問題，這種方法為PHC管樁端板的加工開創了一種新的路線[2]。卷取機構的設計首先要考慮的是疊卷問題，因為如果產生疊卷,將會導致產品報廢甚至損壞機械設備[3]，根據實際加工經驗，如果帶鋼前兩圈可以緊密的繞芯軸卷成螺旋形，就可以避免疊卷問題的產生[4-5]；其次根據實際PHC管樁端板尺寸的不同，在設計中要考慮可以卷取不同直徑端板的帶鋼。

整體示意圖如圖1。

1.電機；2.v帶輪；3.減速器；4.輥道；5.卷取軸；6.離合器；7.擋板。圖1　卷取機構示意圖

1卷取過程

通過擋板及卷軸法蘭上的擋塊使帶鋼卡緊到芯軸下端，帶鋼隨著芯軸的轉動而卷繞到軸上。卷繞第一圈時由于楔形塊的擠壓使得第二圈形成螺旋形，從而避免疊卷。輥道承受帶鋼的支撐力。卷繞過程結束之后通過芯軸兩側的凹槽，使用工具實現卸卷。由梁的彎曲理論可知, 在芯軸橫截面積相同的情況下, 空芯截面抗彎剛度強于實心截面，因此, 通常選取空心截面的芯軸。通過有限元軟件ABAQUS將彎矩加載到芯軸的最外端時不同的空心截面應力及應變的大小，從而選取合適的空心截面尺寸[6]。

圖2　左側法蘭

選取一常用尺寸外徑φ500 mm/內徑φ300 mm 厚20 mm的PHC管樁端板為例，卷軸的外徑φ300 mm，初選內徑φ50 mm，具體結構如圖2,3,4所示。

帶鋼：Q235，屈服強度σs=235 MPa,抗拉強度σb=420 MPa。

圖3　芯軸　　　　　　　　圖4　裝配

芯軸：40 Cr， 屈服強度σs=785 MPa，抗拉強度σb=980 MPa,外徑D=300 mm，長L=500 mm。

2彎矩計算

根據繞制成形過程建立帶鋼、芯軸、壓板三個部件模型[7]。由于芯軸和壓板的剛度遠大于帶鋼，并且所關心對象是帶鋼的橫截面變形，采用三維解析剛體部件對芯軸和壓板進行建模。在接觸分析中，接觸對的主面是芯軸和壓板，都為剛體部件，在分析中更容易收斂[8]。幾何模型如圖5所示。

計算結果，帶鋼應力分布如圖6所示。

圖5　ABAQUS中三維模型　　　圖6　帶鋼應力圖

從圖6中可看出，卷取成形過程中，帶鋼與芯軸的連接處出現了應力集中，隨著帶鋼的繼續卷繞，應力趨于穩定。創建場變量輸出，得到帶鋼卷取時彎矩變化如圖7所示。

3芯軸強度分析

圖7　彎矩圖

得到帶鋼卷取時最大彎矩為2.6×104N·m，芯軸長L=500 mm，外徑D=300 mm。將最大彎矩施加到卷軸的最右端，通過ABAQUS分析比較空心直徑分別為50 mm，100 mm，150 mm時芯軸的應力和應變，結果如圖8-圖13。

圖8　內徑d=50 mm時，應力　　　　圖9　內徑d=50 mm時，變形

圖10　內徑d=100 mm時，應力　　　　圖11　內徑d=100 mm時，變形

圖12　內徑d=150 mm時，應力　　　　圖13　內徑d=150 mm時，變形

由圖可以看出，芯軸外徑相同的情況下，內徑由50 mm增加到150 mm時，應力和應變也隨之變大。從圖7、圖9、圖11應力圖中可知最大值出現在芯軸的左端根部，為9.33 MPa，當內徑為φ150 mm時，施加彎矩之后芯軸末端最大位移s=0.034 9 mm。最大位移滿足要求，因此選定芯軸內徑d=150 mm，工程圖如圖14。

圖14　芯軸工程圖

4芯軸校核

4.1外力分析

圖15　應力分布圖

將卷取軸簡化為懸臂梁，將力和力偶施加到軸的末端。其中力F使軸在垂直平面內發生彎曲，力偶Me使軸發生扭轉，因此，軸上產生彎曲扭轉組合變形。

通過計算得到卷軸受力和施加在卷軸的彎矩分別為：

F=1.48×105NMe=2.6×107N·mm

4.2應力分析

由于同時作用著彎矩和扭矩，所以在危險截面處將同時存在著彎曲正應力和扭轉切應力，圖中C、E兩點的正應力和切應力都達到最大值，故這兩點為危險點，這兩點的彎曲正應力和扭轉切應力分別為：

(1)

建立強度條件

(2)

卷取軸為圓軸，故Wn=2Wz，并將(1)帶入(2)中按第三強度理論建立的強度條件為：

(3)

=333 764mm3

(4)

(5)

截面的計算直徑小于卷軸的實際直徑，軸的強度足夠。

5結論

以常用尺寸外徑φ500 mm/內徑φ300 mm×厚20 mm的PHC管樁端板為例，初步設計了法蘭盤和芯軸的結構。通過有限元軟件ABAQUS模擬了熱軋卷取法中帶鋼卷繞過程，從而得到最大彎矩，并以此校核了軸的強度。為實際生產中熱軋卷取機的設計及芯軸的優化提供參考，并使熱軋卷取法生產圓環類零件得以更加廣泛的推廣，對降低成本和提高生產效率具有重要意義。

參考文獻

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[3]李建功，程秀芳，彭偉.機械設計[M].北京.機械工業出版社,2012.

[4]付江，李新華.新塑性加工模擬材料的開發[J].軋鋼，1990(4)14-18.

[5]雷松，王時龍.螺旋彈簧冷繞成形與回彈的數值分析[J].計算機工程與應用，2011，47(27)：228-230.

[6]Quach W M, Teng J G, Chung K F．Residual stresses in steel sheets due to coiling and uncoiling: a closed-form analytical solution[J].Engineering Structures, 2004,26(9): 1249-1259.

[7]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京：機械工業出版社，2009:221-233.

[8]Luo C H, Stahlberg U. Deformation of inclusions during hot rolling of steels [J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 114(1):87-97.

中圖分類號：TG333.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0018-03

作者簡介：李建功(1962-)，男，教授，本科，主要研究方向：機構學與機械動力學，計算機輔助工程。

收稿日期：2015-08-15

Design of the core shaft for the hot rolling and coiling apparatus

LI Jiangong, QU Xiangxu

Abstract:In this study, we provided a new technique for the production of the PHC pipe end plate by hot rolling and coiling, which makes full use of the waste heat after rolling, coils the strip steel into a spiral, and gets the end plate through cutting, flattening and welding. In this method, the winding mechanism of the coiling apparatus is especially important. Therefore, analysis of the positioning of the strip steel and the strength of the core shaft was carried out.

Keywords:hot rolling and coiling; winding; core shaft